Материал: Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

релаксации быстро поступает на 4£д/, и далее разменивается на сумму возбуждений Чии (Ег3+) и 2F»/t (Yb3+) посредством кроссрелаксации [22]

На уровнях мультиплета 2Л/, аккумулируется также энергия, поглощенная собственно ионами Yb3+, и энергия возбуждения состояний iI»/t и */»/, актива­ тора, поскольку из-за резонансного характера обмена

и вследствие существенно большей концентрации ионов Yb3+ подавляющая часть обобществленных возбуждений мультиплетов *1»/. н 2F^, локализуется на ионах Yb3+. Следующим шагом энергия, запасенная на уровнях состояний и 2Л/»1 преобразуется в энергию возбуждения посредством процесса ап-

конверсии [13]

(3)3А/, - 3A,, (Yb3+): Ч„,, - ‘А,, (Ег3+).

Поскольку процесс генерации в канале 4F»/t —>- 47«/„ восполняет убыль воз­ буждений на связанных мультиплетах 47»/, и 2К/„ возникающую в результате суммирования (3), то отсюда следует, что, во-первых, на СИ расходуется энер­ гия возбуждений состояния 47и/г, причем с каждым актом генерации сопря­ жено тепловыделение (~1000 см-1) вследствие нерезонансного процесса (3), а во-вторых, процесс суммирования (3) не обеспечивает дезактивацию нижнего лазерного мультиплета 4/u/t. Эту функцию осуществляет процесс

(4) 2FVs -v V .,. (Yb8+): 4/.v, 4FV, (Er>+),

протекающий со скоростью, достаточной для установления стационарной ин­ версии населенностей уровней состояний 4F»ft и 47п/, [13].

Из изложенного ясно, что при двухмикронной генерации ионы Yb3+ в крис­ таллах BaYb2F8 — Ег3+ играют исключительно важную роль. Они выступают, во-первых, в роли обычного сенсибилизатора; во-вторых, обеспечивают преоб­ разование возбуждений мультиплета 4&/, в возбуждения состояния 4F»/t посредством двух последовательных межцентровых переносов энергии (1) и (3), и, наконец, в-третьих, стимулируют дезактивацию конечного лазерного состоя­ ния 4ujt за счет преимущественной локализации обобществленных возбужде­ ний на уровнях мультиплета 2F»/t ионов Yb3+ и благодаря процессу (4).

В описанной картине энергопреобразования в кристаллах BaYb2F8 — Ег8+ отсутствуют каналы потерь, кроме обычных люминесцентных и нерезонансных обменов энергией между коактиваторами. Необходимость их учета выявилась в ходе изучения в [26] генерационных параметров концентрационной серии кристаллов BaYb2F8 — Er3*. Основные результаты этих экспериментов пред­ ставлены на рис. 7.10. Видно, что концентрационные зависимости пороговой энергии возбуждения (Еа), энергии (7?си) и КПД двухмикронной генерации имеют экстремум при Сег = 8 -ч-10 ат.%. Для интерпретации этих данных в [26] была получена также зависимость максимальной заселенности началь­ ного лазерного состояния 4F./, от Сег при Ев03б = const (рис. 7.10, в). По­ скольку люминесцентное время жизни (тлюм) состояния iF>/t в изученном интервале изменения Сег практически не сокращается (рис. 7.10, в), то сущест­ венное понижение максимальной заселенности этого мультиплета при воз­ растании Сег и ЕВОяб — const может быть следствием лишь уменьшения эф­ фективности преобразования поглощенной энергии накачки. Другими словами, увеличение Сег приводит к интенсификации дополнительных механизмов энергетических потерь. Чтобы определить их природу, вспомним, что на на­ качку состояния 4F*/t и в генерации двухмикронного СИ идет энергия воз­ буждения мультиплета 47i»/t. Поскольку населенности состояний 47и/, и 97*/f достаточны для протекания процессов суммирования, то в качестве механизма

дезактивации 4/п/г можно предположить следующее ап-кояверсионное взаимо­ действие:

(5) (Er3+): <Ly, ■* Ч.и (Ет3+).

Дополнительным аргументом в пользу выбора такого канала энергопотерь может служить наблюдаемая квадратичная (в соответствии с диполь-дпполь- ным характером переноса энергии) зависимость его скорости от концентрации ионов Ет3+ (рис. 7.11).

Выполненный в [26] анализ показал, что учет механизмов энергопотерь (5) и обсуждавшегося в [27] процесса

(6)•Д/1-**Л /.(УЪ*): * Д ,.-* Я ./.(Ег“ ).

вспектроскопической модели лазерной среды BaYb2F8 — Ег3+ (рис. 7.9) явля­ ется достаточным для количественного описания с ее помощью эксперименталь­

ных данных по населенностям рабочего состояния в частности концентра­ ционной зависимости, приведенной на рис. 7.10, в. При этом падение эффектпв-

Рис. 7.10. Зависимости пороговой энергии возбуждения СИ, энергии и КПД двухмикронноп генерации от концентрации ионов Ег*+ в BaYb2F8 при £ воаб = 200 Дж (а), а также концен­

трационные зависимости тлюм (Ъ) и заселенности начального лазерного состояния *F,, (в)

[26]

Штриховой кривой показаны результаты расчета N (4^о/2)

*п,Аж

Рис. 7.11. Зависимость вероятностп ап-конверсионного процесса (5) с участием состо­

мости заселения мультиплета 4F«/t (см. рис. 7.10, в) в области высоких кон­ центраций активатора обусловлено процессом (5), а в области малых значений Сег — процессом (6). Таким образом, оптимальное значение Сег д л я возбужде­

ния двухмикронной генерации на переходе *-Лу* лежит в интервале 8 - 1 1 ат.%.

7.1.3.Ступенчатые an-конверсионные лазерные схемы кристаллов

с(Tm3+ -\- Yb3+)-системой активаторов

Генерация ионов Т т 3+ по ступенчатым функциональным схемам впервые по­ лучена в [10, 111 во фторидных анизотропных кристаллах BaYbaFs и LiYbF* при их возбуждении излучением Nd-лазера (ХВозб = 1,054 мкм). Использо­ вание ступенчатых схем накачки позволило поднять число реализованных лазерных каналов иона Т т 3+ до шести, включив в него три новых, берущих начало с уровней мультиплетов sFt и 1СУ4 (см. табл. 7.1). Один из этих каналов *Gt -> 3H t является антистоксовым как по физике возбуждения своего началь­

ного состояния, так и по длине волны генерации (Хеи = 0,649 мкм). Упрощенная диаграмма ступенчатых схем генерации ионов Тш3+, пред­

ложенная в [2], а для конкретных кристаллов ВaYbaF8 — Tm3+ и LiYbF4 — Tm3+ обоснованная в 128], изображена на рис. 7.12, а. В этой схеме основными эле­ ментарными процессами, обеспечивающими инверсную заселенность уровней мультиплета 3F4 при накачке излучением Nd-лазера, являются нерезонансная передача энергии электронного возбуждения от сенсибилизаторных ионов Yb3+ к генерирующим ионам Т т 3+

(1)*F4t -> *FV, (Yb3+): 3# 6 -> 3Я 5 (Тт3+)

Рис. 7.12. Упрощенные диаграммы ступенчатых схем генерации ионов Тш3+ в лазерных кристаллах

а — СИ на переходах каналов *F4 -* »Н«,, и -* *F„ *П4 кристалла BaYb,F,—Tm»* при накачке ивлучением Nd-лавера [101; б — СИ на переходе навала ‘Г, -♦ *Ht кри­ сталла ВаУЬ,Р»—Tm*+ (СТ т = 1 ат.%) при ламповой накачке [28]

Обозначения, как на рис. 7.1

Пояснения в тексте

Штрихами показаны нормировочные лилии с si “ 1 и 2

с последующей многофононной безызлучательной релаксацией в канале 3Н й «и 3НЛи процесс суммирования возбуждений состояний 3Н4 (Тт8+) и SF*/, (Yb3+)

(2)V 4, -* V .,, (Yb**): SH4-4- V , (Tm**),

В справедливости сказанного легко убедиться, анализируя эксперименталь­ ные зависимости населенностей состояний 3Ht, 3Ft и 1G4 иона Т т 3+ от погло­ щенной ионами Yb3+ энергии накачки для кристалла BaYb2F8 — Tm3+ (CTm =

от 10-4 до 10-1 Дж/см3 свидетельствует о том, что состояние 3F4 заселяется посредством суммирования возбуждений 2F»/, (Yb3+) и 3F4 (Tm3+) (рис. 7.14, а). В свою очередь, совпадение (в пределах погрешности эксперимента [10]) на­ клона si (1G4) и суммы наклонов si (3F4 + 2F»/,) показывает, что в заселении уровней мультиплета xGt участвуют возбуждения, накопленные на уровнях состояний аЛ/, (Yb3'*') и 3F4 (Tm3+).

Здесь необходимо отметить, что в процессе энергопреобразованпя в крис­

при использовании в качестве источника излучения накачки Nd-лазера «рабо­ тает» наведенное поглощение в канале 3Н4-> 3F2 [28].

В результате достигнутого уровня понимания энергоконверсионных свойств кристаллов BaYb2F8 — Tm3* и для их описания удалось предложить спектро­ скопическую модель лазерной среды [28], оперирующую только с накопитель­ ными (т. е. с заметно населенными) мультиплетами 3# 4, 3F4, lG4 и XD2 и воз­ бужденным состоянием сенсибилизатора 2Fi/s, учитывающую основные про­ цессы межцентровых и внутрицентровых релаксаций. На базе этой модели методом численного эксперимента были определены оптимальные концентра­ ции ионов Т т 3+ для получения генерации по ступенчатым схемам накачки. Выяснилось, что если в качестве начального лазерного состояния использо­ вать мультиплет 3F4, то концентрация генерирующих ионов Т т 3+ должна быть выбрана из интервала СТт = 1 — 1,5 ат.% [28]. При этом состояние 3F4 ока­ зывается самым заселенным среди всех накопительных уровней системы. В области концентраций ионов Tm3*, соответствующей Стш = 0,2 -г- 0,4 ат.%, наиболее заселенным оказываются уровни состояния 1G4 [28]. Поэтому в опы­ тах по ступенчатому возбуждению СИ с этого мультиплета следует применять кристаллы BaYb2F8 — Tm3+(Стт = 0 ,2 -н 0,4 ат. %). В полном соответствии с результатами спектроскопических исследований СИ каналов, берущих начало с мультиплета 3F4 3F4 3Н4 и 3Р4—> 3Я 5, было возбуждено в кристал­ лах* BaYb2F8 — Tm3* (CTm = 1 ат.%). С энергетической точки зрения лучшим из них оказался канал 3Р4—^3Я 4. В первых экспериментах [10] дифферен­ циальный КПД преобразования излучения стеклянного Nd-лазера в генерацию этого канала составил 11%. Предельное его значение оценивается в 55%.

В свою очередь, новые лазерные каналы ПК- (3G4—>■3Р 3) и видимого (1G,l —>■3Ht) диапазонов удалось возбудить излучением Nd-лазера (Хвоаб = = 1,054 мкм) в кристалле BaYb2F8 — Tm3* (Стт = 0,2 ат. %) [11]. В настоящее

при ламповой накачке. В возбуждении СИ кристалла BaYb2F8 — Tm3* при использовании широкополосного излучения импульсных Хе-ламп накачки участвуют абсорбционные переходы активатора и сенсибилизатора. Специ­ фика энергетического спектра ионов Тш3+ такова, что, начиная с Стщ = 1 ат.%, поглощенная энергия посредством серии резонансных кроссрелаксационных процессов (1) и (2) (см. рис. 7.12, б) в основном разменивается на совокупность возбуждений начального и конечного лазерных состояний канала 3F4 —> 3Н4. В присутствии возбужденных ионов Yb3+ происходит подпитка уровней мульти­ плета 3Ft за счет следующих друг за другом процессов передачи энергии

(3) 2FV, 2Fi/t (Yb3+): 3Н6 3Н Ъ(Tm3*),

безызлучательной релаксации 3Н б ~~ 3Н4 и, наконец, процесса суммирования

(4) zF4t 2FV, (Yb3*): 3Я4 3F4 (Tm3*)

с одновременной дезактивацией состояния 3Н4. Благодаря процессу (4) обра-< зуется стационарная инверсия населенностей уровней мультиплетов лазер­ ного канала при неблагоприятном соотношении их времен жизни тлюм (3F4) я; ж 70 мкс <^Г Тдюм (3Я 4) я? 10 мс. Сказанное подтверждается, в частности, тем,; что в генерационном эксперименте [28] длительность импульса накачки изме­ нялась от 0,3 до 1 мс. Тот факт, что для возбуждения генерации СИ канала *F4 —►3Н4 оказалась важной не мощность накачки, а ее энергия, доказывает ступенчатый характер функциональной лазерной схемы кристалла BaYb2F8 — Tm8* (Стт = 1 ат.%).