§ 3. РАБОЧИЕ ВЕЩЕСТВА С БОЛЬШОЙ КОНЦЕНТРАЦИЕЙ АКТИВНЫХ ИОНОВ (примесные и стехиометрические материалы)

В первых твердотельных лазерах (рубиновых, на неодимовом стекле и др.) концентрация активных центров в рабочем веществе была относительно невелика. В рубине концентрация ионов хрома составляла что соответствовало среднему расстоянию между ними около 30 А. Попытка увеличения концентрации, сделанная уже в 1961 г. Шавловым [18], позволила получить лазерную генерацию в рубине на линиях 7009 и 7041 А вместо наблюдавшейся ранее линии 6943 А. При этом концентрация (0,5%) лишь в десять раз превышала «нормальную»

Дальнейшее увеличение концентрации приводит к нестабильности решетки и появлению множества линий - спутников в спектре излучения лазера. В оптическом стекле достигаются более высокие концентрации активных ионов. Содержание активатора в современных стеклах составляет от нескольких единиц до нескольких десятков процентов, что значительно повышает коэффициент поглощения, а значит и коэффициент усиления излучения. Однако слишком высокая концентрация активных ионов приводит к довольно резкому спаду длительности флюоресценции, поэтому лазерная генерация становится затрудненной или вообще невозможной. Например, в очень популярном кристалле иттрий-аллюминиевого граната длительность флюоресценции составляет около при концентрации ионов равной и уменьшается до при концентрации, равной Миграция энергии между соседними ионами Nd3+ обратно пропорциональна шестой степени среднего расстояния между ними. В типичном кристалле YAG : Nd3+ это расстояние составляет около 18 А.

В последние годы возрос интерес к аморфным лазерным материалам с очень высокой концентрацией активных ионов [19—21]. В группе Воронько и Батыгова в Физическом институте им. П. Н. Лебедева АН СССР синтезированы фосфатные стекла типа или с концентрацией ионов неодима Несмотря на довольно значительное снижение длительности люминесценции (до 80 мкс), было измерено эффективное поперечное сечение для лазерного перехода, равное а минимальный энергетический порог лазерной генерации составлял лишь Измерена также эффективная ширина полосы люминесценции (т. е. отношение площади полосы к максимальной интенсивности люминесценции). Это позволило найти указанное выше значение эффективного

поперечного сечения а с помощью известного выражения

где — показатель преломления лазерного стекла (в рассматриваемом случае с — скорость света в вакууме, — излучательное время жизни метастабильного состояния (, где А — коэффициент Эйнштейна). Выражение (6.3) можно получить из формулы Фюхтбауэра — Ладенбурга (4.21).

Длительность флюоресценции связана с излучательным временем тизл и временем безызлучательной дезактивации следующим соотношением:

Три основные полосы накачки (поглощения) фосфатных стекол характеризуются следующими значениями коэффициентов поглощения:

В группе Лемпицкого синтезированы новые фосфатно-алюмини-евые стекла с примесью ионов неодима в количестве Определенное различными методами эффективное поперечное сечение а лазерного перехода было равно а время затухания люминесценции — Определены также излучательное время жизни лазерного уровня нм и длина волны генерации мкм.

В рассмотренных выше (нерубиновых) твердотельных лазерах активные ионы используются в виде примеси в количестве от 1 до 3% по отношению к материалу матрицы (стекло, кристалл, жидкость и т. Первым твердотельным лазером, в котором активные ионы входили в состав элементарных ячеек активного материала, был лазер на флюорите гольмия созданный в Девором, Соффером и Робинсоном [22]. Монокристаллы охлаждали до температуры жидкого азота и накачивали импульсами с энергией несколько джоулей. При азотной температуре ширина эмиссионной линии флюоресценции уменьшалась до а время жизни соответствующего энергетического уровня возрастало до Вынужденное испускание наблюдалось после превышения пороговой энергии накачки, равной 1 Дж.

Значительно более интересные результаты получил в том же году Варсани [231. Он запустил твердотельный лазер на беспримесном кристалле Выращенные кристаллы хранились в

Рис. 6.6. Схема действия твердотельного лазера на беспримесном кристалле Вверху — поперечное излучение из объема, внизу — продольное поверхностное излучение.

кварцевой капсуле для предохранения от влаги и загрязнений. Их размеры составляли мм. Они обладали весьма высоким оптическим качеством, имели бледно-зеленую окраску и отличную плоскость спайности в направлении, перпендикулярном оптической оси. Кристаллы имеют гексагональную структуру. На рис. 6.6 показаны два наблюдавшихся направления вынужденного испускания в зависимости от геометрии излучения накачки. Для оптической накачки применялся импульсный аргоновый лазер или, что особенно существенно, импульсный перестраиваемый лазер на красителе. Последний в свою очередь подвергался оптической накачке газовым азотным лазером ультрафиолетового диапазона . На рис. 6.7 показана структура энергетических уровней трехвалентного иона празеодима в кристаллической решетке в соответствии с работой Германа и др. [24]. При комнатной температуре наблюдалось излучение на длине волны 6452 А, а при снижении температурь появились три новые линии с длинами волн 6168, 5298 и 4892 А. Импульсы накачки лазера на красителе были очень короткими (4 не), а их пиковая мощность — 10 кВт. Порог возбуждения лазерной генерации составлял всего лишь Столь низкий порог возбуждения достигается благодаря точному подбору длины волны излучения накачки (в случае применения лазера на красителе это не представляет труда), квантовому выходу флюоресценции, достигающему 100%, и высокой концентрации активных ионов. Недавно Вебер и др. [25] сообщили о запуске еще одного

Рис. 6.7. Структура энергетических уровней иона празеодима в кристаллической решетке с обозначением четырех лазерных переходов, обнаруженных Варсани [23] и Германом и др. [24].

Рис. 6.8. Структура энергетических уровней иона Nd3+ в кристалле при температуре 300 К [31].

лазера на чистом кристалле ультрафосфата неодима Тонкие пластинки этого материала толщиной около 35 мкм освещались пучком перестраиваемого лазера на красителе. В отличие от лазера Варсани, пластинка помещалась внутри конфокального оптического резонатора и подвергалась оптической накачке вдоль оси резонатора. Получено вынужденное испускание на длине волны 1,051 мкм при пороге возбуждения лазерной генерации, равном также

Ультрафосфат неодима является, пожалуй, наиболее типичным представителем класса стехиометрических материалов. Его кристаллографические параметры были известны уже в 1889 г. [26], однако лишь в 1970 г. этот кристалл был заново «открыт» для лазерных целей. Кристаллы или изоморфные кристаллы типа удается выращивать в виде небольших пластинок обычно размером в несколько миллиметров. Их естественные

Таблица 6.5 (см. скан) Физические, оптические и кристаллографические параметры кристаллов

плоскости роста настолько совершенны, что кристалл можно сразу помещать в резонатор лазера. Особенности выращивания неодимовых и неодим-лантановых кристаллов описаны, в частности, в работах Данилмейера и др. [27], Тофилда и др. 128] и Шиманьского и др. [29]. Основные физические, оптические и кристаллографические параметры кристаллов приведены в табл. 6.5 (см. также рис. 6.8). Наиболее характерны четыре полосы флюоресценции,

Рис. 6.9. Фрагмент ленточной структуры кристаллической решетки Ион Nd3+ занимает место трех атомов водорода.

а именно: .

Время жизни лазерного уровня для чистого составляет . С учетом высокой концентрации активных ионов это время относительно велико. Его можно существенно увеличить, добавляя в кристалл в процессе роста ионы которые обладают слабой оптической активностью. В матрице при время жизни возрастает примерно до При

Гашение возбуждения флюоресцентного уровня происходит преимущественно в результате многофотонных безызлучательных переходов. Кристаллическая структура и в особенности наличие тетраэдров благоприятствует генерации фотонов высоких энергий Как и в каждом лазерном материале, главную роль играет прямое взаимодействие между активными ионами. Кристаллическая структура обладает исключительными экранирующими свойствами. Она образует ленты которые состоят из периодически повторяющихся ячеек в плоскости (рис. 6.9). Ленты вытянуты вдоль оси . В этой решетке не бывает, чтобы два иона Nd3+ были связаны с одним и тем же атомом кислорода. Минимальное расстояние между ионами Оказывается, что естественным направлением миграции энергии является направление ленты (ось а). Этой миграции относительно легко помешать введением в решетку некоторого количества мало активных ионов поэтому для кристаллов характерно большое время жизни флюоресцентного уровня в отличие от кристалла граната с малым содержанием примеси. Эффективное поперечное сечение лазерного перехода в кристалле равно .

Применяемые для накачки кристаллов полосы поглощения показаны на рис. 6.10. Лазерную генерацию в стехиометрических материалах, как правило, получают при накачке соответствующим образом подобранным лазерным пучком, частота которого находится в полосе поглощения материала. При этом наблюдается сверхизлучение (без оптического резонатора) или нормальная генерация обычно в очень небольших оптических резонаторах.

Рис. 6.10. Полосы поглощения кристалла и эффективные источники оптической накачки этого кристалла [25].

Усиление света на один цикл (полный пробег света в резонаторе) приближенно равно

где а — эффективное поперечное сечение испускания, — число возбужденных ионов — эффективная длина (толщина) кристалла.

Пороговое условие возбуждения колебаний имеет вид

где — суммарные потери лучистой энергии в резонаторе. При непрерывной накачке пороговая плотность ионов равна [32, 33]

где означает пороговую мощность накачки, — диаметр возбуждающего пучка в кристалле, — частота излучения накачки.

При импульсной накачке имеем

где пороговая энергия накачки. Например, при накачке кристалла пучком импульсного рубинового лазера получены следующие значения вышеупомянутых параметров . При коэффициент усиления Необычно высокое усиление света в кристалле приводит к легкому насыщению материала. Согласно Данилмейеру [34], параметр насыщения

становится очень малым. Указанный параметр определяет плотность мощности вынужденного испускания, при которой в данном материале интенсивность флюоресценции равна интенсивности лазерного излучения. Для получено Вследствие этого время жизни лазерного уровня уменьшается по сравнению с временем жизни свободной (пассивной) флюоресценции в отношении

где Р — мощность излучения в резонаторе лазера. В работе [30] измерено значение и рассчитано значение которое хорошо согласуется с экспериментальными данными.

Типичная схема лазера на стехиометрическом материале показана на рис. 6.11 [29]. Наличие множества полос поглощения у кристаллов говорит о принципиальной возможности оптической накачки импульсной лампой. О положительных результатах,

Рис. 6.11. Типичная схема экспериментального стехиометрического лазера [25]

достигнутых в этом направлении, сообщили в 1977 г. Чин и Цвикер [351. При энергии накачки 1 Дж выходная энергии составляла

Вскоре к группе ультрафосфатов редкоземельных элементов добавился ультрафосфат неодима-лития выращенный Ямадой, Оцукой и Накано [36]. В этом кристалле концентрация ионов Nd3+ составляла время жизни уровня а эффективное поперечное сечение испускания (для мкм) почти такое же, как у иттрий-алюминиевого граната. В группах Каминьского и др. [37] и Ленза и др. [38]

Рис. 6.12. (см. скан) Структура энергетических уровней ионов в решетке

выращены стехиометрические кристаллы типа или на которых получена квазинепрерывная лазерная генерация на длине волны —1,067 мкм при пороговой мощности накачки .

Шиманьский, Карольчак и Качмарек [39] вырастили кристаллы ультрафосфата празеодима типа на которых получена лазерная генерация в видимой области . Были исследованы их кристаллографические, физические и оптические свойства, которые, за исключением чрезвычайно короткого времени жизни уровня (несколько десятков микросекунд), мало отличаются от свойств кристаллов Структура энергетических уровней иона в решетке показана на рис. 6.12. Лазерная генерация получена при накачке кристалла импульсным лазером на красителе (кумарин 2) в полосе нм. Были найдены значения параметров, существенных для генерации: .

Недавно Лемпицкий, Мак-Коллум и Чин [40] получили новое стехиометрическое соединение с длительностью флюоресценции при комнатной температуре. Это пока лучшее стехиометрическое вещество с эффективным поперечным сечением испускания

Подводя итог достижениям в области стехиометрических лазеров, следует подчеркнуть такие их свойства:

1. Возможность лазерной генерации не только в инфракрасной (1,05 мкм), но и в видимой области спектра.

2. Возможность накачки лазерными пучками, импульсными лампами и светодиодами.

3. Очень высокий коэффициент усиления света; длительность флюоресценции лазерного уровня лишь немного меньше, чем у примесных материалов.

Создание лазеров на чистых кристаллах — не просто интересное достижение; оно прежде всего свидетельствует о том, что взаимное влияние активных ионов даже при столь высоких концентрациях не «гасит» флюоресценции. Удивительно, что время затухания флюоресценции сокращается лишь до по сравнению с для лазерного материала, содержащего 1% примесных ионов редкоземельных элементов. Если есть высокое содержание активных ионов (например, празеодима), то усиление среды необычайно велико. Сверхизлучение возникает при прохождении светом пути всего лишь в несколько микрометров.

Это означает, что направленность излучения достигается без оптического резонатора (т. е. без обратной связи). Если излучение накачки имеет форму узкого канала, перпендикулярного плоскости спайности кристалла часть рис. 6.6), испускание происходит в том же направлении. С помощью цилиндрической линзы можно сфокусировать излучение накачки в форме узкой полоски (нижняя часть рис. 6.6). В этом случае преимущественным направлением для усиления света является указанная полоска; лазерное излучение наблюдается в направлении, перпендикулярном излучению накачки, т. е. вдоль поверхности кристалла. По этой причине, а также из-за малой глубины проникновения лазерного эффекта Варсани назвал этот лазер поверхностным.

Известно несколько работ [43—45], авторы которых получили лазерную генерацию в кристаллах как в импульсном, так и в непрерывном режимах. Неодимово-лантановый ультрафосфат отличается исключительно большим временем жизни флюоресценции лазерного уровня а коэффициент усиления света на длине волны мкм достигает значения

Чинн и Хонг [46] и Оцука и др. [47] сообщили об открытии нового чистого лазерного кристалла. Им является литиево-неодимовый четырехфосфат Структура этого кристалла одноклинная: Поскольку ближайшие друг к другу ионы Nd3+ в кристаллической решетке разделены группами , то время затухания флюоресценции лазерного уровня относительно велико и достигает несмотря на концентрацию равную Чинн и Хонг наблюдали лазерную генерацию в очень тонкой пластинке мкм) при накачке пучком перестраиваемого лазера на кристалле мкм). Размеры области генерации могут достигать нескольких десятков микрометров при пороговой мощности накачки 360 мкВт. Группе Оцуки удалось вырастить кристаллы длиной 1,85 мм. Эти кристаллы полностью поглощают излучение накачки, а КПД лазерной генерации достигает

Высокая концентрация активных ионов открывает совершенно новые возможности создания лазеров с микронными размерами, поскольку вынужденное испускание достигается из областей, размеры которых составляют несколько микрометров. Это позволяет снизить энергию накачки до нескольких микроджоулей.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)