ПРИНЦИПЫ ЛАЗЕРОВ

ЛАЗЕР НА АЛЕКСАНДРИТЕ

Александрит, представляющий собой активированный хромом хризобе­рилл, имеет кристаллическую структуру ВеА1204, в нем ионы Сг3+ замещают некоторые из ионов А13+ решетки (0,04 ^-0,12 ат. %). Лазер на александри­те [19] можно считать прототипом целого класса современных твердотельных лазеров (так называемые перестраиваемые твердотельные лазеры). Длина волны излучения таких лазеров может непрерывно перестраиваться в преде­лах широкой спектральной полосы (например, Ак = 100 нм, при А, = 760 нм
для александрита). В число этих перестраиваемых твердотельных лазеров вхо­дят, помимо прочих, лазеры на основе кристаллов титангсапфир и Сг:ЫБАР, которые будут рассмотрены в следующем разделе, а также лазеры на основе Со:1У1^Е2 (АХ = 800 нм, X = 1,9 мкм), Сг4+:УАО (АХ = 150 нм, X = 1,45 мкм) и Сг4+:форстерит (Сг4+:М£28Ю4, ДА, = 250 нм, А, = 1,25 мкм). В эту категорию можно также включить лазеры на центрах окраски [20], которые перестраи­ваются в широком диапазоне ближнего инфракрасного спектра (0,8-4 мкм). Лазеры на центрах окраски, бывшие некогда весьма популярными, утрати­ли свое преимущество из-за проблем, связанных с активной средой (хране­ние, установка и пр.), а также по причине появления новых перспективных лазерных устройств, работающих в том же спектральном диапазоне (т. е.

Перестраиваемые твердотельные лазе­ры или параметрические генераторы, которые будут рассмотрены в главе 12). Поэтому данный тип лазеров здесь рас­сматриваться не будет.

Энергетические состояния иона Сг3+ в кристалле ВеА1204 качественно не от­личаются от структуры уровней Сг3+ в других решетках с октаэдрическим кристаллическим полем (например, в рубине, который был рассмотрен выше). Поэтому весьма важно понять, почему лазер на александрите, в отличие от ру­бинового лазера, является перестраи­ваемым. Чтобы объяснить этот факт* на рис. 9.8 показана упрощенная схе­ма энергетических состояний в пред*

Конфигурационная координата СТавлеНИИ фуНКЦИИ Конфигурационной

Рис. 9<8 координаты иона Сг3+ (т. е. смещения

Схема энергетических уровней лазера ИОНа В Кристалле ОТНОСИТвЛЬНО ШвСТИ

На александрите в представлении л9_

Конфигурационных координат анИОИОВ О ОКТаэДрИЧесКОИ реШвТКИ*

См. рис. 3.3 и рис. 9.9а). Из рис. 9.8 можно видеть, что координата равновесия для обоих состояний 4Т2 и 4ГХ, В силу их симметрии, смещена на несколько большее значение, чем для со* стояний 4А2 и 2Е. г Так же, как и в других матрицах, активированных ионаг ми Сг3+, время релаксации между уровнями 4Т2 и 2Е вследствие внутрикон - фигурационных переходов оказывается очень коротким (менее 1 пс). Воз­можно, это связано и с перекрытием этих уровней. Таким образом, можно считать, что эти два состояния всегда находятся в термодинамическом рав­новесии и, поскольку энергетический зазор между дном (т. е. низшим коле­бательным уровнем) состояния 4Т2 и дном состояния 2Е в александрите со­ставляет АЕ = 800 см-1 (всего несколько кТ), то в случае, когда состояние

Заселено, колебательные подуровни состояния 4Т2 также оказываются за­метно заселенными. Согласно принципу Франка-Кондона, электронно-ко­лебательные переходы из состояния 4Т2 оканчиваются на незаполненных колебательных уровнях состояния 4А2 и являются подходящими для ла­зерной генерации. Поскольку число участвующих в генерации колебатель­ных уровней велико, излучение будет происходить в широком непрерыв­ном интервале частот (X = 700 4- 800 нм). Возбуждение затем будет ограни­чено фононной релаксацией на низший колебательный уровень состояния 4А2. В соответствии с физическим описанием, приведенным выше, такие лазеры классифицируются как лазеры на вибронных переходах или лазеры на фононно-ограниченных переходах. В качестве сравнения, в рубиновом ла­зере генерация происходит между состояниями 2Е и 4А2, но при этом в ру­бине не имеют место фононно-ограниченные переходы, поскольку энерге­тический зазор между состояниями 4Т2 (старое обозначение 4F2) и 2Е зна­чительно больше (АЕ = 2300 см-1), и, следовательно, уровень 4Е2 оказывается практически незаселенным. Следует также отметить, что в александрите, как и в рубине, лазерная генерация может происходить на переходе 2Е -> 4А2 (можно сравнить рис. 9.8 и 9.1). Однако в этом случае лазер на александрите работает по трехуровневой схеме, и порог генерации оказывается значитель­но более высоким; при этом длина волны излучения имеет несколько другое значение (к = 680,4 нм).

Накачка в александрите осуществляется главным образом через зеленую и синюю полосы поглощения (переходы 4А2 -» 4Т2 и 4А2 —> 4771, см. рис. 9.8), которые сильно напоминают полосы поглощения рубина. Эффективное вре­мя жизни, а также сечение вынужденного излучения верхнего состояния 4Т2 в александрите можно грубо оценить, предположив, что верхний уровень состоит из двух сильно связанных уровней, разделенных энергетической щелью АЕ = 800 см-1. Эти уровни являются низшими колебательными уров­нями состояний 2Е и 4Т2у см. рис. 2.16 и пример 2.11. Время жизни верхнего состояния при температуре Т = 300 К составляет т = 200 мкс, что очень близ­ко к значению времени жизни верхнего состояния в кристалле Nd: YAG. Сле­дует заметить, что хотя собственное время жизни состояния 4Т2 значительно короче (тт = 6,6 мкс), эффективное время жизни существенно увеличивается в присутствии долгоживущего состояния 2Е (тЕ= 1,5 мс, переход 2Е->4А2 запрещен по спину), которое играет роль резервуара энергии для состояния 4Т2. Благодаря связыванию этих двух состояний, эффективное сечение ла­зерного перехода (ое = 0,8 Ю-20 см2) оказывается значительно меньше соб­ственного значения. Следует также отметить, что обе величины т и ое явля­ются температурно-зависимыми, поскольку относительная населенность обоих состояний также зависит от температуры. В табл. 9.5 приведены не­которые оптические и спектроскопические характеристики основного пере­страиваемого перехода в лазере на александрите.

В отношении конструктивных особенностей лазеры на александрите на­поминают NdrYAG лазеры. Как правило, здесь используется ламповая на­качка и схемы возбуждения, рассмотренные на рис. 6.1 и рис. 6.2. Несмотря на то, что александрит может работать в непрерывном режиме, его меньшее

Сечение перехода (по сравнению с Кс1:УАО) делает более предпочтительной импульсную генерацию. При этом лазер может работать с высокой частотой повторения импульсов (10-100 Гц) либо в режиме свободной генерации (дли­тельность выходного импульса порядка 200 мкс), либо в режиме модуляции добротности (длительность выходного импульса порядка 50 не). Из-за того что эффективное сечение сильно увеличивается с ростом температуры, ла­зерный стержень обычно поддерживают при повышенной температуре (50- 70°С). Характеристики импульсного лазера на александрите, а именно зави­симость выходной мощности от входной, а также дифференциальный КПД практически аналогичны характеристикам Кс1:¥АО лазера с теми же разме­рами стержня. В лазерах на александрите были достигнуты средние мощно­сти порядка 100 Вт при частоте повторения импульсов ~250 Гц. Эти лазеры успешно применяются в тех случаях, когда необходимо получить излучение с высокой средней мощностью на длине волны X = 700 нм (например, при лазерном отжиге кремниевых пластин), или когда необходимо получить на выходе перестраиваемое по частоте излучение (например, при мониторинге загрязнения окружающей среды).