Материал: Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

■* Волнистые стрелки укапывают бспыплучатслыгыс каналы.

осуществление потребовало решения многих задач, главными из которых яв­ ляются понимание сложных и многообразных одновременно протекающих про­ цессов в генерирующем кристалле н создание эффективного многоволнового резонатора. Существенным также является выбор концентрации Ьп3+-ионов,

ориентации кристалла и рабочей температуры, поскольку для раздельной гене­ рации на каждом канале оптимальные значения этих параметров могут суще­ ственно отличаться [12]. В этих опытах более привлекательна ламповая накачка, в то же время селективное лазерное возбуждение дает возможность использовать небольшие по размерам активные элементы.

Теперь остановимся на конкретных примерах каскадной генерации Ln3+ ионов в кристаллах, при этом, в первую очередь, внимание уделим пионерским работам по возбуждении СИ с перечисленными в табл. 5.1 схемами. Забегая впе­ ред, необходимо отметить, что в подавляющем большинстве этих поисковых ра­ бот лишь выявлялись возможности возбуждения СИ по той пли иной каскадной схеме или на том или ином новом межмультиплетыом канале Ьп3+-актпваторов с использованием каскадного принципа, т. е. решались задачи чисто принци­ пиального характера. Особенности каскадного метода получения генерации СИ кристаллов с Ьп3+-иопами требуют еще своего детального изучения. Вопросы энергетики каскадных кристаллических лазеров в последние годы также стали интересовать специалистов [13].

5.1.1.Каскадная генерация ионов Рг3+ u Nd3+

У ионов Рг3+ в различных кристаллах генерация СИ получена па 13 межмультиплетиьтх переходах (см. табл. 1.10 п рпс. 1.9), в том числе и на ИК-каналах —> 3Н Г„ 3Р4 [14, 15]. Учитывая принципиальные трудности создания необхо­

BaYb2F8. В этих анизотропных лазерных кристаллах ноны Yb3+играют особую роль — с одной стороны, они являются сенсибилизаторами (переходы 3Я4 -* lG4

Первые обнадеживающие результаты по каскадной пятимикронной генера­ ции ионов Nd3+ были получены с применением фторидного разупорядоченного кристалла (рис. 5.2) [3]. Проведенные измерения выявили и трудности, связан­ ные с нежелательным поглощением в канале 4/»/, — поскольку между мультиплетами 4 j приблизительно одинаковые энергетические зазоры. В этой связи представляет несомненный интерес постановки исследований каскадных лазерных схем *F»/t iIj -*■ 4j> с кристаллами с умеренной концентрацией ионов Nd3+ и содержащих в необходимых количествах ионы Сг3+, Но3+ и Ег3+. Сложные процессы сенсибилизации, которые протекают в кристаллах с таким составом коактиваторов, должны облегчить преодоление указанной выше труд­ ности [12, 20—23] и, вероятно, дать окончательный ответ о перспективности получения пятимикронной генерации в каналах 4 j -+■ ионов Nd3+

5.1.2.Каскадная генерация ионов Но3+

Энергетическое расположение мультиплетов ионов Но3+ в кристаллах (табл. 2.7) в максимальной мере способствовало тому, что они в настоящее вре­ мя являются самыми богатыми как по числу генерационных каналов (см. табл. 1.10, рис. 1.12), так и по числу реализованных прямых каскадных лазер­ ных схем (рис. 5.3). Условия для возбуждения каскадного СИ по этим прямым схемам для каждого кристалла будут свои. Оптимизации подлежат такие характеристики, как концентрация ионов Но3+, ориентация генерирую­ щего элемента и рабочая температура. Эти задачи несколько облегчаются в случае использования лазерной накачки [5, 6, 26], Помешать возбуждению каскадной генерации ионов Но3+ могут ап-конверсионные процессы, особенно в высококонцентрированных кристаллах, а также поглощение на волнах СИ с долгоживущих возбужденных состояний активатора.

Таблица 5.2. Параметры СИ кристаллов УАЮз —Ег3 |- в режиме обычной и каскадной генерации на мсжштарковских переходах каналов ~ ' 47»д 11 47ц/2 47и/. при ламповой накачке [9]

* Генерация нсустой чивая.

лазерном канале СИ происходит на другом, на более коротковолновом межштарковском переходе. Такие эффекты деформации спектра СИ наблюдаются практически у всех лазерных кристаллов с нонами Ег3+, которые генерируют по прямым каскадным схемам, особенно это относится к самонасыщающпмся каналам, в том числе и к 4/iy2— 4/»д. В частности, у кристалла LiYF4—Ег3+

с отличающейся от предыдущего ориентацией лазерной осп оптической оси с несмотря на другой спектральный состав СИ капала 4/п/1 4/в/, также на­

блюдается эффект деформации спектра [29]. Отмеченную особенность также иллюстрирует табл. 5.2, в которую сведены данные по спектроскопии СИ кри­ сталла YA103—Ег3+, генерирующего по другой прямой каскадной схеме 4i5s/„ —»- 4/о/, W» 4/п/г *1п/г‘

У попов Тш3+ пока реализован один вариант прямой каскадной лазерной схемы (рис. 5.4). Авторы (33] для этих целей использовали кристалл YA103, коактивированный ионами-сенсибилизаторами Сг3+ для улучшения условий возбуждения СИ с уровней мультиплета 3/г4. Исследования [34, 35] свидетель­ ствуют о том, что в ближайшее время будет получена генерация ионов Т т 3+ й по другим прямым каскадным лазерным схемам.

5.2.Особенности каскадной генерации Ьп3+-ионов

вкристаллах (стационарное приближение)

После результатов экспериментального изучения импульсного (нестационар ного) каскадного СИ кристаллов с Ьн3+-активаторамп теперь рассмотрим ре* жим стационарной генерации на примере анализа наиболее общего случая двух последовательных межмультнплетных лазерных каналов, который иллю­ стрирует рис. 5.6. Анализ этой пятиуровневон схемы проведем с учетом штарковского расщепления мультиплетов, полагая, что их вырождение снято пол­ ностью и населенности уровней в каждом конкретном состоянии находятся в отношении, соответствующем тепловому равновесию. При типичном для Ьп3+-ионов в диэлектрических лазерных кристаллах штарковском расщеплении мультиплетов, равном 100—500 см-1 (см. табл. 2.2—2.10), тепловое равновесие устанавливается за время ~ 10-8ч- ^ 10-12 с за счет прямой безызлучательной

релаксации. С другой стороны, вероятность межмультиплетных каналов (мно­ гофононные безызлучательные процессы п люминесценция) на 4—8 порядков меньше вероятности прямых межштарковских безызлучательных переходов. Поэтому населенности состояний в целом под действием возбуждения будут иметь неравновесные значения, которые могут быть определены из решения системы кинетических уравнений. Эти уравнения с обозначением переходов и их вероятностей, принятым в [11, 35], и предположениями, что HVi-3)