Рве. 8.2. Упрощенные диаграммы кроссрелаксадионных лазерных схем
а — СИ жонов ТЪв+в канал eD4 (LiYF* : (xd8+) [6]; б — СИ'ионов Рг3-н, канал lD 2 -> *Рж (YA10*) [32]; в — СИ ионов Ег*+, канал 41и^ ^ 41м/а (YaAl6Ols),
Обозначения, как на рис. 8.1
плетами ЪВ 9 и ЬВ 4 равен ~5700 см-1) и проистекающей отсюда практически нулевой вероятности многофононного перехода ЪВ 3 ~~ 5В Л (см. рис. 4.3), в от сутствие межцентровых (ТЬ3+ — ТЬ3+) взаимодействий поглощенная энергия накачки, минуя состояние б£>4, распадается по люминесцентным каналам ЪВ 3 - у -► 7Fj'. Увеличение концентрации ионов ТЬ3+, диктуемое соображениями по вышения поглощательной способности генерирующего кристалла, приводит одновременно и к улучшению выхода энергии возбуждения на уровни началь ного лазерного мультиплета ЪВ 4 благодаря кроссрелаксационным переходам
(1) |
6Z>3 |
6Z>4 (Tb3+): 7Fe |
7F0 (ТЬ3+) |
или
(2)*В3 - у 7F0 (Tb3+): '‘F&- у Ю4 (ТЬ3+).
Ранее эти процессы тушения люминесценции с уровней состояния bD z ионов ТЪ3+ изучались в [41.
8.1.2. Генерационный канал lD 2~yzF 3 ионов Рг8+ в YA103
У ионов Рг3+ имеется мультиплет lB 2, с уровней которого берут начало доста точно интенсивные люминесцентные переходы, потенциальные для возбуждения на них генерации. К сожалению, так же как и для состояния ЪВ 4 ионов ТЬ3+, подвод возбуждения к этому мультиплету посредством безызлучательной ре лаксации с вышележащих состояний затруднен. Поэтому для возбуждения генерации ионов Рг3+ на переходах, начинающихся с уровней гВ 2, применена другая лазерная схема кроссрелаксационного типа [32], что дало возможность получить СИ при 300 К с ламповой накачкой на новом генерационном канале lD %—у 3F9 (YA103 — Рг*). Действующие при Срт= 2 - - 4 ат. % кроссрелаксационвые процессы, показанные на рис. 8.2, 6:
(1) 3Р 0 - у W 2 (Рг*+): 3Я 4 -v 8Я в (Рг8*)
или |
|
41, (Рг3+): 3# 4 |
|
(2) |
3i>0 |
Ч)а (Pr3+), |
ведут к заселению состоянию Ч?2 с эффективностью, достаточной для развития генерации. Дальнейшее повышение концентрации активатора включает кроссрелаксационные процессы, тушащие люминесценцию уже с уровней мультиплета Юъ. Здесь уместно отметить, что вопросы кроесрелаксационной дезакти
вации состояний 3JP0, 1D 2 и |
1б?4 в кристаллах с ионами Рг3+ на сегодня мало |
|||
изучены и требуют |
своего |
специального |
рассмотрения. |
-э- 3# 5 |
Отметим также, |
что генерация ионов |
Рг3+ на новых каналах |
||
и 1(?4 -> 3Fi в анизотропных фторидах BaYb2F8 и LiYbF4 в немалой степени обусловлена кроссрелаксацией
4 \ -*■ х<?4 (Pr3+): 2FVl -*■ Щ , (Yb3+),
которая расширила эффективный спектр накачки начального лазерного со стояния 1Gi за счет подключения к полосе поглощения ионов-сенсибилизаторов
Yb3+ |
С2# /.- » - 2#/*) |
собственных абсорбционных? |
полос активатора |
3Я4-> |
|
- + ъР г |
[32]. |
|
|
|
|
8.1.3. |
Генерационный капал |
ионов Ег3+ в УзА150 12 |
|
||
Впервые СИ ионов |
Ег3+ на |
межмультиплетном |
переходе |
было |
|
возбуждено в [33]. Авторы этой работы использовали разупорядоченный фторид на основе CaF2. Сейчас известен обширный ряд фторидных и оксидных эрбий содержащих кристаллов, генерирующих на этом, самонасыщающемся канале как с ламповой, так и с лазерной накачкой (см., например, [41—43] и [44, гл. 1]). На основе некоторых из них уже созданы трехмикронные лазеры с удов летворительными энергетическими параметрами. Из этих кристаллов в первую очередь можно указать (У^Ег^А^О^, (Ьи1_;сЕг1)зА1501а, YA103, LiYF4
и BaY2F8. Из перечисленных особым вниманием у исследователей и разработ чиков трехмикронных технологических и медицинских лазеров в настоящее время пользуются гранаты (Y^ErJsAljO^ [20—23].
Хорошее спектральное согласование излучения накачки с полосамп воз
буждения — ваяшый фактор, |
определивший высокие энергетические харак |
||||||
теристики лазеров на основе |
(Y1_xEra.)3Al50 12. |
Этому |
также |
способствует |
|||
активное участие процессов безызлучательного переноса |
энергпп — кроссре |
||||||
лаксации |
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
‘S,,, |
(Ег3+): |
(Ег*+)] |
|
|
|
и |
суммирования возбуждений |
|
|
|
|
||
|
(2) |
V .,. |
Чщ, (Ег3*): |
(Ег«)] |
|
|
|
в |
образовании |
инверспп населенностей лазерных |
уровней |
и 4/»/, (см. |
|||
рис. 8.2, в и [24, 25]).
В рассматриваемом случае в результате кроссрелаксацип хотя и рожда ются два электронных возбуждения, одно из них (4/»/г) локализовано в энер гетической шкале ниже начального лазерного мультиплета 4/чд. Поэтому в чис том виде этот процесс не повышает эффективности использования поглощенной энергии накачки, а лишь изменяет схему энергопреобразования. Как оказа лось, однако, энергия, аккумулированная на уровнях состояния 4/«*/t, может быть транспортирована к уровням мультиплета 4/и/ посредством процесса суммирования возбуждений [25].
Включение в спектроскопическую схему лазера на основе кристаллов (Yj-a-ErJaA^Oia процессов суммирования возбуждений имеет ряд следствий для их энергетики и динамики генерации. Прежде всего усиливается воздейст вие кроссрелаксации на эффективность лазерного материала. Во-вторых,
f/ff /см-1 |
а |
|
/ |
|
|
||
Тп |
Tmj+ |
tr” W* |
W |
Рис. 8.3. Упрощенные диаграммы кроссрелаксационных лазерных схем
а — СИ номов Тш’+, напал 3Я* -» 3Я„ (YaAl,Oi2) [55]; б — СИ ионов Н о 1 ! - канал, *1» -» ^.(YjAljOi, : Сг»+
Тш*+) [15] Канал лазерной накачкп указан двойной стрелкой, остальные обозначения как на рис. 8.1
зуются одновременно и высоким коэффициентом потребления излучения широ кополосных источников накачки, и высокой эффективностью преобразования поглощенной энергии в инверсию населенностей уровней лазерных ионов Но3*. Первое обстоятельство обусловлено использованием в качестве коактпваторов ионов Сг3+ и Tm3*, абсорбционные полосы которых (вместе с полосами погло щения ионов Но3*) перекрывают практически всю видимую область спектра; второе — высокой концентрацией ионов Т т 3+ (Стт = 3 ч- 15 ат. %), которая обеспечивает эффективную передачу энергии электронного возбуждения от ионов Сг3* к Т т3+ (рис. 8.3, б)
(1) 2Е~* 4А2 (Сг3*): 3Я с-> 3ГЯ(Тт3+),
а также активной кроссрелаксацпонный размен квантов возбуждения на нонах Tm3*
(2) *РЛ-э- 3/ / 4 (Тт3+): 3Яв |
3Я4 (Тт3+) |
с последующей практически резонансной передачей их к ионам Но3*.
Помимо указанных процессов (1) и (2) прп генерации лазерного граната Y3Al60 la Сг3*, Tm3*—Но3* важную роль пграют безызлучательный перепое
(3) 3Я4 -* 3ЯС(Tm3*): 5/ s 6/ 7 (Но3*),
завершающий транспорт энергии к уровням мультиплета 6/ 7, паразитная пере дача возбуждения от ионов Т т3+ к нонам Но3*
(4) 3Р4-> 3Я в (Тт3+): б/ й |
8/ 4 (Но3*), |
шунтирующая кроссрелаксационпые переходы (2) и два процесса суммирования возбуждений — резонансный
(5) 3Я 4 -> 3Яв (Tm3*): 6/ 7 |
6/ 5 (Но3*) |
Рис. 8.4. Зависимости параметров элементарных про цессов переноса энергии в лазерных кристаллах Y3A150 12 : Сг®+ Тш3+ - Но3+ от СТш [19]
а — квантового выхода процесса (1) — передачи энергии воз буждения от ионов Сга+ к Тш3+; б — квантового выхода процес са (2) — кроссрелаксацпи; в — скорости процесса (5) — сумми рования возбуждений *Н* и 51: при < 1 ,1 ат.% Точки — эксперимент, сплошная кривая — результат расчета
и нерезонансный |
|
|
|
(6) % |
% (Но” ): Ч, |
Ч„ (Но»), |
|
влияющие на энергонакопление на уровнях |
|||
состояния |
6/ 7. Во избежание усложнения |
схе |
|
мы рис. 8.3, б, могущего |
породить недопони |
||
мание, паразитные процессы (4) — (6) па |
ней |
||
не указаны.
На рпс. 8.4, а и 8.4, б приведены загшетвованные из [19] экспериментальные зависимости квантовых выходов кроссрелаксациошгой пере дачи для пар активаторных ионов Cr—Т т и Т т —Т т от концентрации ионов Т т 3+. Этп дан ные могут служить основой для прогнозирова ния энерготрансформационных, а значит, и ла зерных свойств кристаллов Y3A150 12: Сг3+, Tm3+—Но3+. Так, анализируя их, можно заклю чить, что для эффективного транспорта энергии,
поглощенной ионами-сенсибилизаторами Сг3+, к накопительным уровням систе мы SH4 и 5/ 7 необходимы высокие концентрации ионов Т т 3+ (Стт 6 ат. %).
Далее, поскольку микропараметры элементарных процессов (2) и (5) сравни мы по величине [19], то эффективность энергодвижения от ионов-сенсибилиза торов на систему накопительных уровней мультнплетов 3/ / 4 и Ь11 будет тем вы ше, чем больше отношение Стт/Сно* Другими словами, для достижения высо кого дифференциального КПД в режиме одиночных импульсов свободной гене рации, который и определяется эффективностью подвода поглощенной энергии накачки к начальному лазерному состоянию 5/ 7 ионов Но3+, желательно использовать кристаллы Y3A150 12 : Сг3+, Тш3+— Но3* с Стт > 6 ат. % и
Стт/Сно ^ Ю.
Сформулированный критерий выбора состава Y3A160 12 : Сг3+, Т т 3* — Но3+ не распространяется, однако, на режимы, связанные с энергонакоплеиием в ла зерном канале. Обусловлено это, во-первых, тем, что повышение отношения C-imlCno ведет к перераспределению возбуждений в системе связанных состоя ний 3Р4 и fi/ 7 (в пользу мультиплета 3F4), особо нежелательному при работе этого кристалла в режиме усиления или моноимпульсной генерации. Во-вторых, при больших значениях Стт в гранатах Y 3А160 12 : Сг3+, Т т3*—Но3* велика вероят ность резонансного суммирования возбуждений ^ ( Т т 3*) и б/ 7(Но3+). Харак теризующий этот процесс параметр скорости йгтт-но зависит линейно от Стт вплоть до значений последней около 14 ат. % и практически не зависит от Сно в интервале исследованных величин 0—1,1 ат.% (рис. 8.4, в). Суммирование возбуждений aF4 и б/ 7, безусловно, паразитный процесс. Он ведет к насыщению коэффициента усиления, снижает эффективность энергонаконления на началь ном лазерном состоянии. В этом же направлении действует и второй нелиней ный процесс (6) — суммирование двух возбуждений Б/,. Им, однако, в первом приближении, можно пренебречь. Прямое измерение [19] параметра скорости этого процесса для кристалла Y 3Al6Oia—Но3* (Сн0 = 2,3 ат.%) дало значение 8-10"19 см3-с_1л что по крайней мере на порядок величины меньше соответст-