книги / Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров
..pdfТаблица |
5.1. |
Реализованные прямые |
каскадные |
функциональные |
лазерные схемы |
||||||||
Ьп3+-актнватороп и кристаллах |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Лазерный |
|
Каскадные межмультн- |
Лазерный |
|
|
|
Каскадные межмульти- |
|
|||||
L U 3+ -I I O I I |
|
плетные каналы СИ* |
L n * + - n o n |
|
|
|
плетные каналы СИ * |
|
|
||||
р г 3 + |
*Po |
|
|
|
|
5$ |
о |
OF5 |
а / 4 |
5/ S |
i / e - |
5/ |
7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Nd3+ |
з л > |
|
|
|
Er"+ |
5/ o - > 5/ 7 - * 5/ 8 |
|
|
|
|
|||
4\ |
Ча!г |
4 llU |
|
|
- 4 / V |
, - 44 |
|
|
|
||||
Ноа+ |
|
|
|
|
|
|
|||||||
5 6 'о |
-> 5h - > 4 a |
|
|
< |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
ь 5 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- » 5Jg |
0fa |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
s s 2 — 5/ o - > 5/ e |
|
|
44 |
|
->ЧЧгыъЧ,^->Ч,Чг - |
|
|
|||||
|
&s 2- * &h W-> |
- e/ 7 |
|
* |
4 |
v |
- y . |
||||||
|
“ S o — > 3 / 5 |
5/ 0 —* bh |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
5S O - O B/ 5 M ^ / C - ^ / 7 - ^ S / 8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
Т ти |
4 / « / , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
»/■* — |
“ Я в /w » 3Я |
4 - » 3Я в |
|
|
|
■* Волнистые стрелки укапывают бспыплучатслыгыс каналы.
осуществление потребовало решения многих задач, главными из которых яв ляются понимание сложных и многообразных одновременно протекающих про цессов в генерирующем кристалле н создание эффективного многоволнового резонатора. Существенным также является выбор концентрации Ьп3+-ионов,
ориентации кристалла и рабочей температуры, поскольку для раздельной гене рации на каждом канале оптимальные значения этих параметров могут суще ственно отличаться [12]. В этих опытах более привлекательна ламповая накачка, в то же время селективное лазерное возбуждение дает возможность использовать небольшие по размерам активные элементы.
Теперь остановимся на конкретных примерах каскадной генерации Ln3+ ионов в кристаллах, при этом, в первую очередь, внимание уделим пионерским работам по возбуждении СИ с перечисленными в табл. 5.1 схемами. Забегая впе ред, необходимо отметить, что в подавляющем большинстве этих поисковых ра бот лишь выявлялись возможности возбуждения СИ по той пли иной каскадной схеме или на том или ином новом межмультиплетыом канале Ьп3+-актпваторов с использованием каскадного принципа, т. е. решались задачи чисто принци пиального характера. Особенности каскадного метода получения генерации СИ кристаллов с Ьп3+-иопами требуют еще своего детального изучения. Вопросы энергетики каскадных кристаллических лазеров в последние годы также стали интересовать специалистов [13].
5.1.1.Каскадная генерация ионов Рг3+ u Nd3+
У ионов Рг3+ в различных кристаллах генерация СИ получена па 13 межмультиплетиьтх переходах (см. табл. 1.10 п рпс. 1.9), в том числе и на ИК-каналах —> 3Н Г„ 3Р4 [14, 15]. Учитывая принципиальные трудности создания необхо
димой заселенности уровней |
мультпплета |
для возбуждения СИ обычный |
методом ламповой накачки, |
были выбраны |
иттербневые фториды LiYbF* п |
BaYb2F8. В этих анизотропных лазерных кристаллах ноны Yb3+играют особую роль — с одной стороны, они являются сенсибилизаторами (переходы 3Я4 -* lG4
ионов Рг3+ н 2/v« —> |
ионов |
Yb3+ находятся |
практически в резонансе), |
с другой — кроссрелаксаторамн |
возбуждения с |
уровня 3Р 0 генерирующего |
|
активатора (мультнплет 1G,l ионов |
Рг3+ лежит по шкале энергии посередине от |
||
носительно состояния 3Р о). |
|
|
|
Pf,3+ |
|
Nd |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рг3+: 1 - |
(LiYF4l |
BaY2F8, ~110 К, Хс) [16] |
||||||
|
|
|
|
2 - |
(BaY„Fe ~ |
110 К, Хе) |
[16] |
|
|
|||
|
|
|
|
Nd3+: 1 - |
((BaF2 - |
LaF3, 300 К, |
Хе) [3] |
|
|
|||
|
м г |
|
|
Обозначения те же, что и на рис. 1.9 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
В [16] генерация СИ с уровней состояния |
||||||||
|
|
|
|
1G4 ио н о в Р г3+ во |
фторидах без ионов Yb3+ бы |
|||||||
|
|
|
|
ла возбуждена с использованием прямых кас |
||||||||
|
1 |
|
|
кадных лазерных схем (рис. 5.2). Исследования |
||||||||
|
4 |
/ |
свидетельствуют |
о том, |
что путем подбора ха |
|||||||
|
1 |
п |
рактеристик кристаллов и условий эксперимен |
|||||||||
I \ |
t |
|||||||||||
та ИК-каскадную генерацию, в том |
числе ж |
|||||||||||
|
1 |
|||||||||||
|
1 |
|
|
четырехмпкронную (16',1—> SF4), ионов |
Рг3+ мож |
|||||||
|
1 |
|
|
но возбуждать с ламповой накачкой и при 300 К. |
||||||||
f |
& |
|
|
|||||||||
|
|
Пяти- и шестимикронные интенсивные пере |
||||||||||
I |
4, |
|
||||||||||
|
ходы между мультнплетамн терма 4/ |
ионов Nd1-1" |
||||||||||
t |
|
V |
в кристаллах, |
особенно с иепротличенным фо |
||||||||
f . |
|
нонным спектром, давно привлекают внимание |
||||||||||
%■ |
|
исследователей |
как потенциальные |
лазерные |
||||||||
|
|
1, |
J L . |
каналы [3, 7, 17, 18]. Теоретические оценки си |
||||||||
*■ |
|
лы л и н и й |
[3 , 7 ] |
и прямые |
измерения интенсив |
|||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
ности люминесценции [18,19] |
указывают на то, |
|||||||
\ |
|
f e — |
что по этим параметрам переходы i I J — > i I r не |
|||||||||
|
уступают, а в некоторых |
случаях и |
превосхо |
|||||||||
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
дят известные |
лазерные |
каналы |
4К/„ —• 4Ij' |
|||||
|
|
|
|
ионов Nd3+. |
|
|
|
|
|
|
Первые обнадеживающие результаты по каскадной пятимикронной генера ции ионов Nd3+ были получены с применением фторидного разупорядоченного кристалла (рис. 5.2) [3]. Проведенные измерения выявили и трудности, связан ные с нежелательным поглощением в канале 4/»/, — поскольку между мультиплетами 4 j приблизительно одинаковые энергетические зазоры. В этой связи представляет несомненный интерес постановки исследований каскадных лазерных схем *F»/t iIj -*■ 4j> с кристаллами с умеренной концентрацией ионов Nd3+ и содержащих в необходимых количествах ионы Сг3+, Но3+ и Ег3+. Сложные процессы сенсибилизации, которые протекают в кристаллах с таким составом коактиваторов, должны облегчить преодоление указанной выше труд ности [12, 20—23] и, вероятно, дать окончательный ответ о перспективности получения пятимикронной генерации в каналах 4 j -+■ ионов Nd3+
5.1.2.Каскадная генерация ионов Но3+
Энергетическое расположение мультиплетов ионов Но3+ в кристаллах (табл. 2.7) в максимальной мере способствовало тому, что они в настоящее вре мя являются самыми богатыми как по числу генерационных каналов (см. табл. 1.10, рис. 1.12), так и по числу реализованных прямых каскадных лазер ных схем (рис. 5.3). Условия для возбуждения каскадного СИ по этим прямым схемам для каждого кристалла будут свои. Оптимизации подлежат такие характеристики, как концентрация ионов Но3+, ориентация генерирую щего элемента и рабочая температура. Эти задачи несколько облегчаются в случае использования лазерной накачки [5, 6, 26], Помешать возбуждению каскадной генерации ионов Но3+ могут ап-конверсионные процессы, особенно в высококонцентрированных кристаллах, а также поглощение на волнах СИ с долгоживущих возбужденных состояний активатора.
Таблица 5.2. Параметры СИ кристаллов УАЮз —Ег3 |- в режиме обычной и каскадной генерации на мсжштарковских переходах каналов ~ ' 47»д 11 47ц/2 47и/. при ламповой накачке [9]
Канал СИ |
Порог СИ, Дж |
|
Канал СИ |
ЯС И » мкм |
Порог СИ. Дж |
||
обычный |
каскад |
|
обыч |
каскад |
|||
|
|
|
|
||||
|
ный |
|
|
|
ный |
ный |
|
|
|
|
|
|
|||
—н о к |
|
|
|
|
300 к |
|
|
1,6628 |
7,5 |
7,5 |
|
47ц/. — 4Аз/ 2 |
1,6628 |
16 |
16 |
2,7310 |
35 * |
8 |
|
2,7305 |
28 |
16 |
|
2,7398 |
10 |
8 |
1 |
|
2,7955 |
53 |
100* |
* Генерация нсустой чивая.
лазерном канале СИ происходит на другом, на более коротковолновом межштарковском переходе. Такие эффекты деформации спектра СИ наблюдаются практически у всех лазерных кристаллов с нонами Ег3+, которые генерируют по прямым каскадным схемам, особенно это относится к самонасыщающпмся каналам, в том числе и к 4/iy2— 4/»д. В частности, у кристалла LiYF4—Ег3+
с отличающейся от предыдущего ориентацией лазерной осп оптической оси с несмотря на другой спектральный состав СИ капала 4/п/1 4/в/, также на
блюдается эффект деформации спектра [29]. Отмеченную особенность также иллюстрирует табл. 5.2, в которую сведены данные по спектроскопии СИ кри сталла YA103—Ег3+, генерирующего по другой прямой каскадной схеме 4i5s/„ —»- 4/о/, W» 4/п/г *1п/г‘
У попов Тш3+ пока реализован один вариант прямой каскадной лазерной схемы (рис. 5.4). Авторы (33] для этих целей использовали кристалл YA103, коактивированный ионами-сенсибилизаторами Сг3+ для улучшения условий возбуждения СИ с уровней мультиплета 3/г4. Исследования [34, 35] свидетель ствуют о том, что в ближайшее время будет получена генерация ионов Т т 3+ й по другим прямым каскадным лазерным схемам.
5.2.Особенности каскадной генерации Ьп3+-ионов
вкристаллах (стационарное приближение)
После результатов экспериментального изучения импульсного (нестационар ного) каскадного СИ кристаллов с Ьн3+-активаторамп теперь рассмотрим ре* жим стационарной генерации на примере анализа наиболее общего случая двух последовательных межмультнплетных лазерных каналов, который иллю стрирует рис. 5.6. Анализ этой пятиуровневон схемы проведем с учетом штарковского расщепления мультиплетов, полагая, что их вырождение снято пол ностью и населенности уровней в каждом конкретном состоянии находятся в отношении, соответствующем тепловому равновесию. При типичном для Ьп3+-ионов в диэлектрических лазерных кристаллах штарковском расщеплении мультиплетов, равном 100—500 см-1 (см. табл. 2.2—2.10), тепловое равновесие устанавливается за время ~ 10-8ч- ^ 10-12 с за счет прямой безызлучательной
релаксации. С другой стороны, вероятность межмультиплетных каналов (мно гофононные безызлучательные процессы п люминесценция) на 4—8 порядков меньше вероятности прямых межштарковских безызлучательных переходов. Поэтому населенности состояний в целом под действием возбуждения будут иметь неравновесные значения, которые могут быть определены из решения системы кинетических уравнений. Эти уравнения с обозначением переходов и их вероятностей, принятым в [11, 35], и предположениями, что HVi-3)
— пороговая скорость возбуждения СИ в первом канале,
g _ iVoXjbj^j i
14я2сЬ4Д^юм PI
—отношение предельного коэффициента к полным потерям pi. В (5.2) также
/Cl = b'ibnlbib3 — параметр, характеризующий относительные населенности участвующих в генерации штарковских уровней J a и / 4 мультиплетов; р —
= |
+ |
А лг) Тз и у = |
{Л ла + |
W i3 ) т3; Т3 = (А 3 + 'W32)~x и т4 = (Аа + |
Wi3 Y l . |
||
Аналогичное выражение для мощности генерации только во втором |
лазер |
||||||
ном |
канале 3 -*■ 2 |
|
|
|
|
||
Рц = |
N0Vr^a [ l - b j \ ( i + y-')] |
— BUпн), |
(5.3) |
||||
|
1 + |
|
(BUи о з б |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
BUnli = tf/cc (6?i - |
у-1 - |
1), |
|
|
|||
бц = |
|
|
и а = (Ai3 + JF43) T4. |
|
|||
|
|
4я*с/^”юм PJI |
|
|
|
||
И, наконец, выражения для мощности |
каскадной генерации в каналах 4 |
||||||
3 —*• 2 |
будут |
следующими: |
|
|
|
||
Pi = |
W0FP. |
(BUaoзб - Л ^ г), |
|
(5.4) |
|||
|
= |
A*0Fг.э^иф (BUвозб - |
BUln), |
|
(5.5) |
||
где |
|
|
|
|
|
|
|
BUli |
= (1 + |
A:i6i6ii)/6icpT4, |
|
|
|
BUlu = [1 + Р (бпб! 1 + &1)]/бпсрт3
И
Ф = 1 — бг1 — би (1 + к\).
В (5.2)—(5.5) с — скорость света, v — частота, К — длина волны, h — постоян ная Планка и ДтЛюм — ширина линии люминесценции.
Решение (5.4) и (5.5) имеет физический смысл лишь в области положитель ных значений Pi и Ри, поэтому пороговой скоростью возбуждения каскадной
генерации СИ будет наибольшая из величин BUh и BUlu.
В анализируемой пятиуровневой системе с двумя метастабильными состоя ниями / 3 и / 4, и незаселенным мультнплетом / 2 ПРН различных соотношениях
между вероятностями переходов и коэффициентами потерь pi и рп возможны следующие варианты возбуждения каскадной генерации в первом и втором каналах:
В Uni = В Uni, BUnг < З и пц и BUnl > BUBll.
Из них в прикладном аспекте наиболее привлекательным является второй, поэтому рассмотрим некоторые его особенности. Анализ (5.2)—(5.5) показы вает, что для этого варианта справедливо неравенство:
BUni < Bull < BUlu < BUпц-
Таким образом, BUln является пороговой скоростью возбуждения каскадной генерации, и в интервале значений скорости накачки от BUuj до BLTlu СП будет возбуждаться только в канале 4 3 , При BUBOia^> BUln возникает
Рис. 5.7. Зависимости приведенной мощности генерации в каналах 4 —» 3 п 3 —►2 от В £7ВОЗб (в единицах
PI,I1/N0VT.JIVI, JJ) в |
каскадном |
|
и обычном режимах |
|
|
1 — P ilN a V r J ivIt |
2 — |
i 3I I /iY0Vr .jnvI1, |
3 — i y J V o V r . a l i V ! , |
4 — P n / N o V r . a h v i j : |
|
Остальные обозначения |
и пояснения |
|
в тексте |
|
|
каскадная генерация, поведение энергетических характеристик которой кар динально отличается от аналогичных параметров независимого СИ в первом и втором каналах. Мощность генерации в канале 4 —*• 3 удобнее представить в виде
Pi = Pi + N 0VT,э/^ 1ф (BUBOa6 - BUknU), |
(5.6) |
где P\ — начальная мощность генерации СИ в канале 4 |
3 при BUBоаб = |
= В U*а-, когда в системе возбуждается каскадное СИ по схеме 4-»-3 —*-2. Формулы (5.4) и (5.6) показывают, что мощность каскадной генерации будет расти линейно для обоих взаимосвязанных последовательных лазерных кана лов. Это иллюстрируется зависимостями, показанными на рис. 5.7, которые рассчитаны при бх = 100, бц = 10, &i = 0,2 и И43 WiZ = А 3 W32 = = А41 + А42 = 103 с-1, т. е. при у = Р = 1* Для сравнения на рис. 5.7
штриховыми кривыми показаны зависимости Pi/N^Vr.okvi {BUB03o) и РцВ№$Vr.3hvjx (BUaoa6) при генерации только в первом или втором канале. Отсутствие эффекта насыщения мощности генерации в каскадном режиме яв
ляется следствием того, что при ^42I + WS1 ^ тХ1, T31, BUB0аб с ростом скоро
сти накачки практически не изменяются N 2 и N 3, а также N4. Приведенные за висимости демонстрируют, что переход к каскадному режиму генерации сопро вождается увеличением эффективности СИ в обоих каналах, которая при 6j, бц 1 близка к эффективности генерации по четырехуровневой схеме с неза
селенным конечным лазерным уровнем [11, 37]. Здесь также необходимо отме
тить, что для рассматриваемого случая BUaii <С BUaii, т. е. наличие гене рации в первом канале приводит и к уменьшению порога возбуждения СИ во втором канале за счет увеличения эффективности заселения / 3-мульти-
плета.
Эффективность независимой генерации в первом канале (5.2) существенно зависит от резонансных потерь на %х. Предельное значение параметра kjу, определяющего резонансные потери, задается соотношением
(^lY)max ~ |
1 — |
— убг • |
|
|
|
|
|
||
Для |
случая, |
который |
иллюстрирует |
рис. 5.7, величина |
(/ciy)max — 0,98. |
||||
На |
рис. 5.8 |
представлены |
зависимости |
Pi,iifN0Vr.ahvxtxi |
{BUB0Эб) и |
||||
Pi, nlNaVr.-Jivi, п (BUU03<i) |
для |
/гх = 0,8. |
Для |
зависимостей |
рис. |
5.7 значе |
|||
ние ki = 0,2. |
Таким |
образом, |
чем больше параметр кху, тем ниже эффектив |
ен