Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 11
Текст из файла (страница 11)
Время жизни состояния Чл, при 20 К равно 2 10 " сек, квантовый выход люминесценции — 0,2. Наиболее интенсивная полоса поглощения заключена между 6000 и 6600 Л. Индуцировашюе излучение в кристалле СаГ,: Яп»'+ бьшо получено в импульсном режиме при температуре 20" К. Для образца длиной 2 см и диаметром 3 мм пороговая мощность накачки приблизительно равна 20 вш'смз. Ширина спектра излучения составляет около 0,5 см», Индуцнрованное иззученне в кристалле ВгГ»: 5ш'" было получено прп температуре 4,2' К !32!. Длина волны генерации равна 6969 Л. Наибольший интерес из двухвалентн»ях редкоземельных элементов представляет !)у", включенный в кристалл Саг» !33 — 39!.
Этот материал имеет низкий пороговый уровень накачки 11 дж при температуре 77' К и О,! двк прн 4,2' К), что связано с наличием широких полос поглощения. Спектр поглощения СаГ,: !»у'" состоит нз сильной полосы, простирающейся от 2300 до 4900 Л, и трех менее сильных полос с центральными длинами волн 5800, 7!50 и 9!ОО Л !38!.
Таким образом, для накачки црактиъ чески используется энергия излучения в области от 1 мкм до ультрафиолетового участка спектра. Полоса поглощения в диапазоне 9100 Л хорошо совпадает с интенсивными линиями излучения ксеноновых газоразрядных ламп. В непрерывном режиме излучения пороговая мощность накачки составляет при температуре 27' К менее 100 вт, что является очень низкой величиной для твердотельных оптических генераторов. При мощности накачки 800 вт получена выходная мощность 0,3 вт !35!.
Йндуцированное излучение кристаллов СаГ»: Пу" происходит на волне 2,36 мкм и снязано с переходом между 'состояниями Ч, — »?м Конечный уровень индуцированного перехода находится на расстоянии приблизительно 'Юем» над основным уровнем. Время жизни метастабнль.його состояния прн температуре 77' К имеет порядок, !О мсек !37, 38, 74!. Помимо низкого порогового уровня накачки привлекательной особенностью кристалла СаГ,: Пуа- является очень малая ширина ликии люминесценции (менее 0,08 см х при 77' К н 0,03 слг ' при 27" К). Это позволяет получить генерацию па одном продолшюм типе колебаний оптического резонатора и, кроме того, осуществить модуляцию и перестройку частоты излучения с полеощью магнитного поля (эффект Зеемана), Практически была реализована перестройка частоты генератора в пределах 5 сн ' и модуляция в полосе 0,5 Мг/1 (401.
Ширина спектра излучения СаГ: 1/ухе при температуре жидкого азота равна 0,0! /и ' 1381. Кристалл СаГх: Тц" имеет две сильные линии люминесценции на волнах 1,П6 и 1,189 мкч, определяемые переходом ионов Тпа" из состояния Чьз на два подуровня основного состояния аГ /„ отстоящих друг от друга на 556 ги '. Ширина этих линий очень мала и при температуре 27' К не превышает 0,03 см '. На первый взгляд следовало бы ожидать, что генерация должна происходить по четырехуровневой схеме на волне 1,189 мкм, поскольку ВЕРХНИЙ ПОдурОВЕНЬ СОСтОяНИя хГ1/, СЛабО НаСЕЛЕН дажЕ при комнатной температуре.
Практически, однако, индуцированное излучение имеет место на волне 1,! !6 мкх/, т. е. ~енерация осуществляется по трехуровневой схеме 139, 4! — 431. Это явление объясняется, по-видимому, сильным поглощением излучения на 1,189 мкм, связанным с переходом ионов Тцв из возбужденного состояния вГь.х в более высокую энергетическую полосу электронной оболочки 511. Поглощение люминесцентного излучения при переходах 41-м 5д имеет место и в других кристаллах с примесью двухвалеитных редкоземельных ионов, что препятствует получению в них лазерного эффекта.
Другая трудность, возникающая при использовании двухвалентных ионов, связана с их нестабильностью. Ионы Тц", например, переходят в трехвалентное состояние под действием ультрафиолетового излучения. б, КРИСТАЛЛЫ С ПРИМЕСЬЮ ТРЕХВАЛЕНТНЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ИОНОВ К настоящему времени лазерный эффект получен на трехвалентпых нонах неодима, празеодима, тулин, гольмия, европия, иттербня и эрбпя, помещенных 66 в различные монокристаллы. Диаграммы энергетических уровней некоторых нз этих активш,/х сред представлены на рнс. П.!3. Необходимо отметить, что для трехвалентных редкоземельных ионов в отличие от двухвалеитных переходы между оболочками 4(- 5/1 находятся в ультрафиолетовом участке спектра и мало пригодны для оптической накачки. гв ю' ге м' га 1ах о М./аа 1г /р 1 Е/— 1 ń— Еа//в 7/х ///в Ега дххг, мкм а„ нхе / мам /к /л г 'и, 'и, г 1 ДУ1ФЕ 1/ мхм рви мхм У нь 1- 1 Е/г мам 1//// г,аоа а1 /нх 'Иа г///— их ' иа/и ег Рве.
!1.!3. Диаграмма анергепгнеских уровней трехвалентных редкоземельных ионов в кристалле Са%0/. з* 67 Возбуждение трехвалентных ионов осуществляется за счет переходов 41 — м 4)', интенсивность которых сравнительно мала. Наиболее интересным и наиболее важным в практическом отношении из трехвалентных редкоземельных элементов является неодпм. Индуцированное излучение ионов ,'":,-', неодима наблюдается во многих кристаллических средах (см. табл.
1), причем в болыпинстве из ннх лазерный эффекз имеет место прп комнатной температуре, Непрерывная генерация при комнатной температуре получена в вольфрамате кальция (Са%0,), иттриево-алюминиевом гранате (т'А0) и молпбдате кальция (СаМоО»). Перви!е два из этих кристаллов мы рассмотрим более подробпо.
Спектр поглощения иеодима в кристалле Си%0» заключеи в осиовпом в видимой области и в ближней части иифракрасиого диапазона. Наиболее сильная линия поглощения (переход 47 — 47) имеет длипу волны 5800 Л и ширипу около 200 Л. Спектр люмииесцеиции включает в себя линии, соответствующие переходам из состояния»7»».» свободных попов пеодима в состояния '7»»ч, '1 чю »7»м [44, 46, 72, 73!. Длины волн этих линий составляют 1,3! 1,065 и 0,88 мкль Преобладающим является излучение, возникающее при переходе 'Р»;, — »7 ,, иа которое приходится около 80"е от всей эиергг!и л»оминесцеиции. Время жизни метастабильиого состояния составляет около 0,1 мсек. Наиболее сильиал линия в группе»7»»ч — ' Дхч имеет длину волны 1,063 мк»я (при температуре жидкого азота) и )пирипу спектра 7 Ь.
Коиеч)юе состоя!ше»Дп» лежит примерио иа 2000 см"" вьппе основного уровня трехвалеитиых ионов иеодима. 1!оэтому населенность его мала даже при комнатной температуре, и условия иидуцироваииого излучеиия легко реализуются. Следует отметить, что спектр поглощепия и излучения ионов 1чйае в вольфрамате кальция значительно усложияется, и затрудняется иитерпретация отдельных его деталей вследствие того, что трехвалептпые ионы иеодима замещают в решетке двухвалеитиые ионы кальция. Для компеисации иеравиовесиого заряда в кристалл дополнительно вводятся одиовалептпые ионы щелочных металлов Ха', К+ или [.1'.
Это приводит к упрощению спектра излучения лазерпого перехода»7»»;., — »Д»м и сиижеиию порогового уровия накачки приблизительио в 3 раза [44!. На рис, !1.14 представлен спектр люмииесцеиции кри. сталла Си%0»: [чсР» с добавлеиием ионов Ха+, снятый при температурах 77 и 295= К. Диаграмма энергетических уровней [»[йан показана иа рис. 1!.15 [44!. Приведеииые иа рис. !1.14 значения пороговой энергии получены для образца длиной 4,5 еле и диаметром 3 лел! при использоваиии ксеиоиовой лампы-вспышки спиральной формы. 1!итересио отметить, что при температурах 295 и 77" К иаименьшей пороговой энергии соответствуютразличиыелииии, При комиатяой температуре легче всего лазерный эффект иаблюдается иа ликии с длииой волны 1,058 лоси, а при увеличеиии энергии иакачки возникает генерация иа волие 1,065 мкм.
При охлаждеиип кристалла до температуры жидкого азота геисрация иа первой из этих ливий отсутствует, а иа второй имеет место при более низкой накачке. Это связано с тем, что указапиые ливии соответству!от переходам с двух разли шых подуровней метастабильпого состояпия 4Е „, расстояние между которыми составляет 63 сл» ', иа один иодуровеиь состояния »7 ,:, (рис.
11.15). ВО ФО О мыс Рис. ! !. 14. Спектр люмииесцеации кристалла Се%0»: Мп». при температуре 77 и 995' К. ВД !О» У,н !О и»". гв частота, сл ~ йса !Ов 1 се ю,! длина ванн»Ь инм При комнатной температуре пороговые условия проще выполияются для ливии с длиной волны 1,058 л»ки, соответствующей переходу с верхнего подуровпя состояиия »Р» „ которая обладает большим поперечиым сечеяпем индуцированного перехода, чем линия 1,065 »икж (времена жизни состояний, соответствуюпгих ливиям 1,058 и 1,065 мклп составляют !60 и 230 мксек соответствеиио [45!). При температуре 77" К паселеииость верхнего подуровня оказывается очень малой (е """':: !) и геиерация возможиа лишь с пижиего подуровия.
Поляризация лазерного излучеиия зависит от ориеитации оси активного образца по отиошсии!о к кристаллическим осям (отметим, что вольфрамат кальция является тетрагоиальиым кристаллом, имеющим две главные осп). Если активш,ий образец вырезан вдоль крпсталлографической оси Л, то излучение иа волнах 1,058 и 1,065 жкж 11959 гм 11995 ?5 19 15 1О 19 19>~ 5 19и1- ! ???у ?1а9 Ф и/7 ? 15? ?915 199? Рис. 1!.15. Схема энергетических уровней ионов М1бае в кристалле Са УргОы т), ргй — уей не ~' Рис. ! !.
!б. Диаграмма уровней энергии ионов Сгтт и Хсне в кристалле УЛ0. 71 70 имеет линейную поляризацию, причем для первой волны вектор электрического поля лежит в плоскости, параллельной оптической осн С и оси цилиндра, а для второй— в перпендикулярной плоскости. Ширина спектра лазерного излучения в кристаллах вольфрамата кальция с примесью неодима составляет 0,2 — 0,5 слг ' !44). При использовании диэлектрических зеркал с селектнвным отражением в кристаллах СаЖО,: !ч'сРе была получена также генерация иа волнах 0,9 и 1,35 мкм, соответствующих переходам ионов !чда мемеду состояниями 'Раи — « '7е>е н аЕа~,,-« "?та,:, !46).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
