35.Kaminskii A. A. Laser crystals, their physics and properties. Berlin etc.: Springer, 1981.
36.Каминский А . А ., Федоров В. A . II ДАН СССР. 1985. T. 281. С. 838.
37.Методы расчета оптических квантовых генераторов / Отв. рсд. Б. И. Степанов. Минск: Наука и техника, 1966. Ч. 1.
38.Каминский А . А ., Петросян А. Г., Федоров В. А . И ДАН СССР. 1981. Т. 257. С. 79.
39.Каминский А . А ., Петросян А. Г., Ованесян К. JI. Ц Изв. АН СССР. Неорган. материа
лы. 1983. Т. 19. С. 1217.
40.Каминский А . А . // Письма в ЖЭТФ. 1968. Т. 7. С. 260.
41.Каминский А . А . Ц ДАН СССР. 1968. Т. 180. С. 59.
Глава 6
СЕНСИБИЛИЗАЦИОННЫЕ, ДЕЗАКТИВАЦИОННЫЕ И ФИД-ФЛОВИНГОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ
Введение
К настоящему времени предложено несколько путей повышения эффективности лазеров на основе диэлектрических кристаллов, где генерирующими актива торами являются Ъп3+-ионы. Среди них метод сенсибилизации занимает особое
место. Он заключается в добавлении в кристалл (коактивация), наряду с основ ными — генерирующими Ьп3+-активаторами, ионов другого типа — так назы
ваемых сенсибилизаторов (S) или доноров. Роль последних сводится к погло щению энергии возбуждения и передаче ее основным генерирующим ионам — акцепторам (Л). Это процесс можно описать так:
^возб ~Ь А -*■ S + Л 003б,
где символ «возб» показывает, что данный ион находится в возбужденном со стоянии. Добавление полос поглощения сенсибилизирующих ионов приводит к расширению полосы накачки коактнвированного лазерного кристалла, что увеличивает коэффициент использования излучения широкополосных источни ков возбуждения (например, импульсных Хе-ламп). В результате этого про исходит уменьшение порога возбуждения генерации СИ и возрастание (иногда существенное) эффективности кристаллического лазера. Впервые этот метод был применен в [1] для улучшения параметров СИ ионов Но3+ и Т т3+ в кристал лах СаМо04. В том и другом случае в качестве сенсибилизаторов использова лись ионы Ег3+.
К детальному теоретическому анализу явления передачи энергии электрон ного возбуждения в коактивированных кристаллах впервые приступил, повидимому, автор работы [2]. Им был выявлен ряд общих закономерностей. В частности, было показано, что передача энергии от донора к акцептору осо бенно эффективна при наличии спектрального резонанса между спектром излу чения донорных ионов и спектром поглощения акцепторов. Степень пере крывания их спектров описывается параметром, который принято называть интегралом перекрытия
СAS (E)”A (e) яр.
J Е*
здесь
U s (Е) dE = 1/4,л
— вероятность спонтанного излучения ионов-сенсибилизаторов, где Е — энергия фотона, T„3n — излучательное время жизни, измеренное при малой
концентрации сенсибилизирующих ионов (т. е. в условиях отсутствия кон центрационного тушения), и
J о а (Е) dE = QA
— интегральное поперечное сечение, пропорциональное площади под кривой поглощения, которая обусловлена переходом между состояниями акцепторных ионов, участвующими в процессе передачи энергии электронного возбуждения. Вероятность передачи энергии, в числе прочих факторов, зависит и от природы взаимодействующих переходов [2—5]. Так, для электрических ^-переходов, которые наиболее характерны для генерирующих и сенсибилизирующих Ln3+- ионов, использующихся в лазерных кристаллах, вероятность передачи при равенстве статистических весов участвующих в процессе состояний и широких полос согласно [2 ] будет иметь вид
Здесь R S A — расстояние |
менаду донорными |
и |
акцепторными ионами; h = |
||||
= |
2яН — постоянная Планка; |
J FA {Е) dE = |
1, |
так как |
принято |
(Е) = |
|
= |
QA FA {Е), и j/s (Е) dE |
= 1 |
вследствие условия 1 /т®зн = |
Asfs (Е). |
|
||
|
На практике чаще всего встречаются случаи, когда резонанс между участ |
||||||
вующими в передаче энергии переходами отсутствует, и тем не менее, как сви детельствуют многочисленные данные по изучению сенсибилизированных ла зерных кристаллов [6 —8], передача возбуждения происходит достаточно эф
фективно. В этом случае, как показывают исследования, в явлении передачи энергии электронного возбуждения принимают участие фононы кристаллаосновы.
За последние годы большое число работ выполнено по возбуждению СИ на самонасыщающихся переходах Ьп3+-активаторов в различных фтор- и кислородсодержащих кристаллах [6, 7, 9, 10]. В этих исследованиях вы
явлены специфические условия возбуждения и особенности протекания процес са генерации между уровнями мультиплетов Ьп3+-ионов, нижний из которых
обладает большим люминесцентным временем жизни, чем начальный. Здесь для примера назовем долгоживущие состояния 4/»/, ионов Ег3+ и б/ 7 ионов
Но3+, уровни которого являются конечными для пяти для первого и четырех для второго активатора лазерных каналов (см. табл. 1 .10), в том числе и трех
микронных, находящихся в поле внимания в настоящее время у многих ис следователей.
Для улучшения условий протекания СИ на самонасыщающихся переходах кристаллов с Ьп3+-ионами были предложены новые функциональные лазерные схемы, которые получили название дезактивационных. В них также исполь зуется явление передачи энергии электронного возбуждения между коактиваторными ионами. Если в сенсибилизационных схемах энергия возбуждения от донорных ионов подводится к генерирующим, то в дезактивационных карти на обратная — энергия возбуждения после актов генерации отводится к ионамдезактиваторам. Экспериментальная реализация многоуровневой дезактива ционной лазерной схемы впервые была осуществлена в [1 1 ].
Исследования также показали, что для улучшения параметров СИ неко торых кристаллов с Ъп3+-активаторами можно сенсибилизационный и дезак тивационный принципы совместить в одной лазерной схеме. Эта комбиниро ванная схема получила название фид-фловинговой х. В ней энергия возбужде ния от ионов-сенсибилизаторов подводится к начальному лазерному состоянию генерирующего иона и быстро отводится с конечного к ионам-дезактиваторам.
1 От английских слов extra feed (подпитка) и flowing (сток).
Рис. 6.1. Упрощенные диаграммы сснснбиллзацпонных схем генерации Ьп^-ионов в лазер ных кристаллах
а — для ионов Рг3+; б — для ионов Но3+; в — для ионов Но3-*-, Ег3+- п Тш3**- Жирпыми стрелками показаны каналы генерации, волнистыми — безызлучательный сток возбуждения
Рис. 6.2. Упрощенные диаграммы сенснбшшзацпонных схем генерации Ьп3+-понов в лазерных зсристаллах
а — для ионов Nd3+, Tm,+ и Но,+ ; б — для ионов Ег*+, Но3 г и Т т3+
Обозначения, как на рис. 6.1
Впервые эта |
схема была |
применена при изучении кристаллов Lu3Al&Ou : |
: Сг8+, Но3+, |
Т т 3+—Ег3+ |
112]. |
Анализу возможных механизмов передачи энергии электронного возбужде ния в лазерных кристаллах посвящен ряд обстоятельных монографических