ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ЛАЗЕР НА ТИТАН-САПФИРЕ

Лазер на титан-сапфире (ТкА1203) [21, 22] является наиболее распростра­ненным перестраиваемым твердотельным лазером. Он может работать в зна­чительном диапазоне перестройки длин волн (ДА, = 400 нм, что соответствует частотному диапазону Ду0 = 100 ТГц), обеспечивая, таким образом, наиболь­шую ширину полосы генерации по сравнению с любым другим лазером.

Для изготовления титан-сапфира материал Т1203 легируется в кристалл А1203 (обычный диапазон концентрации 0,1-0,5 вес. %). При этом ионы Т13+ замещают некоторые из ионов А13+ в кристаллической решетке. ИоныТ13+ обладают самой простой электронной конфигурацией среди ионов переход*

А

7г-поляризация

О--ро Й(ті-о>о

1

І 0,6 о

| 0,4 н

-

0,2

О'-------- 1------- 1-------- 1_____ I_____ 400 500 600 700 800 900 Длина волны (нм)

Рис. 9.10 Полосы поглощения и флюоресценции кристалла титан‘.сапфир (согласно работе [55])

Ных металлов, здесь лишь один электрон остается на 3<2-оболочке. Второй З^-электрон и два 4в-электрона атома Т1 (см. табл. 9.1), по сути, используют­ся для ионного связывания двух анионов кислорода. При замещении ио­нов А13+ ионами Т13+, последний занимает место в центре октаэдрической ре­шетки, шесть вершин которой заняты ионами О2- (рис. 9.9а). Представим, для простоты, поле совершенной октаэдрической симметрии,[50] где пятикрат­но вырожденный (пренебрегая вырождением по спину) <2-электронный уро­вень изолированного иона Т13+ расщепляется кристаллическим полем шести соседних анионов кислорода в трехкратно вырожденное нижнее 2Т2 состояние и дважды вырожденное верхнее 2Е состояние (рис. 9.96). Как обычно, обо­значения для этих кристаллов, содержащих переходные металлы, заимство­ваны из теории групп. Если при этом принимать во внимание спин электро­на (£ = 1/2 для этой, по существу, одноэлектронной системы), то два состоя­ния получают мультиплетность 2£ 4-1 = 2, как это обозначено левым верхним суффиксом, приписанным к каждому символу. В модели конфигурацион­ных координат, где координатой является расстояние ТЬ-О, два состояния могут быть представлены в том виде, как это показано на рис. 9.9в. Следует заметить, что более сильное взаимодействие 3<2-электрона с кристалличе­ским полем приводит к тому, что равновесное расстояние становится значи­тельно больше для верхнего состояния по сравнению с нижним состоянием. Данное обстоятельство особенно важно, поскольку оно приводит к возник­новению широких полос поглощения и люминесценции достаточно далеко
отстоящих друг от друга, как показано на рис. 9.10. В заключение следуем отметить, что весьма важной особенностью иона Ti3+, расположенного в ок­таэдрической решетке, является наличие у него только одного возбужденно­го состояния (т. е. состояния 2Е). Это исключает возможность поглощения энергии возбужденным состоянием (как, например, происходит на переходе аТ2 -» 4Тг в александрите), которое существенно ограничивает диапазон пе­рестройки длины волны и уменьшает эффективность многих других лазеров на переходных металлах.

В соответствии с вышеизложенным, и вновь затрагивая принцип Франка - Кондона, можно утверждать, что лазерная генерация происходит с самого нижнего колебательного подуровня состояния 2Е на несколько колебатель­ных подуровней ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ 2Т2. Некоторые важные оптические и спектроскопические свойства этого перехода, заканчивающегося фононными переходами, перечислены в табл. 9.5. Следует отметить, что в лазере на титан - сапфире время жизни верхнего уровня (х = 3,2 мкс при Т = 300 К, излучатель - ное время жизни хг = 3,85 мкс) оказывается намного меньше, чем у александри­та. Это связано с тем, что в титан-сапфире отсутствует «эффект затягивания», являющийся следствием остаточной населенности других возбужденных со­стояний, как, например, в александрите. С другой стороны, сечение вынуж­денного излучения в титан-сапфире намного больше (приблизительно в 40 раз), чем в александрите, и сравнимо с сечением вынужденного излучения в кри­сталле Nd:YAG. Здесь необходимо также отметить большую ширину лазерной линии, наибольшую среди традиционно используемых твердотельных лазеров.

В непрерывном лазере на титан-сапфире накачка осуществляется зеленым излучением аргонового лазера, тогда как для реализации импульсного режи­ма используется вторая гармоника Nd:YAG или Nd: YLF лазеров, а также им­пульсные лампы. Из-за малого значения произведения ах, ламповая накачка требует использования очень мощных ламп. Несмотря на это лазеры на титан - сапфире с ламповой накачкой выпускаются серийно. Непрерывные лазеры с накачкой аргоновым лазером представляют собой удобный источник когерент­ного излучения высокой мощности (> 1 Вт), с возможностью перестройки в широком спектральном диапазоне (700-1000 нм). Возможно, наиболее важ­ным применением лазеров на титан-сапфире является генерация (см. раз­дел 8.6.5) и усиление (см. главу 12) фемтосекундных лазерных импульсов* Сложные системы, основанные на этих лазерах и усилителях и позволяющие формировать импульсы относительно высоких энергий (20 мДж -1 Дж) и фем­тосекундной длительности (20-100 фс), сейчас имеются в распоряжении не­скольких лабораторий и также выпускаются серийно.