книги / Многоуровневые функциональные схемы кристаллических лазеров

s /ffw , '

Fuc. 1.21. Лазорпые межмультпплетные переходы Ьп3+-активаторов в кристаллах со струк­ турой граната

Диапазоны генерации каналов приведены в микрометрах. Штриховыми стрелками обозначены низкотемпе­ ратурные переходы

5+	,3+	3
НО'	Е '	Т ', +

4

4

(Я

ic

			4М & //г
		4	U,	T f
			- L * , ,	4 #
			* /z
	4	*I	f.ff	ТI *
	2/	112		I
		I		I
		I

Рве. 1.22. Лазерные межмультиплетные переходы 1.п8+-активаторов в ромбических алюми­ натах RA103 (R = Y, Lu)

Полым пружком отмечена стрелка, показывающая генерационный переход, СИ на волне которого вовбуме ^но с лааерной накачкой. Обозначения те же, что и на рис. 1.21

УАЮз YsAleOia

					О?
а = 5 ,1 7 6		а = 5,330			12,000
6 = 5 ,3 0 7		6 = 7 ,3 7 5
с = 7,355		с = 5 ,1 8 0
(РЬпт)		(Рпта)			5,04
	5,36
	С, (1 2 )				ZM8)
	— 1850				—1930
0 ,2 2 -6 ,5				0,24— 6
	~ 5 5 0				~865
	—0,11			0 ,1 -0 ,1 3
9.5 но осп а				8,2 по		100
4.3 по осп Ь				7.7 по		110
10,8 по осп с				7.8 по		111
	8,5-9			8,25-8,5
[236,	238,		239] *3	[182,	240,	241]«
п'—1 +			№-В	« - 1 +	2.2779А,2
					Я2-0,01142

А	В
0=2,63468	0=0,011592
6=2.67792	6=0,012282
7=2,70892	7=0,021607

Согласно измерениям [239] для YAlOj—NdH

(^Nd =1 ат,<^

X, мкм	па	ПЭ	"V
0,546	1,9328	1,9477	1,9571
0,590	1,9285	1,9432	1,9525
0,633	1,9250	1,9396	0,9487
0,730	1,9194	1,9341	1,9426
0.800	1,9156	1,9304	1,9390
0,930	1,9118	1,9260	1,9346
1,065	1,9083	1,9212	1,9309
1,080	1,9080	1,9210	1,9306
1,100	1,9076	1,9202	1,9301
** В формуле X в мкм. Согласно [240]
X, мкм	п	X, мкм	п

	9,7	(для п0)	9,8
	14.5	(для пе)			0,4	1,8650	1,8	1,8065
			2 ,7 -3 ,5		0,45	1,8532	2,0	1,8035
					0,5	1,8450	2,2	1,8001
	и при	100%-ной	концентрации Ьп3+-ак-		0,6	1,8347	2,4	1,7970
					0,7	1,8285	2,6	1,7935
	тиваторов (Но3А150 12 при — 90 К			[192]	0,8	1,8245	2,8	1,7896
	и Ег3А150 12 при ^		300 К [179]). В	[89,	0,9	1,8222	3,0	1,7855
					1,0	1,8197	3,2	1,7810
	90] решена проблема разупорядоченного
					1,1	1,8170	3,4	1,7764
	граната (Са3 (Nb,		Ga)2Ga30 12—Nd3+), ко­		1,2	1,8152	3,6	1,7713
	торая	более 20 лет обращала внимание			1,4	1,8121	3,8	1,7659
	исследователей многих материаловедчес-				1,6	1,8093	4,0	1,7602

ких центров мира.

Формулу гранатов можно записать как {G3}[Aa](D3)Oia, где фигурными, квадратными и круглыми скобками выделены катионы, занимающие с-, а- и ^кристаллографические позиции соответственно. Эти узлы могут занимать ионы различной валентности большого числа элементов, причем некоторые нв них, проявляя исключительную избирательнось, эти позиции могут заполнять полностью (табл. 1.14). Известны также катнондефицнтные лазерные грана­ ты [90].

Кристаллы-гранаты также являются матрицами для лазерных ТМ-актпва- торов (см. табл. 1.4). Недавно обнаружена генерация дефект-центров в кристал­ лах Ca3Ga2Ge30 12 с разновалентными катионами (Са3+, Gas+ и Ge4+) [82].

Рис. 1.23. Спектры комбинационного рассеяния кристаллов YA103

(а) и Y3A150 12 (6) при 300 К

Энергия пиков спектров дана в см-1

Таблица 1.14. Структурные возможности кристаллов-гранатов [10, 163]

Кристал­

лографи­

ческая

позиция

(анион­ ная ко­ ордина­ ция)

а(6)

с(8)

d (4>

h

Валентность

1+	2+	2—(i—)	3+	4+	5+	c+
Li, Na	Mg, Ca(?),	—	Al, Sc, V,	Si, Ti, Ge,	V(?),Nb,	Те, W
	Mn, Fe, Co,		Cr, Mn, Fe,	Zr, Ru(?),	Sb, Та
	Ni, Cu, Zn,		Co, Ga, Y,	Sn, Hf
	Cd		Ru, Rh, In,
			Ln, Pt
Li, Na,	Mg, Ca, Mn,		Sc, Y, In,	Zr, Hf, Pb,
K,Cu,	Fe, Co, Cu,		Ln, Bi	Pt
Bb(?),	Sr, Cd, Ba,
Ag.Tl	Pb
Li	Mg, Mn, Co,	—	Al, Fe, Co,	Si, Ti, Cr,	P. V, As,	-
	Ni, Zn		Ga, In	Fe, Ge, Sn	Nb
—	-	0(F)	-	-	-	-

1

1.3.2.Лазерные каналы 1л13+-активаторов

в ромбических кристаллах типа RA103(R = Y , Lnj

Среди кислородсодержащих лазерных соединений ромбические кристаллы RA103

(пространственная группа Z)2® — РЪппь) являются самыми богатыми по числу генерационных межмультиплетных переходов (рис. 1.22). Из этой группы ла­ зерных матриц выделяется кристалл YA103, удачно сочетающий в себе высокую твердость, удовлетворительные теплофизические и оптические свойства (см. табл. 1.13). Менее протяженный фононный спектр кристаллов YA103, чем у гранатов (рис. 1.23), делает их более перспективными для возбуждения СИ ионов Ln3+ в различных участках спектра, включая в и д и м ы й и средний ИКдиапазоны.

Этот класс лазерных кристаллов был открыт в [19]. Для улучшения их па­ раметров СИ ионы-сенсибилизаторы в них впервые применили авторы [216]. Ромбические соединения RA103 генерируют и со 100%-ным содержанием Ln3+- активаторов (ЕгА103) [217]. Кристаллы RA103—Ln3+ чрезвычайно перспектив­ ны для реализации различных каскадных лазерных схем [189, 192, 218].

1.3.3. Лазерные 4 / — 4 / каналы Ьп3+-ионов

в одноцентровых анизотропных двойпых фторидах LiRF4 и BaR,F8(R = Y, Ln)

Анизотропные двойные фториды LiRF4 (С$л — 1\!а) и BaR2F8 (C\h —С2/пг) с Ln3'-активаторами с каждым годом раскрывают все новые и новые своп ла­ зерные свойства [65, 66, 75]. Они обладают самым большим числом 4/—4/ меж­ мультиплетных каналов генерации: первые 35, вторые 30 (рис. 1.24 и 1.25). У кристаллов LiYF4—Се3+ возбуждена генерация и в УФ-области спектра на 5d—4/ канале с применением в качестве источника накачки эксимерного лазера 1219].

Межштарковские переходы Ьп3+-ионов в этих соединениях характеризуются высокими значениями пиковых поперечных сечений. Непротяженные фонон­ ные спектры этих кристаллов обеспечивают многим мультиплетам достаточную метастабильность (высокий квантовый выход люминесценции), что открывает возможность реализации многоуровневых лазерных схем Ьп8+-активаторов, включая и каскадные.

Кристаллы LiRF4 имеют отрицательный коэффициент dnfdT (компенсирует возникновение тепловой линзы при мощной накачке). Для ряда конкретных применений это свойство имеет важное значение. Эти соединения по сравнению с рассмотренными кислородсодержащими более стойки к коротковолновому излучению газоразрядных ламп накачки. Их теплофизпческпе характеристики также можно считать удовлетворительнымп (см. табл. 1.13).

Лазерные свойства Ьп3+-актнваторов в кристаллах LiRF4 открыты в работе [20], BaR2F8 — в [8]. Интересными генерационными характеристиками обла­ дают самоактивированиые тетрагональные (LiErF4 и LiHoF4) [43] и моноклин­ ные (BaEr2F8) [181] фториды.

В кристаллы LiRF4 и BaR2F8 трудно в больших концентрациях вводить Ьп3+-ноны цериевой группы, в том числе и ионы Nd3+.

1.3.4.Лазерные каналы Ьн3+-активаторов

вмоноклинных двойных калпй-редкоземельных вольфраматах

Лазерные свойства моноклинных (пространственная группа Cf/i — С2/с) кри­ сталлов KR (W04)a — Ln3+, где R = Y, Ln, открыты в [34]. К настоящему вре­ мени у их активаторов СИ можно возбуждать на девяти межмультиплетных переходах (рис. 1.26). Ионы Ln3* в этих матрицах могут служить и в качестве

f/fffvA 1
M -	3+	3+
	Рг'	Nd'

г л *

is	TTTT #			4 7 J
49(		4S(	471
			4
4(9	4 ff 4 (9			T%,+
				t	4 ^
				*	+#
/ff-				m	%
			i
			%	(9
			г	\
			%

4

=4

3+	,3-*-
TV	*Г

4

a&

\	T * *
$	4J
	%
	’%

Рис. 1.24. Лазерные межмультпплетные 4/ — 4/ переходы Ьп3+-ак- тиваторов в тетрагональных кристаллах LiRF* (R = Y, Ln) соструктурой шеелита

Обозначения те же, что и на рис. 1.21 и 1.22

сенсибилизаторов, и дезактиваторов [219]. Эти кристаллы являются удобными средами для получения генерации СИ по каскадным схемам [220]. У самоактивированного вольфрамата КЕг (W04)2 трехмпкронная генерация (канал Чи/г —>

—у 4/u/t) была получена при 300 К с относительно низким порогом возбуждения [221]. Исследования [222, 223] показали, что монокристаллы KGd(W04)2—Nd3+ способны при 300 К с использованием внутрирезонаторной схемы генерировать

вынужденное комбинационное	рассеяние как	при пикосекундных,	так и
при наносекундных импульсах	СИ активатора	(Яси = 1,0672 мкм и	ЯВкр ~

т 1,180 мкм). Стоксов сдвиг —900 см-1 соответствует частоте высокочастотного колебания тетраэдрического комплекса \\Ю |_-матрицы. Возможность возбуж­ дения вынужденного комбинационного рассеяния KR(W04)a—Ln3+ расширяет спектральный состав лазерной генерации этих кристаллов. Из всех известных лаверных неорганических материалов монокристаллы KH(W04)2—Nd3+ обес­

печивают самую высокую эффективность генерации СИ (4/»/« 4^>*/i) ПРИ ма_ лых энергиях накачки как при ламповом [224], так и при полупроводниковом! возбуждении [67].

НО'3+ Ef3+

-fI—fI-					4
!	!				4ff J H ? S*
					$
|	1		Т М
UW					:
				12,If	4*f
1 1			1 ! 1		■
1 1			1	1	j
1	!	J	i	\ \	•Z	%
				i t ? '
	!		H	i -	i
			!	i		f,fS
1 4^			;	wi	J __l
t	i		|	Л	4
					■	4/S/2
		;.0 7
					4
1.3.5.		Лазерные 4 / — 4 /				каналы 1л13+-актнваторов
		в тригональных фторидах со структурой тнсонита
Первыми			анизотропными			фторидами, у которых было возбуждено СИ ионов
Ln3+,	стали тригональные!					(пространственная группа D*d — P3ci) кристаллы

LaF3—Рг3+ [120]. Впоследствии число лазерных матриц этого структурного типа с Ьп3*-активаторами увеличилось до трех (см. табл. 1.1). В настоящее вре­ мя Ьп3+-ионы в трифторидах LnF3 (Ln = La, Се, Рг) генерируют на волнах девяти 4/—4/ межмультиплетных переходов (рис. 1.27). Широкая полоса оптической прозрачности кристаллов LaF3 (см. табл. 1.13) позволила использовать их для получения УФ-генерации на 5d—4/ каналах ионов Се3+ (Аси « 0,286 мкм [117]) и (Яси ~ 0,172 мкм [58]). Лазерными являются тпсонитовые фторидные кристал­ лы и при 100%-ной концентрации Ьп3+-ионов (PrF3 [225]). Из всех известных лазерных одноцентровых анизотропных фторидов с Ьп3+-активаторами в спек­ троскопическом плане LnF3—Ln3+ являются наиболее изученными.

Вся история физики лазерных кристаллов свидетельствует о том, что ре­ зультаты широкого фундаментального поиска придавали большее ускорение ее развитию, чем обычные исследования, связанные с улучшением параметров генерации на том или ином переходе активаторного иона или характеристик их матриц-основ. Новые лазерные кристаллы, новые генерирующие активаторы, новые каналы и новые функциональные схемы возбуждения СИ — это залог дальнейшего прогресса в этой современной актуальной проблеме, а следователь­ но, и в дальнейшем развитии техники кристаллических лазеров.

Рассмотрение тенденций развития физики лазерных кристаллов указывает на то, что в ближайшие годы темпы исследований в области поиска новых ге-

£-Л7?й‘'

Ni;3+

ноз+

Ег3+

Тт'з+

\

Рг3+

Du',5+

1 1

Т-!----------------------

//7- т т т*/1 9 /

■и -----------------------

\ 0 7

•4

г—f 4

1

1 1

Л 1----------

I

&

4 ‘7

1

|

!

IТ

'

т #

1

<да

0 0

f

1

я

и

1'

#Г/

I

I

v II

У!

1

|

Г Т ^

- Ч 1-^

1

1

Т ~ Г ?

i

т

!

\ ! а

1 И

1 И

1

0

V

I

1

I

и

1

& %

<г^

S,9

0 9 0

\0с

Ф1

. л

1

U J L L

*

1

4

*Т"4

M-t-

1

■■%

Л

2

I

%

1

0,99

097

0I

4

f

1

0

1

,1.

1

I

I

I

1

\

$

♦

- l

--------4.

4

4

1

%

f0

%

Рис. 1.25. Лазерные межмультиплетные 4/ — 4/ переходы Ьп3+-актпваторов в моноклинных фторидных кристаллах BaRaF8 (R = Y, Ln)

Обозначения те же, что и на рис. 1.21 и 1.22

£-лГл:и-1

£0	Ni's+	Н03+	Ег'3+
		г I4	09
		Р
		ч -	f

			•z	ч ¥
		У„
			%	080
	/0	%
		09
	0,97		4	199
	/0/	" X "		LU%
		'4/Щ
		4 - %
		'4/Щ
		107
	F-			4 *

Рис. 1.26. Лазерные можмультлплетные переходы Ln3+- активаторов в моноклинных щелочно-редкоземельных воль­ фраматах KR(W04)2 (R = Y,

Ln )

Обозначения те же, что ж на рис. 1.2i

14.	Johnson L .	F.,	van	Uitert L . G., Rubin J .	Thomas R. A . // Ibid. Vol. 133. P. 494.
45.	Handbook	of	lasers with selected data on		optical technology / Ed. R. J. Pressley. Cle­
	veland: CRC		press,	197-1.

16.Geusic J . F ,, Marcos H. Л/., van Uitert L. G. // Appl. Phys. Lett. 1964. Vol. 4. P. 182.

17.Воронько Ю. К., Каминский А . А ,, Осико В . В,, Прохоров А . М . Ц Изв. АН СССР.

Неорган. материалы. 1966. Т. 2. С. 1161.

18. Багдасаров X. С,, Воронько 10. К ., Каминский А . А . и др. // Кристаллография. 1965..

Т. 10. С. 746.

19.Багдасаров X. С., Каминский А . А . // Письма в ЖЭТФ. 1969. Т. 9. С. 501.

20.Harmer А . L., Linz A ., Gabbe D . Л. // J. Phys. Chem. 1969. Vol. 30. Р. 1483.

21.Воронько Ю. Я., Каминский А . А ., Осико В. Л., Прохоров А. М. // Письма в ЖЭТФ.

1965. Т. 1. С. 5.

22.Robinson Л/., Devor D. Р . // Appl. Phys. Lett. 1967. Vol. 10. P. 167.

23. Johnson L. F., Guggenheim H .

Thomas R . A. // Phys. Rev. 1966. Vol. 149. P. 179.

24.Белокриницкий Я. G., Шпак M. Г. // Сб. докл. II семинара по спектроскопии и свой­

ствам люминофоров, активированных редкими землями // Отв. ред. М. Е. Жаботинскип. М.: ИРЭ АН СССР, 1969. С. 45.

25.Вагин Ю. С., Марченко В . Л/., Прохоров А. Л/. // ЖЭТФ. 1968. Т. 55. С. 1717.

26.Johnson L . F., Remeika J. Р ,, Dillon J. F . // Phys. Lett. 1966. Vol. 21. P.37.

27.Johnson L. F., Ballman A. A. // J. Appl. Phys. 1969. Vol. 40. P. 297.

28.	Каминский	А. А .//П исьм а в ЖЭТФ.	1968.	T. 7.	С. 260.
29.	Каминский	А. А., Осико В . В , / / Изв.	АН	СССР.	Неорган. материалы. 1965. Т. 1.

С. 2049.

30.Каминский А. А ., Осико В. В . // Там же. 1967. Т. 3. С. 417.

31.Nassau К . // Appl. Solid State sci. 1971. Vol. 2. P. 173.

32.Handbook of laser sciences and technology / Ed. M. J. Weber. Boca Raton: CRC press, 1982. Vol. 1.

33.Johnson L. F., Guggenheim H . J . // Appl. Phys. Lett. 1972. Vol. 20. P. 474.

34.Каминский А. А ., Клевиов П. В /Ги У7., Павлюк A . A . If Квантовая электрон. 1971.

№ 4. С. ИЗ.

35.	Kaminskii		A. A ., Klevtson Р. V Li L.,		Pavlyuk A. A . //P h ys. status	solidi А.	1971..
36.	Vol.	5. Р. К79.			J, Quant. Electron. 1974. Vol. 10. P.		67.
	Brandle C . D . , Vanderleden J . £. // IEEE
37.	Kaminskii		A. A ., Bagdasarov K h . £ ., Bogomolova G. A. et a l ./ / Phys.			status solidi A.
38.	1976. Vol. 34. P. K109.
	Kaminskii A. A., Sobolev Я. P., Bagdasarov Kh. 5. et al. // Ibid. 1974. Vol. 26. P. K63-
39.	Багдасаров X . C\, Каминский А. А .,				Кеворков А. А/., Прохоров	А. Л /./ / ДАН
40.	СССР. 1974. Т. 218. С. 810.
	Багдасаров X. С., Богомолова Г . А., Вылегжанин Д . Я. и др. // Там же. Т. 216. С. 1247.
41.	IVefor Я . Р.,			Damen Т . G., Danielmeyer Н. G., Tojield В. С. //A ppl. Phys. Lett.			1973-
	Vol.	22.	P.	534.

42.Devor D . P., Soffer В . Я ., Robinson M . // Ibid. 1971. Vol. 18. P. 122.

43.Морозов А. Л/., Подколзина И . Г., Ткачук A . M . и др. // Оптика и спектроскопия.

1975. Т. 39. С. 605.

44.	Антипенко Б . М . // Письма	в ЖТФ. 1980. Т. 6. С. 968.		1976. Т. 2. С. 787.
45.	Каминский А. А., Бутаева	Т. Я ., Иванов А . О. и др. // Там же.
46.	Kaminskii A . A . Modeme Probleme der Laserkristall Physik. Dresden: Phys. Ges. DDR,.
47.	1977.		246.	С. 63.
	Каминский А. А ., Петросян A. P. // ДАН СССР. 1979. T.
48.	Walling У. С., Jenssen Я. Р .,	Л /огт Д. £. et al. // Opt. Lett.	1979.Vol. 4. P.182.

49.Moulton P. Ц Opt. News. 1982. Vol. 8. P. 9.

50.Каминский A . A. // Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1981. T. 17. С. 185.

51.	Каминский А. А .//Д А Н	СССР. 1983. Т. 271. С. 1357.
52.	Kaminskii А . А . И Phys.	status solidi А. 1986. Vol. 97. Р, К 53.

53.Jenssen If. Р., Castleberry D G a b b e D L i n z A . // Digest Techn. Pap. Conf. Lasers and

Electro-opt. Wash. (D. C.): OSA/IEEE, 1973. P. 47.

54.Ckicklis F. P., Naiman C. S . f Esterowitz L ., Allen P . // IEEE J. Quant. Electron. 1977.

Vol. 13. P. 893.

55.Kaminskii A. A., Sarkisov S . F. // Phys. status solidi A. 1986. Vol. 97. P. K163.

56.Каминский А . А ., Петросян А . Г., Ованесяп К. Л . // ДАН СССР. 1987. Т. 295. С. 586.

57.F/*r/icfc Я. У., Moulton Р. F ., Osgood Л. Л/. // Opt. Lett. 1979. Vol. 4. Р. 184.

58. ИЛаукап* Л. IV ./ / Appl. Phys. В. 1982. Vol. 28. Р. 205.

59.Waynant Л. W ., Klein Р. Я. // Appl. Phys. Lett. 1985. Vol. 46. P. 14.

60.Esterowitz L . 4 Eckardt R. C.f Allen Л. E. I/ Ibid. 1979. Vol. 35. P. 236.

61.Kaminskii A .A .//P r o c . Intern. Conf. «Lasers-80» / Ed. С. B. Collins. McLean: STS press, 1981. P. 328.

62.Антипенко Б. Af., Глебов A . C., Киселева T. И ., Письменный В. A. // Письма в ЖТФ-

1985. Т. И . С. 682.