Материал: Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

7.2.Ап-конверсионная функциональная схема генерации ионов Ег3+ в кристаллах

Ап-конверсионные явления также обнаружены в ряде фторидных кристаллов, активированных только ионами Ег3+ (см., например, [29—31]). Различные схемы возбуждения видимой люминесценции этого активатора при накачке этих соединений ИК-излучением проанализированы в [5, 6, 18]. Впервые генера­ цию ионов Er3f во фторидном кристалле (CaF2 — Ег3+) по функциональной схеме с суммированием возбуждений получили авторы работы [32]. Они при 300 К возбудили СИ трехмикронного канала 4/и/. 47u/f излучением стек­ лянного импульсного Ег-лазера (Явоаб ~ 1,54 мкм). Упрощенная диаграмма ступенчатой схемы генерации показана на рис. 7.8, б. Она достаточна проста. Энергия двух возбужденных ионов Ег3+ посредством одной стадии ап-конверсди

условию возникновения и существования инверсии населенностей состояний

ных переходов с уровней состояния 4/о/„ к^) — параметр, характеризующий скорость суммирования возбуждений 4/»/„ аа — поперечное сечение абсорб­

справа — временная граница ее существования. Таким образом, модель пред­ сказывает временную задержку появления генерации, которая обусловлена инерционностью ап-конверсионного выхода энергии на начальное лазерное состояние 4/.v„ и возможность протекания трехмикронного СИ вплоть до мо­ мента времени, сравнимого с люминесцентным временем жизни И, на­ конец, в приведенном неравенстве содержится указание на существование критической энергии накачки, которую необходимо повысить, чтобы возбудить генерацию в канале 4 / i y , 4/»/, по ступенчатой схеме. Все это подтвердилось

в прямых экспериментах, проведенных'в [33,34].

Здесь необходимо отметить, что факт сущестованпя критической энергии накачки, по достижению которой возникает новое спектроскопическое состоя­ ние в кристаллах с Ьп3+-активаторами, характеризующееся заменой обычного диссипационпого направления (безызлучательная релаксация, люминесцен­ ция) на обратное — ап-конверсионпое, впервые, по-видимому, обсуждался в [34]. Величину этой энергии грубо можно оценить, исходя пз следующих соображений. Известно, что концентрационное тушение накопительных уров­ ней Ьп3+-ионов в кристаллах начинает развиваться с С-^п гг; 1 ат. %. В процес­ сах ступенчатой сенсибилизации роль акцепторов энергии играют возбужден­ ные ионы. Следовательно, для эффективной ап-конверспн их число должно приближаться к ~1020 см-8, что в пересчете на поглощенную энергию, на­ пример, одномикронных квантов соответствует ~20 Дж/см3. Если еще при­ нять во внимание, что при обычном перероете энергии только малая часть взаимодействий осуществляется на минимальных расстояниях (процессы сум­ мирования ив-за миграции возбуждений идут преимущественно на них), то полученную величину энергии следует снизить в несколько раз. Действительно, эксперимент показывает, что начиная со значений поглощенной энергии

~ 5 Дж/см3 ап-конверспя протекает эффективно [15, 22]. Отметим далее, что коль скоро для ап-конверсип важен не способ ввода энергии в активированный 1л13+-ионами кристалл, а только ее величина, то и при ламповой накачке также возможна эффективная кумуляция возбуждений, лишь бы поглощенная энер­ гия достигала критической величины.

7.3. Схемы генерации ионов Ег3+ со ступенчатым поглощением квантов накачки в кристаллах YA103 и LiYF4

,Во всех реализованных лазерных схемах, рассмотренных ранее в этой главе (см. табл. 7.1), ап-конверсионное возбуждение начальных генерирующих со­ стояний Ьп3+-ионов осуществлялось благодаря кооперативным взаимодействиям между ними. Возможен и другой способ энергодвижения в системе уровней Ьп3+-активаторов, приводящей к антистоксовой генерации, когда возбуждение к начальному лазерному состоянию подводится актами последовательного поглощения квантов накачки в одиночных Ьп3+-ионах. Такая функциональная лазерная схема реализована с кристаллами YA103 — Ег3+ (Свг = 1 ат.%) при их накачке излучением двух разноволновых лазеров непрерывного дейст­ вия на основе красителей [35]. Она поясняется рис. 7.8, в. Схема двухступен­

релаксация на уровни мультиплета 4iSs/,. По этой схеме кристалл YA103 — Ег3+ (образец толщиной ~ 3 мм) при Т «< 77 К начинал непрерывно генерировать зеленое СИ на межштарковском переходе 18 406 см-1 4&/, — 4/«»/5 218 см-1 при выходной мощности лазеров накачки менее 50 мВт.

Эта схема также была использована в [36] для возбуждения генерации фто­ рида LiYF4 — Ег3+ (канал 45уа -*■ 4/»/,) при 300 К излучением лазера на основе

предположили параллельное участие в механизме накачки ап-конверсионного процесса

(1) Ч ч, ->- */»/. (Ег*): */../. *Й/. (Ег"),

включающегося по мере накопления возбуждений на уровнях мультипле­ та 4/«д.

Результаты фундаментальных исследований природы ап-конверсионных про цессов, а также функциональных многоуровневых лазерных схем и получения на них генерации активированных Ьп3+-ионами кристаллов заложили основы нового перспективного направления физики и спектроскопии лазерных крис­ таллов. Главным итогом работ этого направления является осознание того* что процессы ступенчатой сенсибилизации и ступенчатого поглощения при­ годны для создания условий для возбуждения в них генерации СИ. Свидетель­ ством этого является разработка эффективного лазерного материала BaYb2F8 — Ег34-. Ап-конверсионные схемы накачки — это притягательный сегодня подход для создания кристаллических лазеров видимого диапазона с полупро­ водниковой лазерной накачкой. Ступенчатые процессы могут оказывать по­ зитивное воздействие на энергетику кристаллических лазеров. Так, ап-кон­ версионные явления могут служить эффективным механизмом доставки энер­ гии возбуждения к высокорасположенному начальному лазерному состоянию с уровней мультиплетов, которые по шкале энергии расположены ниже и за­ селены кроссрелаксационной конверсией. При этом квантовая эффективность

возбуждения этих накопительных мультиплетов автоматически переносится на начальное лазерное состояние генерирующего канала. Ступенчатые про­ цессы способны улучшать характеристики лазерных самонасыщающихся пере­ ходов, дезактивируя их конечные долгоживущие мультиплеты, способны создать стационарную инверсию населенностей рабочих уровней при тир <С Tdown. И, наконец, они могут обеспечивать эффективное использование энергии воз­ буждения, которая поступает в кристалл через абсорбционные каналы на мульти­ плеты, лежащие ниже конечного лазерного состояния активатора. Деталь­ ный анализ работы кристаллической активной среды должен всегда строиться с учетом возможности участия кооперативных процессов ступенчатой сенсиби­

Глава 8

КРОССРЕЛАКСАЦИОННЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ

Введение

В кристаллах с высокой концентрацией Ьп3+-активаторов, помимо обычно протекающих между их уровнями спонтанных процессов излучательного и безызлучательного распада, активную роль в дезактивации уровней могут играть и процессы кроесрелаксации [1—5]. Включение кроссрелаксации может радикальным образом изменять схему преобразования поглощенной энергии накачки, например направляя ее к выделенным уровням системы с одновре­ менным уменьшением энергопоступления к другим уровням. Прямым следст­ вием этого будут концентрационные изменения в квантовых выходах энергии на уровни и в величине общего тепловыделения.. В параллель с этим будут трансформироваться и функциональные возможности активированных кристал­ лов.

После каждого отдельного акта кроссрелаксации энергия электронного возбуждения, запасенная на высокоэнергетическом уровне Ег одного из акти­

(рис. 8.1). В (8.1) р — число фононов, рождающихся в результате кроссрелаксационного перехода. Как видно, в отличие от обычной внутрнцентровой безыз­ лучательной релаксации (межштарковской и межмультиплетной), когда энер­ гия перехода Ьп3+-иона рассеивается в фононной подсистеме матрицы-основы, кроссрелаксация сохраняет возбуждение за исключением малой его части (р/ш) в электронной подсистеме активаторов.

В соответствии с рис. 8.1, а минимально возможная квантовая эффектив­ ность кроссрелаксационных лазерных схем т)сг-г = 1 реализуется в возбуж­ дении другого иона. Несмотря на то, что таким функциональным схемам при­ сущи энергопотери (иногда значительные) на тепловыделение, они могут обес­ печить подвод энергии к тем уровням Ьи3+-активаторов, для которых возбуж­ дение посредством спонтанных процессов излучательной и безызлучательной конверсии является неэффективным. Кроссрелаксационная схема подобного типа была описана в [6], с помощью которой возбуждена генерация на межштарковском переходе канала б2)4 — 7F6 ионов ТЪ3+ в тетрагональном фториде LiYF4 : Gd3+.

Существенно лучшей эффективностью' использования поглощенной энергии накачки для создания инверсии населенностей уровней, лежащих ниже Elf характеризуется схема, показанная на рис. 8.1, б. В этом случае кроссрелаксационные переходы увеличивают в кристалле число возбужденных Ьи3+-ионов в два раза, энергия которых соответствует начальному лазерному состоянию Ев = Ег. Очевидно, что квантовая эффективность такого процесса г|сг_г = 2. Если конечный лазерный уровень Ек расположен на небольшом удалении от основного Е0, то практически вся подводимая к Ех энергия накачки будет пре­ образовываться в энергию генерации СИ канала Еа -+ Ек с минимальным тепловыделением в кристалле. С такими же минимальными энергопотерями кроссрелаксация может утраивать число возбуждений Ьп3+-активаторов, на­

пример, при взаимодействии в паре ионов Lni+ + Ln^ (рис. 8.1, в). Воз­ можность многократного повышения процессами кроссрелаксации квантовой

Р и с . 8 .1 . У прощ ен ны е диаграм м ы кроссрслаксацп онны х схем возбуж ден и я ген ер ац и и L n3+- ионов в л азер н ы х к р и стал л ах

4i — с квантовой эффективностью, рапной 1; б — с квантовой эффективностью, равной 2 ; в — с квантовой

эффективностью, равной 3 Жирными стрелками показаны лазерные переходы, штриховыми — кроссрелаксационные, волнистыми —

-безызлучательные, обычной — канал нерезонансной передачи энергии электронного возбуждения. Цифры» указанные в скобках, поясняют этапы преобразования и движения энергии возбуждения от Ei к Еп

эффективности возбуждения рабочего уровня в полосах накачки среды за счет •снижения тепловыделения реализована в [71.

Несмотря на то, что во всех трех рассмотренных случаях кроссрелаксацпя играет важную роль в преобразовании поглощенной энергии, термином кроссрелаксационные схемы, строго говоря, следовало бы определять лишь те из- Ш1Х, в которых она работает на повышение эффективности полос накачки и сни­

жение тепловыделения (см. схемы рис. 8.1, б и в). В литературе, однако, это понятие используется в более широком смысле, охватывая им н схемы, подоб­ ные той, которая изображена на рис. 8.1, а. Понятно, что в этом последнем случае название кроссрелаксацнонная схема отражает уже не энергетический аспект функциональной схемы, а лишь специфику механизма выхода в ней поглощенной энергии на начальный лазерный уровень.

Новое направление в физике кристаллических лазеров — лазеров, работаю­ щих по кроссрелаксационпым схемам, в идеологическом плане оформилось к середине 80-х годов [8—10]. Основные физические свойства таких лазеров •были поняты в работах, посвященных изучению двухмикронных гольмиевых (канал б/ 7 5/„) [11—19] и трехмпкронных эрбпевых (4/п/, 4/«/,) [20—30] кристаллических сред. Функциональные схемы этих и других кроссрелаксационных кристаллических лазеров рассмотрены ниже.

8.1.Кроссрелаксационные лазерные схемы с квантовой эффективностью, равной 1

'8.1.lj Генерационный канал 6D i -^~F5 ионов Tbs+ в LiYF4:GdJ+

Впервые кроссрелаксацнонная функциональная схема была применена для возбуждения генерации СИ ионов ТЬ3+ (канал bDi -> 7.Fe) в кристалле LiYF4, коактивированпых также ионами-сенсибилизаторами Gd3+ [6]. Вследствие •специфики энергоположения мультиплетов ионов ТЬ8+ в этом фториде •(рис. 8.2, а) [31], заключающейся в обособлении состояния (зазор между мульти-