Материал: Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров
Таблица l .il . Основные спектроскопические свойства 4 /-4 / и 5 i—4/ люминесцентных каналов 1л3+-активаторов в лазерных диэлектрических кристаллах при 300 К [107]
Характеристика |
|
4/—4/ |
|
Кристаллическое поле |
|
|
Слабое |
Электрон-фононное взаимодействие |
Слабое |
||
Сила осциллатора межштарковского пере |
10-5—10—" |
||
хода |
|
|
Ю -5-10-2 |
Излучательное время |
жизни |
начального со |
|
стояния, с |
|
|
- 4 - 2 0 |
Ширина линии люминесценции, см- 1 51,1 |
|||
Пиковое поперечное |
сечение |
межштарков |
10-18-10~23 |
ского перехода, см2 |
|
|
0,3— 6 |
Диапазон люминесценции, мкм*2 |
|||
Диапазон генерации СИ, мкм *2 |
0,45— 5,15 |
||
Тип накачки*3 |
|
|
Хе-лампа |
5d—4/
Сильное Среднее - сильное
10-1-Ю -2
00 1 О |
\Я 1 |
0 т |
|
&1000 10-17- 1 0 - 2‘
0,15— 1 0,17-0,75
Эксимерпый лазер
**Для кристаллов с упорядоченной структурой. *2 Включая криогенные температуры.
**Наиболее используемый.
Впервые годы развития физики лазерных кристаллов вопрос о возможности возбуждения генерации СИ на том или ином межштарковском переходе Lnили ТМ-активатора чаще всего упирался в задачу определения квантового выхода его люминесценции при стационарном возбуждении. Этот метод и сей час оправдывает себя, особенно он эффективен при оценке возможности полу чения индуцированного излучения кристаллов с ТМ-ионами, а также с Ln3+- активаторами на переходах между уровнями двух их нижайших мультиплетов, где отпадает необходимость измерения межмультиилетных коэффициентов ветвления люминесценции.
Вначале 70-х годов стратегия поиска новых лазерных каналов активиро ванных кристаллов, особенно с Ьп3+-ионами, изменилась. Были разработаны
ипрошли проверку сравнительно несложные полуэмпирические методы опре деления двух важнейших интенсивностных характеристик люминесцентных межмультиплетных J —*■J' переходов Ьп8+-активаторов — вероятности спон танного излучения AJJ> и вероятности безызлучательной дезактивации WJJ>, которые обусловливают и реальную эффективность люминесценции с данного /-мультиплета
ч = г3 4 г лг / ( а ^ + |
^ ) |
(1.1) |
|
и соответствующие ее коэффициенты ветвления |
|
||
{З.ЛГ == |
Ajj*. |
|
(1.2) |
|
г |
|
|
Значение |
можно |
измерить прямым образом (только для |
единичных |
случаев), рассчитать теоретически [75, 108] или оценить по экспоненциальной зависимости Г109, 110]:
WJJ. = В exp (—flAEjjr), |
(1.3) |
которую иногда называют законом энергетический щели. В (1.3) В и Р пред полагаются заданными для данного кристалла, т. е. не зависящими ни от типа Ьп8+-иона, ни от того, между какими мультиплетами происходит переход, а ЛE JJ> — энергетический зазор между J- и /'-состояниями.
Вероятность AJJ>— это сумма вероятностей вынужденных электродиполь-
ных (ed) и магнитно-дипольных (md) переходов. Для вычисления A jj' необ ходимо знать дисперсию показателя преломления п (А,) кристалла, в остальном
расчет несложный [109, 111]. Что касается величины AJJ>, то для ее определе ния имеется несколько способов, среди которых наиболее используемым явля ется метод, основанный на приближении [112, 113], где важную роль играет фундаментальная связь вероятности переходов в поглощении и излучении (люминесценции). Этому методу будет посвящена специальная глава моногра фии, поэтому здесь коротко рассмотрим его основные рабочие формулы:
md |
6 4 я4е2 |
Гг(я2 + |
2)2 cd |
-omd |
|
(1.4) |
|
АJ J ' |
3h(2/ -f 1) J? |
U |
S J J ' |
n |
SJ J ‘ |
]• |
|
|
|
|
|
|
|||
здесь сила |
липии Sjj', |
согласно |
[112, ИЗ], |
равна |
|
||
«=2,4,0 |
|
|
|
|
|
(1.5> |
|
|
|
|
|
|
|
||
где е — заряд электрона, h — постоянная Планка, Я и А, — показатель прелом ления кристалла и длина волны (усредненные значения) межмультиплетного
/ —>■J' перехода, <|| |
||)> — приведенные матричные элементы единичных |
тензорных операторов |
ранга t, Qt — параметры интенсивности, которые |
характеризуют эффективность взаимодействия Ьп3+-активатора с полем окру
жения |
в кристалле. Для вычисления |
Qf решается система уравнений (1.5) |
||||
с использованием |
экспериментально измеренных величин |
|||||
ed |
|
j ft (A) dX |
|
3ck (2/ + 1) |
9/7 |
( 1.6) |
Sjj' |
A7o |
' |
8nWX |
+ 2)2 |
||
|
|
’ |
||||
здесь c — скорость света, N 0 — число активаторных ионов в кубическом сан
тиметре и J к (A)dk — интегральный коэффициент поглощения абсорбционной полосы, связанной с / —►• /'-переходом. Определенный по спектрам поглоще
ния набор параметров Й{ позволяет вычислить значения Ae/jr между любой парой мультиплетов Ьп3+-иона.
Таким образом, совокупность данных по AJJ- и WJJ> дает возможность оценить потенциальные возможности данного / -> / ' люминесцентного канала для возбуждения генерации СИ. Конечно, от такой оценочной информации до постановки конкретного эксперимента по получению СИ на том или ином канале генерации дистанция достаточно протяженная. Здесь требуют своего решения такие вопросы, как оптическое качество кристалла и его размеры, необходимая концентрация Ьп3+-активатора (в ряде случаев и других коактпваторов), рабочая температура, выбор функциональной схемы, тип источника накачки и режим его свечения, а также учет многочисленных процессов, про исходящих в активированном (коактивированном) кристалле, которые пре пятствуют или способствуют возникновению лазерной генерации.
1.2.1.Лазерные 4 / — 4 / и 5d — 4 / каналы Ьп3+-актнваторов
Штарковская структура энергетических состояний 4/-у-электронной конфигу рации Ьп3+-ионов в различных диэлектрических кристаллах изучалась и ана лизировалась во многих работах [111, 115, 116], наиболее полные исследования, результаты которых суммированы в [2, 10, 75], проведены с лазерными матри цами. Что касается уровней 5^-конфигурацни, то здесь сведения о них не столь обширны — не для всех кристаллов возможно из изучение, поскольку энерге тическое положение 5<2-уровней обычно совпадает с полосой собственного по глощения матрицы-основы. Для изучения уровней этой электронной конфигу рации в наибольшей степени подходят фторидные кристаллы с их широкой
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9 |
4 f |
9 2 |
J |
S |
7 |
/2 |
|
|
|
1 |
- |
гР 2 -> 3Р1 |
(CaW04, 77К, |
X |
2 — |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
■& |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
2 - |
[118, |
119] |
(LaF3, |
76К, |
Хе) |
V~Q— |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
3Р0 -» Ч10 |
f |
| |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
1120] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
(LaF3, 300 К, |
Хе |
[55] |
|
|
i |
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
3 - |
3Р0 _ |
зр |
|
(РгС13, |
300 К, |
лаз.) |
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
[121] |
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
(LiYF4) |
LiLuFi, |
300 |
К, |
Хе) |
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
/.j |
/ |
|
|
||||||||
|
|
[51, |
52] |
|
|
|
|
|
|
|
|
| |
|
|
|
|
|
|||
4 — ®Р, — а/ / 5 |
(LaCL, |
35 К, |
лаз.) |
М2 |
\ |
1 |
1 |
|
|
|
* |
t |
|
|
||||||
|
|
|
|
i |
|
|
||||||||||||||
|
|
[122] |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
||
5 - |
зя 4 |
(LaCl3, |
14 К, |
лаз .) |
|
1 |
1 |
|
|
|
|
i |
|
|
||||||
3р 0 _ |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
[122] |
|
300 К, |
лаз.) |
[124] |
|
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
i |
|
|
|||
6 |
- |
(LiYF4, |
|
1 |
1 |
|
|
|
|
i |
|
|
||||||||
3Р., -> 3F., |
(LaBr,, |
300 |
К, |
лаз.) |
|
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
i |
|
|
|||||
7 - |
[123] |
|
|
|
|
|
|
|
ь |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
i |
i |
99 |
ff |
|
3Р„ -н. 3Fi (LaFa, 300 К, Хе) [50] |
! |
1 |
1 |
|
|
|
l |
|||||||||||||
6’ _ |
яр _ |
|
|
(YAlOj, |
300 К, |
Хе) |
£ |
| |
1 |
1 |
|
|
|
|
\ |
T |
T |
|||
9 |
- |
[125] |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
> |
1 |
1 |
»Р„ _» 3//5 (LiYF4, -1 1 0 К, Хе) |
|
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
1 |
|
■ |
|||||||||
|
- |
[51] |
|
|
(BaYboFs, |
—110 К, |
-5- |
1 |
1 |
1 |
|
|
\1 |
|
1 |
|
1 |
|||
1 0 |
41л -> а/Д |
/ |
1 1 |
|
1 |
|
f |
r |
* |
M |
|
|||||||||
|
|
Х е ) |
[ 6 5 ] ' |
|
|
|
|
|
|
|
--------- 1---- |
1 |
1I |
|
|
|
|
Г |
|
|
11 - |
io4 - |
яр4 |
|
(BaYb2F8, |
-Н О К, |
f |
1 |
1 |
1 |
|
|
|
|
! |
|
|||||
|
|
Хе) |
[65] |
|
|
|
|
|
|
Z |
• |
т |
1 'I |
|
|
|
|
|
!• |
|
7 2 - 3Р0 ^Ч?4 |
(LiYF4l |
300 К, |
Хе) |
■%н--------- 1— |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
О |
I |
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
[ G G ] |
|
|
(YA103, 300 К, |
Хе) |
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
♦ |
|
|||
13 — !/>„ -* sp |
|
* |
! |
t |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
и |
|
[126] |
3/д |
(LaF3, |
77 К, |
лаз.) |
|
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
— *р _ |
|
|
i_____ .. |
- |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
[230] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Темными пружками отмечены стрелки, локавывающие генерационные перехода, СИнафолнах которых возбуждается с ламповой накачкой; штриховые стрелки показывают низкотемпературные лазерные каналы. Остальные обозначения те же, что и на рис. 1*8
низкорасположенными конечными лазерными уровнями. Ионы Nd3+, обладая для возбуждения и протекания процесса СИ подходящей структурой энергети ческих уровней, достаточно интенсивными абсорбционными и люминесцент ными переходами, стали активно использоваться в лазерных кристаллах. Генерация на двух межмультиплетных каналах ионов Nd3+ (рис. 1.10) — основ ном -*■ *Ityt) [131] и дополнительном 4/»/,) [134] протекает по четырехуровневой схеме с высокорасположенными конечными лазерными уров нями. Это дает возможность возбуждать СИ не только при 300 К, но и при температурах, в несколько раз превышающих комнатную [94, 135, 1361. Вы сокие значения пиковых поперечных сечений индуцированных межштарковских переходов указанных выше каналов ионов Nds+ обеспечивают лазерным кристаллам низкие пороги накачки как в импульсном, так и в непрерывном режимах [2, 10, 15, 32, 81, 84]. Поисковые исследования привели к созданию более 170 кристаллических матриц (табл. 1.1, 1.3, 1.5, 1.6, 1.9), лазерные свой ства которым придают ионы Nd8+ [75]. Имеются все основания считать, что этот ряд будет увеличиваться с каждым годом. Повышение эффективности генерации ионов Nd3+ можно достичь введением в кристалл дополнительных ионов-сенсибилизаторов, например С»*4 [137]. Кроме традиционных методов накачки (импульсные и непрерывные газоразрядные лампы, лампы накалива ния) лазерных кристаллов с ионами Nd3+, для возбуждения их СИ можно использовать излучение других типов лазеров [138, 139] и пиротехнических источников [140], излучение Солнца [141] и мощный пучок электронов [142].
