Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 12
Текст из файла (страница 12)
К недостаткам кристалла СаЪОа: Яда+ следует отнести его низкую механическую прочность", а также сравнительно невысокую оптическую однородность, в результате которой лишь немногие образцы могут работать в непрерывном режиме. Эти недостатки в значитеныгой степени преодолеваются прн введении ионов неодпма в кристалл 'х'аА!эО>х (нттриево-алюминиевый гранат — т'ЛО) !47!. Существенно также и то, что в этом кристалле неоднм замещает трехвалентные ионы иттрия, поэтому отпадает проблема компенсации неравновесного заряда. Наиболее интенсивная линия в спектре люминесценции кристалла УЛО: !чг!а' расположена на волне 1,0648 .икм.
* Следует отметить, что кристаллы нольфрамата кальция, выращенные вдоль оси С, имеют существенно большую механическую прочность, чем кристаллы, выращенные вдоль оси А. Ширина ее при комнатной температуре равна 6,5 см ', при 77" К она снижается до 1,0 — 1,5 сн '. При концентрации неодима в кристалле до Зе4 время жизни состояния ага>, составляет приблизительно 200 мисси как при комнатйой температуре, так и прн 77' К. При концентрациях выше 6',4 время жизни заметно сокращается вследствие взаимодействия между ионами неодима. Пороговая энергия накачки для кристалла т'ЛО: !чоа+ (Зае) длиной 3 см н диаметром 2,5 млт при комнатной тем- ьг пературе составляет около 2 дж !47!. В непрерывном ь-'",.' режиме при использовании вольфрамовой лампы и эллин. тического отражателя в том же кристалле генерация начинается при электрической мощности накачки 360 нт !при температуре 300 К).
Для сравнения можно указать, что пороговая мощность накачки для кристаллов Си%Ох: Хд" в непрерывном режиме примерно равна ! кит !44, 45, 48!. Основные свойства других лазерных кристаллов с примесью трехвалеитиых редкоземельных ионов приведены в табл. !. Как уже указывалось, накачка кристаллов с трехвалентными редкоземельными попами осуществляется в основном за счет сравнительно узких полос поглощения 4!"- 45".
В результате этого активная среда поглощает лишь очень небольшую часть падающего на нее излучения. Так, например, кристалл Си%Он: ХтР' толщиной 3 лыт при концентрации неоднма 1',е поглощает примерно 5,5":е излучения ртутной лампы и 8айе ксеноновой (44!. Для увеличения эффективности накачки в кристалл можно ввести дополнительный элемент (сенснбилнзатор) с широкими полосами поглощения, который передает свое возбуждение активным атомам. Был исследован, в частности, иттриевоалюминиевый гранат с примесью неодима и хрома Рис. !!.!?.
Спектр поглощения кристалла удтт с примесью хрома и неоднна прн температуре 78' К. авва вввв а~ вввв л,л (ЪАСс Сгат — Хй") !49, 50). Энергетическая схема этого материала показана на рнс. !!.16. Структура уровней энергии ионов Сга" в т'АО примерно такая же, как и в кристалле рубина. Имеются две широкие полосы поглощения, соответствующие переходам 'А, -н "Ео аЕа, с центральными длинами волн 4300 и 5900 Л. Ни>инее из состояний 'Е находится примерно на !4 580 см ' над основным уровнем, расщепление тг-линий составляет 20,4 см"'. На рнс.
!!.17ня и б показаны спектры поглощения кристаллов УАО: Сга и УАО .' ХгР'. Содержание хрома н неодима в ннх составляет соответственно 1 и 1,39е Спектр поглощения нттриево-алюминиевого граната с примесью обоих элементов показан иа рнс. 11.17, в. Передача энергии ионам Хна+ осуществляется ионами хрома, находящимися в состоянии 'Е. Скорость этого процесса может быть определена путем исследования затухания люминесценции в кристалле т'АО с различным содер- жаннем хрома н неоднма. Врсмя жизни состояния 'Е ионов Стае в УЛО (прн отсутствии неодима) т, составляет 8,1 засек при 77' К и 1,53 мсек прн комнатной температуре. Г)ри введении в кристалл ионов МтР' время затухания люминесценции )т-линий уменьшается до значения х',:--- -= 3,5 мсек пря температуре 77' К.
Время затухания люминесценции Хба" на волне 1,06 мкм в таком кристалле также составляет 3,5 лтсек при возбуждении излучением, спектральный состав которого соответствует только полосам поглощения Сг". Таким образом, время т',, характеризующее скорость передачи энергия от ионов Сг" к ионам Ыба+ и определяемое соотношением 1/т, Р 1?т,' =.= ! ?т;, равно 6,2 мсек. Поскольку та значительно превышает время жизни т, =- 200 мксвк метастабилыюго состояния 'Ет.а ионов Х<Р', то увеличение эффективности накачки при введении в иттриево-алюминиевый гранат ионов хрома должно наблюдаться только в режиме непрерывной генерации.
В импульсном режиме пороговая энергия для кристаллов УАО: Х<Р' и т'АО: Сгат — Хба" должна быть примерно одинаковой. Экспериментальное исследование было проведено с двумя кристаллами длиной 3 см и диаметром 3,2 мм (49!. Один из кристаллов с примесью только неодима имел при комнатной температуре пороговую энергию накачки в импульсном режиме, равную 1 дак. В непрерывном режиме пороговая хющность составляла 730 н !300 вт при использовании соответственно вольфрамовой н ртутной ламп.
Для второго кристалла с примесью 1% хрома н 1,3'.а неодяма пороговый уровень накачки в импульсном режиме ьс составил 2,! длс, а в непрерывном режиме — более 800 вт для вольфрамовой н 750 вт для ртутной ламп. Прн температуре 77" К пороговая мощность составила 440 вт для нольфрамовой лампы и !80 впт для ртутной.
Как видно, при использовании ртутной лампы, спектральный состав излучения которой хорошо соответствует полосам поглогцення ионов Сга, эффективность накачки для кристалла с. примесью двух элементов существенно выше, чем для кристалла 'т"АО: ХгР'. Возрастание порога генерации в импульсном рея<яме н в непрерывном при возбуждении вольфрамовой лампой связано, по-видимому, с худшим качеством кристалла.
С учетом этого фактора 73 увеличение эффективности накачки для ртутной лампы состанляет 3,6 раза. Выли исследованы также и другие кристаллы, в которых осуществляется передача энергии от дополнительно введенных элементов к редкоземельным ионалт (см. табл. 1). Так, эффективность возбуждения ионов Тпан и Нолт в иттриево-алюминиевом гранате значительно возрастает при замещении в последнем части нттрия ионами Ега+. Для иллюстрации можно указать, например, что замещение половины атомов иттрия на Ег" приводит к увеличению интенсивности люминесценции ионов Тна+ в 40 раз (при использовании для возбуждения ртутной лампы). Интенсивность люминесценции ионов Но" прн тех же условиях возрастает в 20 раз !51!. Передача энергии от ионов Ег" к ионам Тцнн и Ноат имеет место н в кристалле СаМоО, !52 !. Высокая эффективность возбуждения ионов Тц'" достигается танисе в кристалле Ег,Оа: Тц", в которолт эрбий входит в состав кристаллической решетки !53!.
6. СТЕКЛА С ПРИМЕСЬЮ НЕОДИМА И ДРУГИХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ Наряду с кристаллами в оптических генераторах широко используются стеклянные активные среды с примесью различных редкоземельных элементов. Преимущество стекол заключается в простоте изготовления образцов больших размеров и любой формы (в том числе в виде волокон), что позволяет получить очень большие энергии выходного импульса (до нескольких тысяч джоулей).
Кроме того, они обладают очень высокой оптической однородностью, в результате чего к. п. д. стеклянных генераторов оказывается выше, чем у генераторов на кристаллах. В то же время сравнительно низкая теплопроводность стекол ограничивает область их применения в основном генераторами с небольшой средней мощностью излучения (т.
е. с малой частотой следования импульсов). В настоящее время нндуцированное излучение получено в стеклянных средах с примесью различных трехвалентных редкоземельных ионов (см. табл, 1), однако практическое значение из них имеют пока лишь стекла с примесью неоднма, которые работают при комнатной температуре 74 и позволяют реализовать непрерывный режим генерации !54, 551. Структура энергетических уровней трехвалентных ионов неодима в стекле примерно такая же, как н в кристаллах, однако отсутствие определенной кристаллической структуры приводит к уширению линий поглощения и излучения.
Спектр поглощения бариевого стекла с примесью 28о (весовых) неодима при температуре 300н К показан на хг ав " в,в ав Рпс. 11.18. Снснтр потложсанн стекла с нсодннон (дна нссоаых процента), аг ав дв вв аг дв д, рис. 11.18. Наиболее интенсивные полосы расположены вблизи 0,9; 0,8; 0,74; 0,58; 0,52; 0,36 мкм. Положение полос в стеклах различного состава меняется в пределах 30 А, однако их относительные интенсивности могут изменяться довольно значительно !56). Спектр люминесценции Нс(а' состоит из трех широких линий с длиной волны 0,9; 1,06 н 1,33 мкм, соответствующих переходам из метастабильного состояния вЕт,:, в состояния туча, ауо,;, т7 тгт Ширина наиболее интенсивной линии люминесценции на волне 1,06 мкм составляет около 200 А.
Время жизни состояния 'гт т сильно зависит от состана стекла и концентрации в нем неодима и изменяется в пределах 10 ' — !О ' сек. Наибольшее время жизни и наибольший выход люминесценции имеют силикатные стекла. Зависимость времени жизни от концентрации !хоа' в силикатном стекле показана на рис. 11.19 для температур 77 и 300' К !57!. В первом генераторе, описанном в работе !581, использовалось бариевое стекло (5!Он — 59о4, ВаΠ— 25оуо, К О вЂ” !бого, 55аОв — 19о), в которое вводилось 0,13 — 2,0';о )х(с)тОв. Измеренное значение времени жизни состояния 'Гтгт ионов неоднма в этом стекле составляло 0,56 мсек 75 0,7 об во Рве. 11.20. Зависимость ширины спектра лазерного излучении от энергии накачки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
