книги / Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

1.2.Каналы генерации стимулированного излучения лазерных активированных диэлектрических кристаллов

Двух- и трехвалентные Ln-ионы генерируют уже на волнах 63 каналов 4f — 4/ и четырех 5d — 4/, причем многие из них это свойство проявляют при 300 К и с использованием техники ламповой накачки. Все известные межмультиплетные лазерные переходы диэлектрических кристаллов перечислены в табл. 1.10. Рис. 1.6 и 1.7 дополняют эти сведения, показывая в отдельности спектрально-лазерные возможности фтор- и кислородсодержащих соединений. В ближайшие годы можно также ожидать возбуждения генерации СИ у ионов постпереходных металлов. Эффект СИ в отсутствие резонатора (это излучение нельзя считать лазерным) 3 наблюдался у ионов Rh2+ во фториде RbCaF3 [101], проводятся активные исследования с ионами Bi3+ [102, 226, 227] и Си+ [103].

Интересными и поучительными являются обстоятельства, при которых были открыты или которые привели к открытию каждого конкретного лазер­ ного канала активаторных ионов. Здесь невозможно провести их детальное рассмотрение, поскольку оно невольно затронет и многие вопросы, не отно­

сящиеся	к предмету	настоящей книги — это прерогатива историков физики.
Свидетельством этого		являются очерки по истории квантовой электроники
[104], в	которых, в	частности, рассмотрена ситуация, сложившаяся перед

созданием первого лазера, и уделено достаточное внимание результатам изу­ чения люминесцентных характеристик 7?-линий рубина, на которых (канал 2Е —*■ 4Л2) и было получено первое лазерное излучение.

В нашем кратком обзоре генерационных каналов активиторов из-за ограни­ ченного объема книги мы остановимся только на тех фактах, в максимальной мере раскрывающих особенности разработанных к настоящему времени функ­ циональных схем кристаллических лазеров, свойства и возможности которых будут рассмотрены в специальных разделах монографии.

Прежде чем переходить к 4/ — 4/ и 5d — 4/ лазерным каналам Ln-актп- ваторов, здесь хотелось бы подчеркнуть, что даже самый многочисленный из них ряд (4/ — 4/) является лишь малой толикой тех возможностей, которыми обладают Ьп^-ионы (по данным [105] число таких межмультнплетных пере­ ходов составляет 192 177). К сожалению, в силу ряда объективных факторов, обусловленных физическими характеристиками диэлектрических кристаллов и спектроскопическими свойствами самих активаторов, а также учитывая тех­ нические возможности современных, развивающихся п мыслимых методов создания инверсной заселенности между штарковскими уровнями Ьп3+-ионов, можно надеяться только на частичную реализацию этого потенциала. До на­ стоящего времени мы ежегодно узнавали в среднем о двух новых лазерных каналах. И в ближайшие годы трудно рассчитывать на более высокие темпы этого поиска. Дело в том, что в физике лазерных кристаллов эти исследования относятся к числу самых сложных, требующих громадного объема спектро­ скопических и других измерений, а в некоторых случаях и серьезных усилий

вфизикохимии и технологии повых кристаллов.

Втабл. 1.11 приведены некоторые основные спектроскопические свойства каналов СИ, составленные по результатам изучения известных лазерных крис­ таллов. Эти сведения нам будут полезны при рассмотрении особенностей каж­ дого конкретного генерационного межмультиплетного перехода. Здесь для удобства будем придерживаться уже традиционной системы [75, 80, 106, 107],

сначала остановимся на	лазерных каналах Ln-ионов, затем ТМ-актнваторов
в порядке уменьшения	их валентности и т. д.

* Аналогичный эффект также обнаружен	у кристаллов Li,Ge03—Ti1+ 1252] и у
NaBLa (MoO^ — Nd3+ («порошковый лазер»)	[253].

Таблица 1.10. Спектральные диапазоны лазерного излучения и каналы генерации ионов лантаноидов, актинидов и группы железа в диэлектрических кристаллах

[75, 80}

'

	Диапазон генерации,	Генерирую­
	мкм	щий нон
	0,172 «	Nd3+
	0,286-0,328	Се3+
	0,306-0,315	Се3+
	0,38006-0,38052	Nd3+
	0,41296	Nd3+
	0,4526	Tm3+
	0,4633 «	Рг3+
	0,479-0,489	Рг3+
	0,529-0,532	Рг3+
	0,539-0,578	Рг3+
	0,544	ТЬ3+
	0,551	Ноэ+
	0,554	Ег3+
	0,561	Ег3+
	0,5932	Sm3+
	0,598-0,622	Рг3+
	0,611-0,619	Еи3+
	0,612; 0,66- 1,01	Ti3+
	0,632	р гз+
	0,637-0,65	Рг3+
	0,649	Tms+
	0,67-0,671	Ег3+
	0,68-0,704	Сг3+
	0,694-0,72	Рг3+
	0,679-0,745	Sm2+
	0,7073	Ег3+
	0,717-0,747	ргз+
	0,7295	Nd3+
	0,74-0,89	Сг3+
	0,75-0,761	Но3+
	0,843-0,863	Ег3+
	0,86- 1,2	Сг3+
	0,891-0,947	Nd3+
	0,901-0,931	р г з +
	0,979-1,018	Но3+
	0,996	Рг3+
	1,014-1,031	Но3+
	1,023-1,037	Yb3+
	1.037-1,123 «	Nd3+
	1,0468 «	Рг3+
	1,05-1,33
		V*+
	1,1160	Tmz+
	1,1664	Ег3+
	1,19-1,216	Hos+

Канал СИ

5d —►4/« /, (?)

5d -> 2F ,/t

5d —>2		F § / |
*D v	. -	44 .
2 D	t - AI» ft
■
4>2 -		3Я 4
3P l -	зя 4

3P 0 - » 3ff4

* P l - * 3Н ь

3Po -		3Н Ъ
6Z»4 -^ 7F 5
5S 2 -	ч	»
4*v г		^*V«4
'Я .,
4S t	^	l t
3P 0 -	3# е
5D 0 - >		7F 2
* E - * 2T 2
3P2 - * 3F 3
3Po - + 3F 2
1G4-	зя 4

г Е ^ * А 2

3P 0 - * 3F 3

5 d , “D o - ' F i

г Н \ It “* V*Vf

3P 0 - * 3F i

*P>,

%E , * T 2 - * * A 2

6s 2 -	B/7
4*v
*T 2
4F V t	- 4IV t
3P o —^1G i
-	5/ 7
'D 2 ^	3F 3
* s t

V 4 . - v v.

*F 4 > * *I u f t

' D 2 —* 3F i

* T 2 — M ,

v v .- * v v.

4 р ч t	—	* ru l
		/*

- #/8

Температура, условия и тип возбуждения СИ*»

300	К,	лаз.
300	К, лаз.
300	К,	лаз.

<90 К, лаз. <90 К, лаз. 300 К, лаз. 77 К, лаз.

300 К, лаз.

300 К, лаз. ~110К, Хе 300 К, Хе 77 К, Хе 77 К, Хе 77 К, Хе 77 К, Хе ~200 К, Хо 77 К, Хе

300 К, Хе, лаз.

300 К, лаз.

300 К, Хе

300 К, лаз. ~110К, Хе 300 К, Хе «250 К, Хе

20-310 К, Хе, лаз.

77 К, Хе

300 К, Хе ~20 К, лаз. 77-500 К, Хе 300 К, Хе 300 К, Хе 300 К, лаз. 300 К, Хе

300 К, Хе

300 К, Хе

300 К, Хе

300 К, Хе

200 К, Хе

300 К, Хе, Кг, W, соле, и диодн., лаз.

77 К, Хе

77-200 К, Хе, Кг

4,2 К, Хе —110 К, Хе ~1Ю К, Хе

Диапазон генерации, мкм

1,229-1,26

1,2805

1,306-1,403 *»

1,314-1,939

1,334-1,347

1,391-1,408

1,462-1,482

1,4862

1,529-1,664

1,58

1,62-2,5 *°

1,645-1,777

1,673

1,68 «

1,833 «

1,853-2,024 *7

1,965-2,0025

1,933-2,171

2,234-2,6 *«

2,274-2,355

2,359-2,366

2,35-2,377

2,689-3,01

2,845-3,018

2,972-3,022

3,369

3,605

3,893-3,914

-4,34 «

-4,75

-5,15 *2

Генерирую­ щий ион

Ег3+

d-c

Nd3+

Ni2+

Ргэ+

Но3+

Тш3+

Но3+

Ег3+ Т т 3+ Со1+ Ег3+ Но3+ Ег3+ Nd3+

Т т 3+ Ег3+

Но3+ и 3+

Т т 3-*- Dy2+

Но3+

Ег3+

Но3+

Dy3+

Но3+

ргз+

Но3+

Dy3+

Ег3+

Nd3+

Канал СИ

4Ч ~ > 4Ч *1

4Ч ^ 4Ч 3Т2-> 3А 2

lS 2—>45

v B- v 7

JG4 —»3Fa *T2—+*Ti

4Ч ~ * 4Ч 5h —>

4/ v . - iJ4

3H i —* 3ffe

v v . - 44 bh 4 B

*In/i -> 47./s 3F\ —» 3H b

Б/, - 6/ 8

*S 2- * BF 5

— 3Fi

*h -

44 - * 4I»u

Температура, условия и тип возбуждения СИ*1

300 К, Хе

77-180 К, Хе

300 К, Хе, Кг

77-240 К, Хе -110 К, Хе 300 К, Хе 300 К, Хе 77 К, Хе 77 К, Хе 300 К, лаз.

77-300 К, Хе, лаз.

300 К, Хе

77 К, Хе

300 К, лаз. -300 К, Хе

77-300 К, Хе, Hg, W, лаз.

300 К, Хе

77 К, Хе, Кг, W

77-300 К, Хе

300 К, Хе 4,2—120 К, Хе, солн. -110 К, Хе 77-400 К, Хе 77-350 К, Хе

77-300 К, Хе, лаз.

300 К, лаз. -110 К, Хе

300 К, лаз. (каск.)

300 К, лаз.

—НО К, Хе (каск.) 300 К, Хе (каск.)

1Тип возбуждения генерации излучением обозначен: внешнего								лазера — лав.,			Солнца — соли.,
	ксеноновой	(криптоновой,		ртутной		и вольфрамово-йодной) лампой — Хе, (Кг, Hg					и W), полупро­
	водниковым	светодиодом		и лазером — дподи., каскадный режим возбуждения СЫ — каск.
*3 Данные нуждаются в подтверждении.
*3	Генерация в импульсном			режиме	получена до		~ 1000 К.
*4	Канал СИ дефект-центра.
*5	Генерация в импульсном			режиме	получена до		~ 700 К.
*• Коротковолновая граница				диапазона перестройки СИ в [100, 229] указана					~ 1,52 мкм. Согласно
	[255], с лазерной накачкой кристаллы MgF2—Со*+ могут генерировать с перестройкой длины
	волны от 1,8 до 2,5 мкм и при 300 К.
*7 При 300 К		с ламповой	накачкой в			кристаллах с ионами-сенсибилизаторами, а				без них — лазер­
	ным возбуждением.
*■ Согласно [114], СИ на			волне 2,234			мкм может быть обусловлено		ионами	UH	в	тетрагональных
	позициях CaF2.

£

Рис. i . 6. Оптическая прозрачность и диапазон генерации Ln-понов и U3+ во фторпдных лазерных кристаллах (а) и

спектральные области непрерывной перестройки длины волны СИ Ln- и ТМ-активаторов (б)

Вертикальные линии — диапазоны СИ активаторов, штриховые — по­ лосы поглощения атмосферной воды п ^молекул СОй, заштрихованные области — поглощение (приблизительное) матриц-осшй*

Рис. 1.7. Оптическая прозрачность и диапазоны гене­ рации Ьп3+-иодов п дефект-центра в кислородсодержа­ щих лазерных кристаллах {а) и спектральные области

непрерывной плавной перестройки длины волны СИ Ln3+- и ТМ-активаторов (б)

Обозначения тс же, что и на рис. 1.6

с*

СЛ

Таблица l .il . Основные спектроскопические свойства 4 /-4 / и 5 i—4/ люминесцентных каналов 1л3+-активаторов в лазерных диэлектрических кристаллах при 300 К [107]

Характеристика			4/—4/
Кристаллическое поле			Слабое
Электрон-фононное взаимодействие			Слабое
Сила осциллатора межштарковского пере­			10-5—10—"
хода			Ю -5-10-2
Излучательное время	жизни	начального со­
стояния, с			- 4 - 2 0
Ширина линии люминесценции, см- 1 51,1
Пиковое поперечное	сечение	межштарков­	10-18-10~23
ского перехода, см2			0,3— 6
Диапазон люминесценции, мкм*2
Диапазон генерации СИ, мкм *2			0,45— 5,15
Тип накачки*3			Хе-лампа

5d—4/

Сильное Среднее - сильное

10-1-Ю -2

00 1 О	\Я 1
0 т

&1000 10-17- 1 0 - 2‘

0,15— 1 0,17-0,75

Эксимерпый лазер

**Для кристаллов с упорядоченной структурой. *2 Включая криогенные температуры.

**Наиболее используемый.

Впервые годы развития физики лазерных кристаллов вопрос о возможности возбуждения генерации СИ на том или ином межштарковском переходе Lnили ТМ-активатора чаще всего упирался в задачу определения квантового выхода его люминесценции при стационарном возбуждении. Этот метод и сей­ час оправдывает себя, особенно он эффективен при оценке возможности полу­ чения индуцированного излучения кристаллов с ТМ-ионами, а также с Ln3+- активаторами на переходах между уровнями двух их нижайших мультиплетов, где отпадает необходимость измерения межмультиилетных коэффициентов ветвления люминесценции.

Вначале 70-х годов стратегия поиска новых лазерных каналов активиро­ ванных кристаллов, особенно с Ьп3+-ионами, изменилась. Были разработаны

ипрошли проверку сравнительно несложные полуэмпирические методы опре­ деления двух важнейших интенсивностных характеристик люминесцентных межмультиплетных J —*■J' переходов Ьп8+-активаторов — вероятности спон­ танного излучения AJJ> и вероятности безызлучательной дезактивации WJJ>, которые обусловливают и реальную эффективность люминесценции с данного /-мультиплета

ч = г3 4 г лг / ( а ^ +		^ )	(1.1)
и соответствующие ее коэффициенты ветвления
{З.ЛГ ==	Ajj*.		(1.2)
	г
Значение	можно	измерить прямым образом (только для	единичных

случаев), рассчитать теоретически [75, 108] или оценить по экспоненциальной зависимости Г109, 110]:

WJJ. = В exp (—flAEjjr),

(1.3)

которую иногда называют законом энергетический щели. В (1.3) В и Р пред­ полагаются заданными для данного кристалла, т. е. не зависящими ни от типа Ьп8+-иона, ни от того, между какими мультиплетами происходит переход, а ЛE JJ> — энергетический зазор между J- и /'-состояниями.

Вероятность AJJ>— это сумма вероятностей вынужденных электродиполь-

ных (ed) и магнитно-дипольных (md) переходов. Для вычисления A jj' необ­ ходимо знать дисперсию показателя преломления п (А,) кристалла, в остальном

расчет несложный [109, 111]. Что касается величины AJJ>, то для ее определе­ ния имеется несколько способов, среди которых наиболее используемым явля­ ется метод, основанный на приближении [112, 113], где важную роль играет фундаментальная связь вероятности переходов в поглощении и излучении (люминесценции). Этому методу будет посвящена специальная глава моногра­ фии, поэтому здесь коротко рассмотрим его основные рабочие формулы:

md	6 4 я4е2	Гг(я2 +	2)2 cd	-omd			(1.4)
АJ J '	3h(2/ -f 1) J?	U	S J J '	n	SJ J ‘	]•
здесь сила	липии Sjj',	согласно	[112, ИЗ],		равна
«=2,4,0							(1.5>

где е — заряд электрона, h — постоянная Планка, Я и А, — показатель прелом­ ления кристалла и длина волны (усредненные значения) межмультиплетного

/ —>■J' перехода, <||	||)> — приведенные матричные элементы единичных
тензорных операторов	ранга t, Qt — параметры интенсивности, которые

характеризуют эффективность взаимодействия Ьп3+-активатора с полем окру­

жения	в кристалле. Для вычисления					Qf решается система уравнений (1.5)
с использованием			экспериментально измеренных величин
ed		j ft (A) dX		3ck (2/ + 1)	9/7	( 1.6)
Sjj'		A7o	'	8nWX	+ 2)2
						’

здесь c — скорость света, N 0 — число активаторных ионов в кубическом сан­

тиметре и J к (A)dk — интегральный коэффициент поглощения абсорбционной полосы, связанной с / —►• /'-переходом. Определенный по спектрам поглоще­

ния набор параметров Й{ позволяет вычислить значения Ae/jr между любой парой мультиплетов Ьп3+-иона.

Таким образом, совокупность данных по AJJ- и WJJ> дает возможность оценить потенциальные возможности данного / -> / ' люминесцентного канала для возбуждения генерации СИ. Конечно, от такой оценочной информации до постановки конкретного эксперимента по получению СИ на том или ином канале генерации дистанция достаточно протяженная. Здесь требуют своего решения такие вопросы, как оптическое качество кристалла и его размеры, необходимая концентрация Ьп3+-активатора (в ряде случаев и других коактпваторов), рабочая температура, выбор функциональной схемы, тип источника накачки и режим его свечения, а также учет многочисленных процессов, про­ исходящих в активированном (коактивированном) кристалле, которые пре­ пятствуют или способствуют возникновению лазерной генерации.

1.2.1.Лазерные 4 / — 4 / и 5d — 4 / каналы Ьп3+-актнваторов

Штарковская структура энергетических состояний 4/-у-электронной конфигу­ рации Ьп3+-ионов в различных диэлектрических кристаллах изучалась и ана­ лизировалась во многих работах [111, 115, 116], наиболее полные исследования, результаты которых суммированы в [2, 10, 75], проведены с лазерными матри­ цами. Что касается уровней 5^-конфигурацни, то здесь сведения о них не столь обширны — не для всех кристаллов возможно из изучение, поскольку энерге­ тическое положение 5<2-уровней обычно совпадает с полосой собственного по­ глощения матрицы-основы. Для изучения уровней этой электронной конфигу­ рации в наибольшей степени подходят фторидные кристаллы с их широкой

9

4 f

9 2

J

S

7

/2

1

-

гР 2 -> 3Р1

(CaW04, 77К,

X

2 —

■&

2 -

[118,

119]

(LaF3,

76К,

Хе)

V~Q—

3Р0 -» Ч10

f

|

1

1

1120]

(LaF3, 300 К,

Хе

[55]

i

1

1

1

1

3 -

3Р0 _

зр

(РгС13,

300 К,

лаз.)

i

1

1

[121]

i

(LiYF4)

LiLuFi,

300

К,

Хе)

1

1

1

1

/.j

/

[51,

52]

|

4 — ®Р, — а/ / 5

(LaCL,

35 К,

лаз.)

М2

\

1

1

*

t

i

[122]

1

1

5 -

зя 4

(LaCl3,

14 К,

лаз .)

1

1

i

3р 0 _

1

[122]

300 К,

лаз.)

[124]

1

1

1

i

6

-

(LiYF4,

1

1

i

3Р., -> 3F.,

(LaBr,,

300

К,

лаз.)

1

1

1

i

7 -

[123]

ь

1

1

1

i

i

99

ff

3Р„ -н. 3Fi (LaFa, 300 К, Хе) [50]

!

1

1

l

6’ _

яр _

(YAlOj,

300 К,

Хе)

£

|

1

1

\

T

T

9

-

[125]

1

1

1

>

1

1

»Р„ _» 3//5 (LiYF4, -1 1 0 К, Хе)

1

1

1

1

■

-

[51]

(BaYboFs,

—110 К,

-5-

1

1

1

\1

1

1

1 0

41л -> а/Д

/

1 1

1

f

r

*

M

Х е )

[ 6 5 ] '

--------- 1----

1

1I

Г

11 -

io4 -

яр4

(BaYb2F8,

-Н О К,

f

1

1

1

!

Хе)

[65]

Z

•

т

1 'I

!•

7 2 - 3Р0 ^Ч?4

(LiYF4l

300 К,

Хе)

■%н--------- 1—

О

I

I

[ G G ]

(YA103, 300 К,

Хе)

V

♦

13 — !/>„ -* sp

*

!

t

и

[126]

3/д

(LaF3,

77 К,

лаз.)

i

— *р _

i_____ ..

-

[230]

Темными пружками отмечены стрелки, локавывающие генерационные перехода, СИнафолнах которых возбуждается с ламповой накачкой; штриховые стрелки показывают низкотемпературные лазерные каналы. Остальные обозначения те же, что и на рис. 1*8

низкорасположенными конечными лазерными уровнями. Ионы Nd3+, обладая для возбуждения и протекания процесса СИ подходящей структурой энергети­ ческих уровней, достаточно интенсивными абсорбционными и люминесцент­ ными переходами, стали активно использоваться в лазерных кристаллах. Генерация на двух межмультиплетных каналах ионов Nd3+ (рис. 1.10) — основ­ ном -*■ *Ityt) [131] и дополнительном 4/»/,) [134] протекает по четырехуровневой схеме с высокорасположенными конечными лазерными уров­ нями. Это дает возможность возбуждать СИ не только при 300 К, но и при температурах, в несколько раз превышающих комнатную [94, 135, 1361. Вы­ сокие значения пиковых поперечных сечений индуцированных межштарковских переходов указанных выше каналов ионов Nds+ обеспечивают лазерным кристаллам низкие пороги накачки как в импульсном, так и в непрерывном режимах [2, 10, 15, 32, 81, 84]. Поисковые исследования привели к созданию более 170 кристаллических матриц (табл. 1.1, 1.3, 1.5, 1.6, 1.9), лазерные свой­ ства которым придают ионы Nd8+ [75]. Имеются все основания считать, что этот ряд будет увеличиваться с каждым годом. Повышение эффективности генерации ионов Nd3+ можно достичь введением в кристалл дополнительных ионов-сенсибилизаторов, например С»*4 [137]. Кроме традиционных методов накачки (импульсные и непрерывные газоразрядные лампы, лампы накалива­ ния) лазерных кристаллов с ионами Nd3+, для возбуждения их СИ можно использовать излучение других типов лазеров [138, 139] и пиротехнических источников [140], излучение Солнца [141] и мощный пучок электронов [142].