Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 8
Текст из файла (страница 8)
11.! показаны уровни энергии в изолированном атоме и в твердом теле. Как видно, в изолированном атоме энергия электронов может принимать только дискретные 45 значения. В твердом теле эти дискретные уровни превращаются в отдельные полосы, энергетический интервал между котореямн для электронов является запрещенным. Уровни энергии, лежащие глубоко, испьггывают малые возмущения, и их спектр очень напоминает спектр изолированных атомов.
На практике очень часто встречаются с этим случаем при исследовании спектра атомов элементов промежуточных групп (нмсющих незаполненные внутренние Рис. !1.1. Расширение эиергетических уровиея атома в твердом теле. изплнрпэапньы Атппм а атем п~дпрйоае пчеле атомные оболочки), введенных в какой-либо растворитель. Такая среда имеет резкие (как у атома) линии поглощения и испускания. Из изложенного следует, что спектр поглощения света кристаллами должен состоять из отдельных полос и линий ширина которых зависит от ширины соответствующих энергетических уровней. !'!оэтому при пропускавии через кристалл белого света, он кажется окрашенным в тот или иной цвет.
Таким образом, основная причина различия спектров изолированных атомов и твердого тела связана с электрическим взаимодействием отдельных атомов с полем кристаллической решетки. Как уже указывалось в гл. 1, кристаллическая решетка всегда имеет некоторые. дефекты, в результате которых кристаллическое поле является неоднородным. При этом пе все активные атомы находится в одинаковых условиях, и поэтому их уровни несколько сдвинуты относительно друг друга. Зто приводит к дополнительному (так называемому «неоднородномуа) уширению линий. Кроме того, ушнрение линий возникает вследствие тепловых колебании решетки, амплитуда которых возрастает при увеличении температуры кристалла. Следует также отметить, 46 что все атомы переходных групп, используемые в оптических генераторах на твердом теле, являются парамагнитными, поскольку незаполненная оболочка нх почти всегда 'т(„: —:, имеет отличный от нуля магнитный люмснт.
Таким образом, :й~:-' между этими атомами существует магнитное взаимодействие, которое может изменить уровни энергии. Хорошо известно, например, что прн повышении концентрации хрома в рубине появляются дополнительные линии йг, и Л'„ которые очень слабы в руби<с с низкой концентрацией хрома. Рассмотрим основные требования, которым должны удовлетворять твердые вещества, используемые в качестве активных сред оптических генераторов.
Зти требования определяются главным образом энергетическими соображениями (что сводится в конечном счете к реализации условий генерации при лн1нимальных затратах энергии возбуждения) и могут быть сформулированы следующим образом. !. Вещество должно обладать метастабильными уровнями энергии, на которых возможно накопить значительное количество активных атомов.
Естественно, что с увеличением времени жизни верхнего уровня индуцированного перехода требуемая мощность накачки (при прочих равных условиях) уменьшается. Время жизни атомов в метастабильном состоянии должно определяться в основном радиационными переходами, т. е. вероятность безызлучательных переходов, при которых вся энергия возбужденных атомов или ее часть передается кристаллической решетке, должна быть относительно малой.
В противном случае требуемая мощность накачки увеличивается. Наличие в веществе метастабильцых уровней с высоким квантовым выходом проявляется в существовании интенсивных линий люминесценции. Ширина линий люминесценции в активных средах оптических генераторов должна быть по возможности малой. Зто следует, например, из формулы (1.86), показывающей, что с уменьшением ширины линии Лт коэффициент усиления в среде с инверсной населенностью растет, и поэтому условия генерации могут быть выполнены при меньших добротностях оптического резонатора и меньших мощностях накачки.
2. Материал должен обладать широкими полосамн поглощения с высоким квантовым выходом люминесценции. т)ем шире полосы поглощения материала, тем бшчьшая часть излучения источника накачки (например, газоразрядной лампы) используется для возбуждения активных атомов '. Условие высокого квантового выхода означает, в частности, что большинство атомов, поглотивших фотоны накачки, переходит затем в метастабильное состояние. Ясно, что с увеличением квантового выхода активного вещества к. п. д. генератора увеличивается. 1 Заметим также, что с точки зрения увеличения к. и.
д. выгодно использовать такие активные среды, для которых частота возбуждающего излучения не очень сяльно превышает частоту лазерного излучегия. В противном случае значительная часть поглощенной энергии будет расходоваться на нагрев кристаллической решетки. 3. Активное вещество доли!но обладать малыми потерями на частоте генерации, не связаннымп с резонансным переходом частиц между рабочими уровнями. Оно должно также иметь высокое оптическое качество, чтобы рассеяние на неоднородностях было минимальным. Указанные потери уменьшают добротность оптического резонатора, что вызывает возрастание пороговой мощности накачки и уменьшает к.п.д. генератора.
Кроме того, как будет показано ниже, они ограничивают возможности получения высоких значений выходной мощности и энергии излучения. 2. РУБИНОВЫЕ КРИСТАЛЛЫ Рубин представляет собой кристалл окиси алюминия А1,0„в котором часть атомов алюминия замещена атомами хрома (А1,0,: Сг"). Активными центрами являются ионы хрома Сг'". В оптических генераторах обычно используется бледно-розовый рубин с содержанием хрома около 0,05% (приблизительно 1,6.10'а ионов в 1 сма). Кристалл рубина обладает ромбоэдрической симметрией.
Ось симметрии третьего порядка совпадает с аптической осью кристалла (ось С). Коэффициент преломления рубина составляет приблизительно 1,76. Следует отметить высокую механическую прочность и высокую теплопроводность рубина, которые в значительной степени способствовали широкому распространению его в лазерной технике.
К числу привлекательных особенностей кристалла рубина относится также возможность выращивания больших образцов высокого оптического качества. ' Имеетсв в виду, что длв накачка нспольауетсв немонохро матнческнй источник с широким спектром налученнк. 48 Диаграмма энергетических уровней попов хрома в рубине представлена на рис. 1!.2. Эти уровни существенно отличаются от уровней энергии в свободных ионах Сгае. Происхождение нх определяется сильным взаимодействием электронной оболочки Зг! группы железа (к которой принадлежит хром) с кристаллическим полем решетки. Рнс.
!!.2. ххиаграхгма анергетнческнх уровней ионов хрома в рубаке. Рабочим переходом в рубине является переход между уровнями аЕ и 'Ла. Состояние 'Е является метастабильным н имеет прн комнатной температуре время жизни около 3 мсек. Оно состоит из двух близких подуровней Е и 2 Л"', расстояние между которыми составляет 29 см '. Переходы между этими подуровнями и основным уровнем 4Ла соответствуют линиям излучения света А', и Аа (рис, 11.3) с длиной волны 6943 н 6929 А при температуре 300 К, Каждая из этих линий, в свою очередь, является дублетом, поскольку нижний рабочий уровень состоит из двух подуровней с расстоянием между ними 0,38 см"'.
При комнатной температуре это расщепление заметить нельзя из-за большой ширины !с-линий (1! см '). При уменьшении температуры кристалла линии И, и гсх сужаются и перемещаются в более коротковолновую часть спектоа. " У ровна Е н 2А двукратно вырождены, т. е. а (Е! =.=' я (2А! = 2; основной уровень аАх вырожден четырехкратно.
х — еа1 49 --' ласти температур от 20 до 80' С сдвиг линии )7, составляет около 0,065 Л (т. е. 4000 Мгм) на 1' (рис. 11. 6) 17 1. На рис. 11.7 представлена температурная зависимость времени жизни метастабильного состояния рубина аЕ 18). Как видно, в отличие ог большинства флкюресцирующих Рнс. 1!.5. Зависимость длины волны линна А', н Яа рубина от температуры. ерге ер!е ~оп п жа гс твердых тел, для которых время жизни монотонно растет с уменьшением температуры, для рубина эта зависимость имеет максимум. Укорочение времени жизни прн низких температурах обусловлено тем, что в области Т = !00' К понижение температуры вызывает заметное уменьшение Рис, ! 1.6.
Зависимость длины волны линии 11, рубина от температуры а области от 20 до 80" С. 4!У И Г;С ости уровня 2 А ьтирующее вр ает, поскольку вня Е больше, 100' К связан ти излучения иел! фотонов. ются энергией имальпое значе а при Т ==- что для пер и увеличение насел емя жизни тн спето вероятность спопт чем с уровня 2 А. У о главным образом с одновременным ис При таких переход с кристаллической нне т„ составляет а 300ь К оно равно 3 л схода Е-+. "А, кв Зависимость ширины линии рубина Я» от температуры представлена на рис. 11.4.
Как видно, значительное сужение наблюдается при уменьшении температуры до 77' К иву арап ерул иее еруп вес д, л' Рис. 1!.3. 11-линии рубина. (температура жидкого азота). Для типичных рубиновых образцов ширина линии при температуре 7?' К составляет около 0,3 еле"'. При дальнейшем понижении температуры до 2" К она уменьшается приблизительно до 0,07 см ' !5). 44 Рнс. 11.4. Зависимость ширины линии Я, рубина от тем- пературы. !у гм .г!у!! ыр 7,'и Длины волн линий Е, и Яа изменяются наиболее сичьно также при температурах выше 77' К (рис. 11.5) 15, 6).
При Т =- 77' К они равны соответственно 6934 и 69!9 А. В об- 50 Б94б еР44 бР4У Ю населенн Е. Резул этом пад ния с уро ,е''. при Т:~ вероятное поглощен обменива $': как макс епностн уровня яния аЕ прн анного нзлучеменьшение тл с увеличением пусканием нли ах ионы хрома решеткой. Так риблизительно !еек, то можно антовый выход Рис.
11.7. Зависимость времени жизни метастабильиого состовнии рубина от температуры. Рис. 1!чь Структура линии Р~ рубина, обусловлсннав наличием различных изотоиов хрома. 1 О 1дд ддд ддд, 'к ОЛ д.г и д и -д,д Рис. 11.8. Соотнощеине между коз4иуиииентами ноглощенив линий Р, и й рубина. люминесценции в Р-линиях не превышает при комнатной температуре 70ел [9 !. Непосредственные измерения показывают, что в Р-лнниях сосредоточено около 65еУе общего потока люминесценции рубина [1О!. Лазерное излучение в рубиновом кристалле в принципе может быть получено как на линии Р,, так н на линии Ра. Однако практически все генераторы работают на линни Р„поскольку для пее проще реализуются пороговые -ОМ Ф -дг д лл,см условия.
Это связано с тем, что вероятность перехода для линии Р, больше, чем для линии Ра. При комнатной температуре, например, коэффициенты поглощения в не- возбужденном рубине для линий Р, и Р, относятся между собой как 7: 5 [11!. В более общем случае соотношение между этими коэффициентами характеризуется зависимостью, приведенной на рис. П.8, которая учитывает также равнину населенностей уровней Е и 2А. Время релаксации частиц между уровнями Е и 2А очень мало (менее !О ' сек 112 !).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
