книги / Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

Рис. 1.11. Лазерные 4/—4/ каналы попов

Sm3+, Ей84", ТЬ3+ и Dy3+ п диэлектрических кристаллах

Sm3+:	1 -	*G4		-* HI,,	(TbF3, -110 К,
		Хе)		[155]		220 К, Хе)
Eu3+:	1 -	sZ>o -*		->Рг (у2о3, -
		[156]		'Fb (LiYF4: Gd3*, 300 К,
ТЬ3+: 1 — 5Z>4
Dy3+:	1 ~	Хе)	[53]		(Ba(Y, Er)2F8,
		6Huft -+*HU,
		77 К,		Xe)	[l57]
	2 -	(LaFj, 300 К, лаз.) [158]
		°Ht,	—«Яи/		(LiYF«, 300 К, лаз.)
		[159]
Обозначения те же, что и на рис.						1.8 и 1.9

лов со структурой Са-галлогерма- ната [75], на основе которых созда­

ны новые кристаллические		лазеры
с самоумножением частоты		генера­
ции [78,	152].
4.	Межмультиплетные	генераци­

онные каналы ионов Sm3+, Eu3+, Tb3+ и Dy3+. В [155] при низких темпера­

турах с ламповой накачкой возбуж­ дена генерация СИ ионов Sm3+ в TbF3 в видимом диапазоне на меж­ мультиплетном. переходе 4&/, -> 6Нг/,

(рис. 1.11). Как считают авторы этой работы, ионы ТЬ3+, входящие в струк­ туру трифторида, играли роль сенсибилизаторов. Вопрос о других возможных каналах СИ ионов Sm3+ пока остается открытым.

Ион Ей34также имеет один канал генерации 5D 0— - F2 [156]. Его конеч­ ный мультиплет расположен над основным на 800—1000 см-1, что требует при­

менения охлаждения.
Известно только одно		сообщение	[53] о возбужденин лазерной генерации
ионов ТЪ3+. Его	авторы,	применив	тетрагональный одноцентровый фторид
LiYF4 и ионами Gd3+ в качестве сенсибилизатора,				получили при 300 К види­
мое СИ, которое соответствует каналу 5D4—>-7Fs.				первого из них, трехмик­
У иона Dy3+ два канала СИ (см. рис. 1-11), у
ронного (йНи/. —	[157]), генерация возбуждена с аназотропнымп фторидами,

в некоторых из них процессу СИ способствовало явление сенсибилизации. Возможные каналы СИ, в том числе каскадные, иона Dy3+ проанализированы

в[160].

5.Каналы генерации ионов Но3+. У ионов Но3+, как и у Рг3+, к настоящему

времени открыто самое больше число межмультиплетных лазерных каналов — 14, один из которых электронно-колебательный (см. табл. 1.10 и рпс. 1.12). Кристаллы с этим активатором способны генерировать в различных режимах, от непрерывного до режима синхронизации мод, причем на некоторых перехо­ дах и при 300 К [15, 32, 81]. Процессу возбуждения СИ на некоторых каналах этого активатора могут способствовать большое число нонов-сенспбплпзаторов (Сг3+, Fe3+, Ег3+, Тш3+ и Yb3+) [10]. Наивысшая па сегодняшний день эффек­ тивность. (—-6,5%) кристаллических лазеров с ламповой накачкой достигнута также с применением в них «сенсибилизированных» кристаллов с ионами Но3+ —

(Y, Ег)3А1б0 12 : Тш3+ - Но3+ [161].

Первым лазерным каналом ионов Но3+ стал ИК-межмультиплетный переход

*, s

/

Е?J+

1 — Vu/i — 4/„л

(CaW04,

77 К,

Хе)

[175]

(Y3A150 12: Yb3+,

300 К,

Хе)

[187]

2 ~

*s 4 . — 4/»/t

(CaF2 (H),

77 К,

Хе)

[176]

(LiYF.j,

300 К,

Хе)

[188]

3 -

*s 4, -» 4/ v .

(СаР2( (II),

77 К,

Хе)

[176]

Z f

2

I

(YA103,

300 К,

Хе)

[185]

300 К,

4 — Ч п /., — 4/ , v

(CaF2—ErF3—TmF3,

Хе)

[22]

*

6

ff //

5

-

4*5,д -+ V ,,,

(CaF2, 77 К,

Хе)

[184]

(LiYF4,

6 ~

300 К,

Хе)

[186]

Yb)2F8,

77 К,

Хе) [8]

I

'

4f V. -* 4/ ‘V,

(Ba(Y.

7

-

(BaYb2F9, 300 К,

лаз.)

[254]

Хе)

[178]

/2

*sv

-

V ,.,

(BaY2F8,

77

К,

!■

W

(YA103,

300 К,

лаз.)

[64]

u

11

8 -

-Ht/

- .« /* ,

(BaY2F8, 77

К,

Хе)

[178]

u 4

9 -

*# ./, -* ч

‘

(BaY2Fe,

77

К,

Хе)

[178]

10 — 4 , .

— Ч и .

(YAlOg,

•—-НО К,

Хе,

каск.)

[189]

U

-

4Рд/. -> •*/„;.

(BaYb2Fa,

300 К,

Хе)

[177]

t

x

V

Z

w II

1 2

— *!,;[ -> 4/и/*

(LiYF4,

300 К,

лаз.)

[190]

Щ

1

-

— «/и/*

(BaYbjFg, -1 1 0

К,

Хе) [наст,

работа]

Обозначения те же, что и на рис. 1.8 и 1.9

7 4

Ег3+ и Yb3+ обеспечивают наивысшую эффективность процесса ап-конверсии [178]. Структура энергетических уровней ионов Ег3* и реальная интенсивность переходов между ними создают условия для возбуждения и протекания кас­ кадной генерации [6, 7]. Уже известно много лазерных кристаллов со 100%- ным содержанием ионов Ег3+, генерация у которых возбуждается на несколь­ ких каналах [75], в том числе и при 300 К с ламповой накачкой [179—182]. В последние годы получены интересные результаты по возбуждению СИ ионов Ег8+ с применением лазерных источников накачки. В [69] был достигнут не­ прерывный режим трехмикронной генерации ионов Ег3+ в LiYF4 (4/»v,

4/i»/,), а в [86] на этом переходе (CaF2—ErF3) было получено импульсное СИ с использованием схемы ступенчатой накачки. Аналогичный принцип был при­

менен в [64],	где	СИ видимого	диапазона у	кристалла YA103 — Ег3* (канал
*Stjt — 4/»/„)	было	возбуждено	разноволновой	лазерной накачкой. Эти и дру­

гие успешные эксперименты по спектроскопии СИ ионов Ег3+ указывают на то, что этот активатор обладает большим потенциалом для построения различ­ ных лазерных схем. Новые экспериментальные данные, важные для понима­ ния физики процесса СИ на межштарковских переходах самонасыщающегося канала 4/«/, -*■ 47»/, ионов Ег3*, получены в работе [260] при изучении непре­ рывной генерации кристалла LiYF4 — Ег3+ с лазерной накачкой. Из этой работы следует, что многоволновое трехмикронное СИ на этом накале проте­ кает как бы по трехуровневой схеме. Результаты этой работы хорошо под­ тверждают объяснение эффекта «красного смещения» линий трехмикронной генерации ионов Ег3+ в кристаллах систем (Y1_xEr;t)gAl60 1j и (Lu1_xEr3C)sAl50 11,

данного в [10, 46, 182]. Все это указывает на то, что при выборе и анализе механизма возбуждения и протекания СИ канала 4/ “/, —►*I»/t ионов Ег**

Tm'3+

Yb3+

Tm3+: 1 - 3Н Л-* 3Н а (CaW04, 77 К, Хе)

[191]

А

(Y3Al6Oia : Сг3+,

295 К, Хе)

[164]

2 — sFt —» 3Я 5 (YAlOg : Сг»+,

300 К, Хе)

[264]

300 К, лаз.)

[263]

3 — lD 2 — 3Я4 (LiYF4,

4 — 3Ft -*

3Я4 (BaYb2F8, LiYbF4,

300 К,

f

f

лаз.)

[261]

300 К, Хе)

[262]

(BaYb2F8,

[152]

I-

-Q-

5 — *G4 -» 3Я4 (BaYb2F8f 300 К, лаз.)

6 — i<?4 -» aF3 (BaYbaF8, 300 К, лаз.)

[152]

Yb3+: 1 — *F4

— 2F:/

(CaF2 : Nd3+,

77 К,

Хе)

[193]

Nd3+,

~220

K,

Xe)

(Y3Al60 12 : Cr®+

f.

[194]

Обозначения те же, что и на рис. 1.8

и

1.9

*

/

z

в кристаллах

эти факты должны прини­

*

Q-

/

маться во внимание самым серьезным

образом. В различной степени, конечно,

а

это

касается

и всех других

лазерных

%■

межмультиплетных

переходов (не

только

ионов

Ег3+),

заканчивающихся

на

дол­

v A'

гоживущих

состояниях.

«Трехуровпево-

сть» лазерной

схемы для многих из них

будет, по-видимому, более

простым ре­

шением

вопроса.

I

Возмояшость получения

перестраива­

емого

СИ

на

межконфигурационном

*

Ьд, — 4/

переходе

ионов

Ег3+

во

фторид-

ных

кристаллических матрицах

рассмат­

ривалась в

[183].

7.

Межмультиплетные генерационные каналы ионов Т т 3+ н Yb3+. У

ионов

Т т 3+ первым лазерным каналом

стал 3# 4

3Я6

[191]. На нем

впоследствии

с применением сенсибилизированного кристалла был реализован непрерывный режим с накачкой излучением вольфрамово-йодной лампы [164]. Сейчас у этого Ьп3+-активатора шесть генерационных переходов (рис. 1.14). Располо­ жение уровней на шкале энергии и интенсивностные свойства люминесценции этого иона позволяют создавать каскадные и кросскаскадные лазерные схемы [6, 192]. Предполагается [183], что на Ъй — 4/ переходе ионов Тш3+ можно возбудить перестраиваемое СИ в УФ-облаети спектра.

Ионы Yb3+ имеют всего один межмультиплетный 4f — 4/ переход. На нем в [193] при 77 К была получена генерация. В дважды сенсибилизированных кристаллах-гранатах рабочая температура возбуждения этого СИ была поднята приблизительно до 220 К [194].

1.2.2.Лазерные каналы Ь,н2+-активаторов и иона U3+

Широкие 4/ — 5d абсорбционные полосы и узкие 4/ — 4/ люминесцентные линии ионов Ln2+ во флюорите привлекли внимание исследователей, рабо­ тавших в начале 60-х годов в области поиска лазерных кристаллов. В то время все подходящие для возбуждения генерации СИ активированные кристаллы сравнивались с рубином, а у CaF2 — Ln2+ и А120 3 — Сг3+ в спектроскопиче­ ском плане было много общего. И люминесциругощие состояния у Ьп2+-актива- торов в CaF2 имели длительное время жизни (для них разрешенными являются /mi-переходы, поскольку кристаллографические позиции, занимаемые Ln2+- ионами в CaF2, имеют центр симметрии). Но по иронии судьбы первым лазер­ ным каналом Ьп2+-активаторов стал разрешенный переход 5d —>■7Ft ионов

Sms+: 1 — 5d~* 'JF1 (CaF2,			45 К, Хе)		[133]
О	Л ____.	7 J? Л Ч - Р	L ОT-f Y	л \	H Q 1
2	— 5Z?0 —» 7F, (SrF2, 4,2 К, Хе)				[195]
3 — bd -*		(CaF,, 65—210. К,			лаз.)
	[196]	s/8 (CaF2,	77 K,	Xe)
Dy2+: i — &/7
	[197—199]			K,	Xe)
Tm*+: 1\— -Ft,a — 2F,A (CaF2, 4,2
IP+: 1 -	[200]	Vv . (CaFa, 77 K, Xe) [132]
	4/M _
	(CaF2, 300 K, Hg) [203]
2 — *f„/t		4 , u (CaF2, 77 K, Xe) [202]

СОсгиачснил тс же, что п на рис. 1.8 и 1.9

W.fd

/

1+	Z+	3+
Щ	Tin	V

Ш к

	Sm2+ в CaF2 [133]. Только через не­
	сколько месяцев у иона Sm2+ в SrF2
	было возбуждено СИ на md-перехо­					4-		/ / *
	де. Дело в том, что во фториде			SrFa
	полоса поглощения 4/ — 5d не пере­							%
	крывается	с	люминесценцией	4/ —
	4/-каиала	5Z)()-> 7F1 (рис. 1.15)		[195].
	Вскоре была получена генерация во
	флюорите	с ионами Dy2+ [197—199]			- 1 J -	£ cJ=	£	JUL
	и Т т 2+" [200].		Кристаллические ла­
					г	V	%	i t
	зеры на основе этих сред не нашли

применения из-за необходимости глубокого их охлаждения в режиме гене­ рации и нежелательного окислительного процесса Ln2+ -*■ Ln3+ под действием тепла и света. Недавно появилось сообщение о возбуждении СИ ионов Sm2+ в кристалле BaMgF4 на переходе 5D 0 — 7F1 [201]. По мнению авторов этой работы, в этом соединении ионы Sm2+ имеют устойчивое двухвалентное состояние.

Из Ас3+-ионов только U3+ используется для возбуждения генерации СИ. У кристалла CaF2 — U3+ лазерный эффект был обнаружен сразу же после рубина [132]. Высокая плотность состояний иона U3+, 5/ — 5/ переходы между которыми обусловливают широкие полосы поглощения в видимом диапазоне, позволила возбудить генерацию и при 300 К [203]. Кристаллы CaF2—U3+ гене­ рируют п по трехуровневой лазерной схеме при 77 К (рис. 1.15).

Со спектроскопической точки зрения Ас3+-поны являются удобными акти­ ваторами для возбуждения генерации СИ, но их радиоактивность в практи­ ческом плане этот вопрос сильно усложняет.

1.2.3.Лазерные каналы ионов Сг3+ и Ti3+

Если 4/лг-оболочки Ьп-активаторов, обусловливающие их спектроскопические и лазерные свойства, слабо связаны с окружением — энергетическое положе­ ние мультиплетов указанной электронной конфигурации во всех известных кристаллах приблизительно одинаковое, то Зй^-электроны ТМ-попов подвер­ жены более заметному воздействию внутрикристаллпческим полем и эпергия их состояний от кристалла к кристаллу может сильно изменяться.

Для иона Сг3+ — первого лазерного активатора, обычно входящего в окта­ эдрические узлы кристаллов,— такому сильному воздействию подвергаются состояния (47’2, 4Г1) терма *F [204]. Так, у ионов Сг3+, находящихся в сильном октаэдрическом кристаллическом поле А120 3, мультиплет 47\» находится но шкале энергии на ^2300 см-1 выше состояния 2Е. В этом случае люминесцирующим и генерирующим переходом может быть только канал 3£ —>-М#

вемд	4,8	J L	Я -

LiCaMFg

Ве,м fsio.)

‘ V W t t

frd3Sc2&a30i2

ScBOj KLnFj

BeM6DtO

нг(и \\

SrAlF.

fu,ttt)3(Lu,&tt)z&a3o12

Cl3&W i4

L ttj& Q jte O ^

ltt,&aesio, i 5

Sr3&W'z f4

u,&accMb0,5°l4

*3W“5,5'

La3C'a5,5TlL0)50^ ZnWOi

Mg2sio4

		-I f? )
4 8	44	А,мки

Рис. 1.17. Диапазоны перестройки длины полны СИ (канал Ч 2 —*■1А й) октаэдрических ионов

Ст3* п кислород- и фторсодержащпх кристаллах [48, 76—78, 211, 243—246, 258]

ченных соединений со структурой Са-галлогерманата [76—78], у которых на этом переходе зарегистрирована рекордная по ширине (~3300 см-1) полоса перестройки длины волны СИ (табл. 1.12 и рис. 1.17). В [211] получено пере­ страиваемое СИ ионов Сг3+ в первом лазерном фторсодержащем гранате Na3Ga«LigFjg*

У ионов Ti3+ (З^-электронная конфигурация) единственный терм 2D в окта­ эдрическом кристаллическом поле расщепляется на два мультиплета 2Е и 2Га, которые связаны интенсивным электронно-колебательным люминесцентным переходом. Впервые генерация СИ этого активатора возбуждена в кристалле А120 3 [49].

Уровни с одним Зй-электроном имеют одинаковую мультиллетность, по­ этому между ними нет запрещенных по спину переходов (запрет остается только по четности), а следовательно, в их спектрах нет узких (как у ионов Сг3+ в силь­ ном октаэдрическом кристаллическом поле) линий. В кристалле А1а0 3 ионы Ti3+, замещая в октаэдрах иопы А13\ образуют тригональные активаторные центры. Их кристаллическое поле можно рассматривать как сумму из двух компонент — преобладающей кубической и тригональной. Кубическое поле определяет энергетический зазор между состояниями ~Е и аГ2. Тригональная составляющая поля расщепляет нижний мультиплет на два уровня, в свою очередь нижайший из которых спин-орбитальным взаимодействием расщеп­ ляется на две компоненты. Вследствие динамического эффекта Яна—Теллера мультйплет ”Е расщепляется на два уровня, что и обусловливает двугорбую полосу поглощения (канал 2Т2-*~2Е) кристалла Ala0 3 — Ti3+. Несмотря на простоту схемы уровней (см. табл. 2.16), спектроскопия кристалла А1а()3

сионами Ti3+ оказалась сложной (см., например, [2471 и библиографию в ней).

Внастоящее время кристаллы А1а0 3—Ti3+ рассматривают как перспективный

Ni2+: 1 — аТ2 —» 3Л2 (MgF2, 77-240 К, Хе)

[212]

V2+:	1	- *Г2 -> М 2 (MgF2, 77		К,	Хе)	[23,
Со2+:	1	214]	77 К,		Хе)	[23,
		- * Т 2 -> *Тг (MgF2,
		215]	77	К,	Хе)	[23,
	2 — 4Г2 —»47'1 (MgF2,
		215]		[255]
		(MgF2, 300 К, лаз.)

Схема (б) соответствует кристаллу MgO—Ni*+ Обозначения те же, что и на рис. 1.9 и 1.12

материал для перестраиваемых кристаллических лазеров (см. табл. 1.10) [243—245]. У ионов Ti3+ генерация также возбуждена у александрита [248— 250]. Результаты, опубликованные в [251], по возбуждению СИ ионов Ti3+

вYA103, по-видимому, требуют подтверждения.

1.2.4.Лазерные каналы ТМ2+-актнваторов

Авторами работы [212] было показано, что у активированных кристаллов СИ можно в обычных условиях эксперимента возбуждать и на широкополосных электронно-колебательных переходах, и было положено начало исследованиям по перестраиваемым кристаллическим лазерам. В настоящее время известна три ТМ2+-иона [Ni2+, V2+ и Со2+), которые обладают такими генерационными свойствами.

У ионов Ni2+ (электронная конфигурация 3d8) СИ происходит между мультиплетами аТ2 и 3А 2 терма 3F, энергетическое положение которых зависит от силы октаэдрического кристаллического поля [204]. Это показывают упрощен­ ные схемы уровней ионов №2+в двух лазерных кристаллах: во фториде MgF2 (рис. 1.18, а) параметр Dq меньше, чем в MgO (рис. 1.18,6). Генерация СИ на электронно-колебательном переходе аТ2 —*►3Л 2 ионов Ni2+ возбуждена как в импульсном, так и непрерывном реяшмах [10, 15, 32], в том и другом случае требуется охлаждение генерирующего кристалла.

Ионы V2+изоструктурны с Cr3+(3d3), поэтому поведение спектроскопических свойств и структура энергетических уровней у них одинаковы. Разница состоит лишь в параметре Dq — он всегда меньше для двухвалентных Зй-ионов. Не­ смотря на то, что перестраиваемое СИ на электронно-колебательном переходе

—* *Аг ионов У2+ пока не получено, этот активатор находится в поле зрения исследователей [213].

Электронную конфигурацию 3d7 ионов Со2+ можно рассматривать как 3d10-3, т. е. до полного заполнения оболочки не хватает трех электронов. Поэтому струк­ тура термов ионов с 3d7 и 3d8 (Сг3+) одинаковая, до порядок расположения уровней по шкале энергии у них обратный (см. рис. 1.16 и 1.18). Аналогичная ситуация имеет место и для 4/-электронной конфигурации, например для ионов Cee+ (4/1) и Yb8+ (4/13). Ионы Соа+ генерируют как на чисто электронных, так

Штриховой линией указал «фононный» лазерный уровень, а жирной стрелкой обоз­ начен индуцированный переход

ного состояния (в выражении (1.7) это от' разится заменой а (<в) на разницу [о„ (со) —

— Са (со)]). Многие из известных лазерных кристаллов с ТМ-активаторами подвержены в большей или меньшей степени этому не­ желательному фактору (рис. 1.20).

1.3.Кристаллические матрицы для получения разноволновой генерации Ln3+-активаторов

При рассмотрении известных межмультиплетных переходов лазерных активаторов были указаны только пионерские публика­ ции по возбуждению СИ на волне того или иного генерационного канала. Эти работы, естественно, не могут в полной мере отра­ жать современный уровень поисковых иссле­ дований по получению СИ нужного спект­ рального состава с необходимыми энергети­ ческими характеристиками. Эта задача в фи­ зике кристаллических лазеров всегда была и будет самой трудной, и ее решение, как свидетельствует накопленный опыт, в мак­ симальной степени зависит от выбора мат­ рицы-основы, а следовательно, от арсенала известных лазерных кристаллов. С каждым годом, как уже отмечалось в предыдущих раз­ делах этой главы, число новых генерирую­ щих соединений увеличивается, расширяется также круг функциональных лазерныхЪхем.

Поэтому возникающие новые возможности будут требовать соответствующей переоценки свойств каждого канала СИ ионов Ln3+, а также пары кристалл— активаторов (в некоторых случаях комбинации кристалл—активатор—коак- тиваторы). Ниже приводятся данные по лазерным каналам Ьп3+-активаторов в некоторых наиболее используемых кристаллах-основах [15, 32, 75]. Эти сведения могут помочь при выборе соединения и активатора для получения ге­ нерации СИ необходимого диапазона длин волн.

1.3.1.Лазерные каналы Ln3+-активаторов в кубических кристаллах-гранатах

Из табл. 1.3 и 1.6 следует, что соединения со структурой граната (простран­

ственная группа О™ — IaSd) образуют самый представительный класс активных сред среди известных лазерных неорганических кристаллов с Ln^-активато- рами. Из них наиболее используемым в квантовой электронике и лазерной тех­ нике является Y 3A150 12 [15, 32] благодаря своим уникальным физическим свой­ ствам (табл. 1.13 [10]). У кристаллов этого ряда СИ уже возбуждено на 16 межмультиплетных каналах Ьл^-ионов (рис. 1.21), причем генерацию на волнах большинства из них можно получать при 300 К с ламповой накачкой. Спектраль­ но-генерационные исследования гранатов с Ln3+ -активаторами начались с ра­ боты [16], где было возбуждено СИ ионов Nd3* в трех кристаллах — Y 3A 1 5 0 1 2 I

Y,GaeOia и Gd8Ga50 12. Первый сенсибилизированный лазерный гранат с гене­ рирующими Ьп3+-ионами описан в [137]. Эти соединения способны генерировать