§ 5. ПРОЦЕССЫ ПОГЛОЩЕНИЯ ФЛЮОРЕСЦЕНЦИИ И ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ В РУБИНЕ

Кристаллы рубина чаще всего выращивают пламенным методом Вернейля, реже используют метод Чохральского (вытягивание кристаллического стержня из расплава) или гидротермальный синтез. Краткая характеристика упомянутых методов дана в табл. 4.1. В методе Вернейля в специальной водородно-кислородной печи расплавляют порошкообразные и Молекулярная масса равна 102, а Плотности составляют 4 и соответственно. Легко определить, что добавка по массе дает общее число ионов рубина, равное Поскольку число ионов составляет то в среднем каждый ион хрома замещает лишь один из нескольких тысяч ионов алюминия. На рис. 4.4 показан типичный вид рубинового слитка, выращенного методом Вернейля, а рядом — готовый лазерный элемент с плоскими торцами, которые

Таблица 4.1 (см. скан) Характеристики трех методов выращивания кристаллов рубина

Рис. 4.4. Рубиновый слиток, выращенный пламенным методом Вернейля, и готовый лазерный элемент в форме продолговатого цилиндра с тщательно отполированными торцами. Слиток выращен д-ром Янушем в Отделе корундов Алюминиевой Гуты в Скавине, прецизионная оптическая обработка выполнена д-ром Дашкевичем из Центральной лаборатории оптики в Варшаве.

параллельны друг другу с точностью до нескольких десятков угловых секунд. На рис. 4.5 изображены спиральная импульсная лампа, которая служит для оптического возбуждения рубина в лазере, и диэлектрические зеркала, образующие оптический резонатор. Лазерный рубин имеет бледно-розовый цвет и содержит около по массе в матрице Таким образом, ионы расположены в узлах кристаллической решетки довольно далеко друг от друга и их взаимодействием можно полностью пренебречь. Кристалл рубина имеет ромбоэдрическую структуру: элементарная ячейка состоит из двух молекул Ближайшее окружение или составляют шесть двухвалентных ионов кислорода Ион хрома несколько превосходит по размеру ион алюминия, место которого занимает в некоторых узлах кристаллической решетки. Поэтому он располагается в октаэдре, состоящем из шести ионов не совсем симметрично. На ион воздействует кристаллическое поле с регулярной симметрией, а также поле, обладающее тригональной симметрией, ось которого совпадает с оптической осью.

Трехкратно ионизованный ион хрома в кристаллической решетке рубина содержит три электрона во внешней электронной оболочке

Рис. 4.5. Элементы рубинового лазера.

Рубиновый стержень с двумя держателями; импульсная лампа обвивает рубиновый стержень; вблизи его торцов располагаются диэлектрические зеркала.

В процессе ионизации при образовании решетки атом хрома теряет один электрон из оболочки и два электрона из Оболочки

Символическую запись основного состояния иона легко получить с помощью эмпирического правила Гунда. Согласно этбму правилу, для основного состояния характерны следующие свойства: 1

1) максимальное допускаемое принципом Паули значение S (полный спиновый момент электрона),

2) максимальное значение (полный орбитальный момент количества движения электронов),

3) для оболочек, заполненных менее чем на половину, а для оболочек, заполненных более чем на половину,

Для трех электронов оболочки имеем:

В соответствии с общепринятыми буквенными обозначениями значений можно записать

Отсюда находим обозначение основного уровня иона

Цвет рубина, а также его Поглощение и флюоресценция целиком определяются поведением иона хрома, который мы будем называть

Рис. 4.6. Зависимость поглощения кристалла рубина от длины световой волны, а также от ориентации оптической оси рубина по отношению к падающему световому пучку.

Таблица 4.2 (см. скан) Полосы поглощения кристалла рубина в видимой области спектра

активным ионом. На рис. 4.6 представлены спектрофотометрические зависимости поглощения кристалла рубина от длины падающей световой волны. Две широкие полосы поглощения вблизи 4000 А (около и 5500 А (около показывают, что рубин можно весьма эффективно возбуждать даже белым светом

Рис. 4.7. (см. скан) Развернутая схема соптических» энергетических уровней в решетке

Для обозначения энергетических уровней применяют символы из теории групп.

Рис. 4.8. Способы получения спектров поглощения типа в рубине.

(оптическая накачка). Суммарная полная ширина двух полос, как видно из табл. 4.2, составляет около 3000 А. Лонг [6] показал, что обе полосы одинаково эффективны для оптической накачки рубина. На практике для создания инверсной населенности уровней 1 и 2 рубина применяют мощные импульсные лампы (линейные и спиральные) с мгновенной мощностью порядка нескольких мегаватт. Более подробная схема «оптических» энергетических уровней рубина (ион в кристаллической решетке изображена на рис. 4.7. Для рубина характерна довольно сильная зависимость поглощения от угла между направлением вектора электрического поля световой волны и оптической осью кристалла. Поэтому обычно говорят о двух спектрах поглощения — типа о и типа (рис. 4.8).

Квантовый выход флюоресценции при переходе с уровня 2 на уровень и оптическом возбуждении типа приближается к единице при температуре 77 К и уменьшается до 0,7 при комнатной температуре. Таким образом, при комнатной температуре рубин сохраняет весьма высокую эффективность флюоресценции. Это обстоятельство сыграло решающую роль в выборе рубина в качестве активного вещества для лазеров. Как видно из рис. 4.7, вследствие достаточно сильного расщепления уровня 2 наблюдаются

Рис. 4.9. Линии флюоресценции и в рубине при комнатной температуре [71

Рис. 4.10. Схематическое сопоставление спонтанного испускания рубина (флюоресценции) и вынужденного испускания в условиях лазерной генерации.

две линии флюоресценции, и из которых лишь одна, а именно находит практическое применение в лазерах. При спонтанном переходе типа 2—1 наблюдается флюоресценция, спектральное распределение которой при комнатной температуре изображено на рис. 4.9. Полуширина каждой из линий составляет несколько ангстрем. Если охладить рубин, линии сильно сужаются. Для наглядного сравнения спонтанного испускания (флюоресценции) с вынужденным испусканием, имеющим место в лазере, обратимся к рис. 4.10. Предположим, что кристалл рубина освещен строго монохроматичным направленным световым пучком с длиной волны (например, зеленым светом). Если длина кристалла достаточно велика (порядка нескольких сантиметров) световой пучок полностью поглотится и будет наблюдаться флюоресценция, которая в отличие от возбуждающего света не обладает ни направленностью, ни монохроматичностью. Если рассматривать этот процесс как преобразование зеленого излучения в красное, то его можно охарактеризовать следующими особенностями:

(см. скан)

Предположим теперь, что тот же рубиновый стержень помещен в оптический резонатор, состоящий из двух зеркал, одно из которых имеет коэффициент отражения а другое полупрозрачное, с

Рис. 4.11. Спонтанное свечение рубина ниже порога генерации (верхний снимок) направленное излучение лазера после достижения порога генерации. Сфотографирован след лазерного пучка на экране, установленном под малым углом к направлению пучка. Слева видно круглое выходное зеркало лазера, а также следы отражений от держателя зеркала.

коэффициентом отражения Осветим рубиновый стержень вспышкой мощной импульсной лампы, спектр излучения которой простирается от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона. Лампа освещает рубин с разных сторон. Если достигается инверсия населенностей уровней и 2 и выполняется пороговое условие лазерной генерации, возникает направленное, монохроматическое, когерентное излучение с очень высокой спектральной плотностью. Это схематически показано в нижней части рис. 4.10. На рис. 4.11 приведены фотографии флюоресценции (ниже порога генерации) и лазерного излучения (выше порога). Коническая форма флюоресцирующей области определяется геометрией держателей рубинового стержня, а не свойствами самого процесса флюоресценции.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)