Микаэлян А.Л., Тер-Микаэлян М.Л., Турков Ю.Г. Оптические генераторы на твердом теле (1967) (1095904), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Поэтому при возникновения генерации на линии Р, между ними быстро устанавливается термодинамическое равновесие, при котором населенности распределяются по закону Больцмана. Таким образом, генерация иа лишш Р, предотвращает достижение порога самовозбуждення для линии Р,. Генерация на линии Р. в рубине может быть получена в том случае, когда добротность оптического резонатора для нее значительно больше, чем для линии Р,. Это условие выполняется, например, при использовании в качестве зеркал резонатора узкополосных интерферепцпонных фильтров, имеющих максимум пропускания на длине волны линни Р, Следует отметить, что линии излучения рубина Р, н Ра имеют тонкую структуру, определяемую нзотопическим составом хрома, который, как известно, имеет четыре изотопа: Сг", Сга-', Сг", Сг".
Эта дополнительная тонкая з,.структура отчетливо проявляется при низких температурах, когда ширина линий мала. Для иллюстрации на рис. !1.9 изображена линия Р, прн температуре 4,2' К е указанием положения линий отдельных изотопов и нх относительной распространенности [5 !. Нанболес распространенным нзотопом является Сг"а (83,8айа[, поэтому обычно имешю он определяет длины волн генерации. Одна ко при определенных условиях может наблюдаться нндуцированное излучение и других изотопов, в частности Сг'", относительная распространенность которого состав ляет 4,3'.а [!3! Излучение накачки поглощается рубином в двух широкцх полосах, соответствующих переходам активных ато- 53 мОВ из ОснОВнОГО состояния А2 В сОстОяния ~! ! и ! и ° Центральные длины волн этих полос поглощения равны 4100 и 5600 А соответственно, а ширина каждой из ннх составляет около 1000 тт.
Коэффициент поглощения зависит от направления распространения света по Отношению к оптической оси кристалла (рис. 11.10). Часть возбужденных атомов из состояний 'Е, и 4Е2 снова возвращается в основное состояние 'Аз а большая 6,1, смз Да 10-" 1510™ Г,е га та !2 тг 05 10-'з а,тг 0 0 0000 5000 9000 5000 0000 Д,А Рис. 11.10. Спектр поглощения рубина с концентрацией хрома О,обеда (,'! — падающий свет параллелен оси с, з — падающий свет перпендикулярен оси С). часть их переходит в метастабильное состояние 'Е.
Вероятность Ам радиационного перехода в состояние 'Аз может быть рассчитана, исходя из измеренных значений эффективного поперечного сечения о„ и ширины линии поглощения [см. формулу (1.86) !. Для перехода 4Е2 — 'А 2 величина Лм составляет приблизительно 3.10' сек 1. Вероятность безызлучатсльного перехода шзз на уровень 'Е была оценена путем сравнения интенсивности спонтанного излучения, возникающего прн переходе 'Ез — 'Л,, и интенсивности люминесценции в )7-линиях.
Прн этом была получена величина и!22 2 10 сек ' П41, что соответствует времени безызлучательного перехода т„з = 5.10 ' сек. Киантовый выход люминесценции рубина д для ука. ванных полос поглощения имеет порядок 70% 19, 10!. Квантовый выход в )с-линиях 4)„при возбуждении в длинно. волновой полосе составляет приблязительно 52% и слабо меняется в области температур до 300' К [10, 15!. При увеличении температуры выше 300' К величина ди быстро уменьшается [15 !. Следует указать, что эффективность возбуждения рубина в синей и зеленой полосах поглощения примерно одинакова [16!.
Помимо этих полос в рубине имеется еще пшрокая полоса поглощения в ультрафиолетовом участке спектра с центральной длиной волны около 2500 Л. Однако квантовый выход люминесценции для этой полосы сравнительно невелик, и поэтому вклад ее (с точки зрения накачки) незначителен. Оценим пороговую населенность лтетастабильного уровня Е, при которой начинается генерация линии )к! в рубине.
Согласно формуле (1.26) йпо1, — — И (Е) — Ь вЂ” 'И ("Аз) (11. ! ) к! й!12!! где йг! и йз — кратности вырождения уровней 'А, и Е, г — коэффициент отражения выходного зеркала резонатора. Полагая г:== 0,5, ! = !О см и принимая во внимание, что при комнатной температуреоз, =- 2,5 10 " см', найдем Лп„, =- 10" ем '. Отношение населенностей уровней 2А и Е при Т = (е::.! = 290' К составляет 0,87. Поскольку о! = — д ('Аз) =- 4, дз == д(Е) .= 2 и практически все атомы хрома в рубине находятся в состояниях 'Лз н 2'Е, получим следующее распределение населенностей (и, =.
1,6 10"" см 2). и(Е) = 0,465 ° 10" ем з и (2А) =-0 405.!О!з см-з и(4А,)--0,73 1012 ем з Заметим, что вследствие вырол!денни уровней генерация возникает при и (Е) .'и ('Аз), Минимальная энергия возбул!дения, необходимая для создания порогового уров!и инверсной населенности в импульсном режиме, может быть оценена по формуле йт!2 0 [)а„„= — [и (Е)+ и (2А),!пор[Г! 55 где ч,, — частота излучения накачки; д — квантовый выход люминесценции; К вЂ” объем образца. Для длинноволновой полосы поглощения рубина (Х ==: =- 5600 Л), полагая д ==- 1, получим (l„,ы -- 3,1 дж,'см'.
В действительности эта величина оказывается значительно большей, поскольку только небольшая часть электрической энергии накачки преобразуется в свет, погзощаемый активным образцом (см. гл. 11!). Рубиновые образцы, используемые в оптических генераторах, изготавливаются обычно в виде стержней (длиной до 25 — 30 ги и диаметром до 2 — 2,5 см), продольная ось которых составляет с оптической осью С утач в 90 или 60'.
Вь;ращивание кристалла с нулевой ориентацией оптической оси связано с большими технологическими трудностями, поэтому они, как правило, имеют значительно меньшие размеры (до 5 см). Счедует отметить, что направление оптической оси оказывает влияние на характер поляризации излучения оптического генератора. Излучение, генерируемое в образцах с ориентацией оси 60 или 90', имеет линейную поляризацию с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости, в которой лежат оптическая ось и ось цичиндра. В случае образцов с нулевой ориентацией излучение является неполяризованным !17!.
Это влияние объясняется тем, что вероятность перехода между уровнями Е и 'Аз зависит от поляризации излучения. Она максимальна, когда вектор электрического поля перпендикулярен направлению оптической оси кристалла, и минимальна, когда указанные направления параллельны. Зависимость эффективного сечения от поляризации проявляется и в том, что в люминесценции рубина на линии )7, преобладает излучение с электрическим вектором, перпендикулярным оси С.
При высоких концентрациях атомов хрома (порядка 0,5%) в спектре излучения рубина появляются так называемые Ж,- и Л(з-линии. Эти линии обусловлены взаимодействием между соседними атомами хрома и имеют длину волны 7041 и 7009 Л. Конечные состояния индуцированных переходов, соответствующих линиям Л', и Ф„лежат довольно высоко над основным уровнем. Для линии Ф, конечный уровень находится на !50 сэя ' выше основного, для линии Л(з — на !30 см " (306, 307!.
Поэтому при низких температурах эти состояния оказываются слабо заселенными, н могут быть реализованы условия индуцированного излучения. При температуре 77" К пороговая энергия накачки для оптического генератора, работающего на А'-линиях, оказывается примерно таков же, как и для генератора на линии )7, !18, !9!. Более низкий уровень возбуждения имеет линия г(, (704! Л). При увеличении мощности накачки может быть получена одновременная генерация на линиях Л', и Л'„.. 3. КРИСТАЛЛЫ С ПРИМЕСЬЮ ИОНОВ УРАНА Уран относится к группе элементов акти)("( нидного ряда, у которых незаполненная оболочка 5 7" частично экранпруется от электрического поля решетки бз- и бр-электронами.
Однако экранирующее действие их не велико хотя и значительно больше, чем для Зг(-электронов группы железа, поэтому смещение энергетических уровней по сравнению со случаем свободных ионов урана выражено довольно значительно. Индуцированное излучение трехвалентных ионов урана получено в кристаллах СаГ., 5гГ., ВаГз. Наиболее подробные спектроскопические исследования, хотя значительно менее полные, чем для рубина, выполнены для флюорита кальция !20 — 25!. Диаграмма энергетических уровней кристалла СаГ,: (1", построенная на основе результатов этих исследований, представлена на рис, 11.11. Наиболее сильные полосы поглощения ионов Озэ находятся в видимой и ультрафиолетовой областях спектра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
