ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ЛАЗЕРЫ

Термин — твердотельный лазер— относится в основном к лазерам, активными центрами которых являются примес­ные ионы, введенные в прозрачную матрицу (кристалл или стекло). Полупроводниковые лазеры, поскольку они имеют

Совсем другие механизмы накачки и генерации, будут рассмотрены в отдель­ном разделе.

Примесные ионы, которые используются в твердотельных лазерах, отно­сятся к одной из групп переходных элементов периодической таблицы, осо­бенно это касается ионов редкоземельных или переходных металлов. В каче­стве матричных кристаллов используются либо оксиды, например А1203, либо фториды, например УЫЕ4 (сокращенно УЫ?) [1]. Узел А13+ кристаллической решетки очень мал для того, чтобы в нем мог разместиться ион редкоземель­ного элемента, и этот узел в основном используется для ионов переходных металлов. Для получения синтетических гранатов, таких как У3А15012 = = (1/2)(ЗУ203 + 5А1203), зачастую используются подходящие комбинации ок­сидов, и в этом случае узел А13+ может вместить ионы переходных металлов, тогда как узел У3+ может использоваться для ионов редкоземельных элемен­тов. К другим оксидам можно отнести кристалл УУ04 для ионов Ы(13+ и алек­сандрит для ионов Сг3+. Среди фторидов в качестве матричных кристаллов для ионов редкоземельных элементов используется материал YLF, тогда как для переходных элементов (в основном для ионов Сг3+) наиболее популяр­ными являются материалы 1л8гА1Е6 (сокращенно ЫБАЕ) или ЫСаА1Е6 (со­кращенно 1лСАЕ).

Сравнивая между собой оксиды и фториды, можно отметить, что первые, будучи более твердыми, имеют некоторые преимущества. В частности, они более предпочтительны в плане механических и термомеханических свойств (например, более высокий температурный порог разрушения). С другой сто­роны, фториды обладают лучшими термооптическими свойствами (напри­мер, менее выраженные наведенные тепловые линзы или наведенное двулу - чепреломление). Силикатные (на основе ЭЮ2) и фосфатные (на основе Р205) стекла до сих пор применяются с ионами редкоземельных элементов. По срав­нению с кристаллами, многие стекла имеют более низкую температуру плав­ления и, следовательно, они более просты и рентабельны в изготовлении. С другой стороны, стекла обладают значительно меньшей теплопроводно­стью (практически на порядок величины), что существенно ухудшает их тер­момеханические и термооптические свойства. Сравнивая различные типы стекол, можно отметить, что силикатные стекла имеют преимущества в пла­не термомеханических свойств перед фосфатными стеклами; в свою очередь, последние демонстрируют лучшие термооптические и нелинейные оптиче­ские свойства.

Общая электронная структура редкоземельных элементов, имеющая вид 4/лг5825р65<20б82, представлена в табл. 9.1 для элементов N(1, Ег, УЬ, Тш и Но. Для сравнения, в эту таблицу включен элемент Хе. Когда редкоземельный элемент помещается в матрицу, два бз-электрона и один 4/-электрон обеспе­чивают ионную связь таким образом, что сам ион редкоземельного элемента становится трижды ионизированным (например, N - 1 = 3 для Ыс13+). После чего оставшиеся N — 1 электрона могут занимать различные состояния обо* лочки 4/, формируя тем самым несколько энергетических уровней. На са­мом деле эти состояния расщепляются на подуровни вследствие трех ТИШМ|? взаимодействий, а именно: электростатического (кулоновского) взаимоде

Ствия между 4/^-1-электронами, спин-орбитального взаимодействия и влия­ния поля кристаллической решетки. Кулоновское взаимодействие является наиболее сильным из этих трех взаимодействий и расщепляет 4/-состояния на подуровни, разделенные интервалами энергий -10 ООО см-1. Спин-орби - тальное взаимодействие дополнительно расщепляет каждый подуровень на полосы, разделенные интервалами энергий ~3000 см-1. Поле кристалличе­ской решетки вносит незначительное возмущение (ослабленное экранирова­нием орбиталями 5$2 и 5р6), приводящее к дополнительному расщеплению каждого подуровня на полосы, разделенные интервалами 200 см-1. Все ос­новные линии поглощения и излучения обусловлены переходами между эти­ми 4/-состояниями (4/- 4/-переходы). Электрические дипольные переходы внутри оболочки 4/ запрещены по четности, и в этом случае, для того чтобы описать влияние поля кристалла, приводящего к появлению малой вероят­ности перехода, необходимо рассматривать комбинацию волновых функций с разной четностью. Таким образом, излучательное время жизни здесь ока­зывается весьма большим (сотни микросекунд). Следовательно, из-за экра­нирования орбиталями 5в2 и 5р6 электрон-фононная связь оказывается очень слабой, что обуславливает наличие острых линий переходов и каналов сла­бой безызлучательной релаксации в случае небольшого легирования ионами (поскольку ион-ионное взаимодействие при большой концентрации ионов редкоземельных элементов может приводить к безызлучательной релакса­ции, см. рис. 2.13). Из приведенных выше рассуждений можно ожидать, что и полное время жизни т, и произведение ат, где а — максимальное сечение, будут большими. Это означает, что порог генерации в таких лазерах будет низким, поскольку, например, для четырехуровневого лазера скорость на­качки пропорциональна величине 1/ат (см. выражение (7.3.3)).

В табл. 9.1 также представлена электронная структура переходных ме­таллов, представляющих интерес в плане лазерной генерации. Следует от­метить, что электронная структура наиболее важных материалов, напри­мер Сг, задана в виде (Аг)3^54в1, тогда как структура элементов Т1, Со и № может быть представлена в общей форме (Аг)3с^482 (где ЛГ = 2 для Т1, 7 для Со и 8 для N1). В ионном кристалле один 4в1-электрон и два ЗсГэлектрона

Элемента Сг формируют ионную связь, и Сг здесь представлен как трижды ионизированный ион, в котором три электрона переходят на Зс^-оболочку. Для атома Т1 два 48-электрона и один 3(2-электрон формируют ионную связь, и Т1 здесь также представлен как трижды ионизированный ион, в котором только один электрон переходит на Зс^-оболочку. У атомов N1 и Со только два 48-электрона формируют ионную связь, и эти элементы представлены как дважды ионизированные ионы. Во всех этих случаях остающиеся на Зс^-орбиталях электроны могут самостоятельно образовывать большое чис­ло энергетических состояний (например, 24 для иона Сг3+), и все линии поглощения и излучения в ионах переходных металлов обусловлены Зй-~ Зс?-переходами. Отсутствие эффекта экранирования, имеющего место в ио­нах редкоземельных элементов, приводит к тому, что Зс^-состояния под­вержены сильному влиянию поля кристаллической решетки матрицы, и, как будет видно ниже, это является основной причиной возникновения виб - ронных (колебательно-вращательных) переходов, приводящих к формиро­ванию широких полос поглощения и излучения для большинства соответст­вующих переходов. В этом случае также электрические дипольные перехо­ды внутри оболочки 3(1 запрещены по четности. Тем не менее, вследствие более сильного поля кристаллической решетки (по сравнению с редкоземель­ными элементами), 3<2-3^-переходы оказываются в большей степени разре­шенными, и, таким образом, время жизни здесь оказывается значительно короче (порядка микросекунд), чем при 4/-4/-переходах для ионов редкозе­мельных элементов. Если сравнивать с кристаллом Ы(1:¥АО, сечение пере­хода здесь составляет несколько меньшее значение из-за того, что произве­дение стт в этом случае оказывается на порядок меньше.

В заключение данного раздела следует отметить, что ионы, принадлежа­щие группе актинидов, особенно и3+, также использовались на ранних эта­пах развития лазерной техники (например, и3+ лазер был вторым твердо­тельным лазером, который разрабатывался сразу же после появления руби­нового лазера). Несмотря на то, что эти материалы не нашли дальнейшего применения, они заслуживают упоминания в силу исторических причин.