§ 3. ЖИДКОСТНЫЕ ЛАЗЕРЫ НА СВОБОДНЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ИОНАХ

Активной средой таких лазеров, строго говоря, является не ансамбль свободных ионов, а их раствор; растворитель играет роль матрицы, «поддерживающей» ионы и в принципе незначительно влияющей на структуру их электронных уровней. Чрезвычайно важен выбор такого вещества, которое не только растворило бы, например, но и не вызывало бы слишком быстрого гашения флюоресценции ионов редкоземельных элементов. По сравнению с металлорганическим комплексом, в котором весьма важна роль процесса передачи энергии от лиганда к иону, в растворе, содержащем свободные ионы, оптическая накачка осуществляется исключительно через собственные полосы поглощения иона. Чтобы эффективность оптической накачки была достаточно высока,

Рис. 14.5. Эмиссионные спектры ионов Nd3+ в трех различных матрицах: стеклянной, кристаллической и жидкой [7].

выбирают ион неодима, который имеет относительно широкие полосы поглощения.

Задача отыскания растворителя для оказалась необычайно трудной. После многочисленных проб Хеллер [9] применил хлористый селенил который представляет собой тяжелую жидкость, прозрачную в диапазоне от 0,4 до 3 мкм и образующую в соединении с сильную, едкую кислоту, пригодную для растворения

В основе экспериментов Хеллера лежала идея отыскания таких молекул растворителя, которые характеризуются малой энергией колебательных квантов (т. е. содержат тяжелые атомы). Чем больше квантов колебательной энергии молекулы будет соответствовать энергии излучательного перехода, тем медленнее будет процесс передачи энергии от иона к растворителю, т. е. процесс гашения флюоресценции. В максимальная колебательная энергия составляет . В ионе основным квантовым переходом, который служит источником вынужденного испускания в лазере, является переход типа ему соответствует длина волны

1,056 мкм (ближний инфракрасный диапазон). Хорошим растворителем оказался также хлористый фосфорил . Эмиссионные спектры ионов Nd3+ в трех разных матрицах приведены на рис. 14.5. Концентрации активных ионов во всех трех случаях были примерно одинаковы. Интересно, что эмиссионный спектр ионов Nd3+ в жидкости ближе к спектру тех же ионов в кристалле, чем в стеклянной матрице. На рис. 14.6 показана структура важнейших

Рис. 14.6. (см. скан) Структура важнейших энергетических уровней иона Nd3 + в растворе с указанием лазерного перехода [7].

энергетических уровней иона Nd3+ в растворе; обозначен основной лазерный переход Полуширина соответствующей линии, измеренная при комнатной температуре, необычно велика и составляет . В табл. 14.1 приведены эффективные поперечные сечения и характерные времена затухания флюоресценции рассмотренных лазерных материалов.

Жидкостный неодимовый лазер может работать как с активной средой в стационарном состоянии, так и с прокачкой. Прокачка раствора очень полезна, так как он сильно нагревается во время

Таблица 14.1 (см. скан) Эффективные поперечные сечения поглощения и характерные времена затухания флюоресценции ионов Nd3+ в трех различных матрицах

вспышки, а остывание в стационарных условиях продолжается десятки минут.

Замкнутая лазерная система с прокачкой и теплообменником обеспечивает высокую частоту повторения импульсов, облегчая практическое применение лазера. Система прокачки раствора должна быть изготовлена из кислотоупорных материалов (кварц, керамика, тефлон). Для насосов и шарнирных соединений наиболее удобен тефлон; однако его стойкость в среде не очень велика.

Фотография лазера с прокачкой Лемпицкого и Сэмелсона приведена на рис. 14.7 (на вклейке в конце книги); на рис. 14.8 сопоставлены КПД жидкостного лазера и лазера на иттрий-алюминиевом гранате. В жидкостном лазере рабочий раствор протекал по кварцевой трубке, окруженной двумя мощными импульсными лампами. Трубка вместе с лампами была установлена внутри высококачественного отражателя света.

Излучение лазера характеризовалось довольно широким спектром, состоявшим из нескольких линий, расположенных на расстоянии друг от друга. Подробные сведения о работе жидкостного лазера приведены в работе [10]. Авторы обнаружили, что если произведение коэффициентов отражения зеркал невелико, лазер обладает тенденцией к самомодуляции излучения. Вместо обычных хаотических осцилляций интенсивности излучения, продолжающихся несколько сотен микросекунд, появлялись мощные (гигантские) импульсы длительностью от 50 до 100 не с мощностью около 1 МВт. Большой интерес представляла работа лазера, у которого были удалены оба зеркала. Несмотря на отсутствие отраженного излучения в системе, усиление света было так велико,

Рис. 14.8. Сопоставление КПД жидкостного лазера и твердотельного лазера на Длина кюветы с рабочей жидкостью — 7,5 см, диаметр — 4 мм. — коэффициент отражения выходного зеркала.

что происходила генерация импульсов мощностью более со спектральной шириной 5 А. Разумеется, это были импульсы наносекундной длительности. Расходимость лазерного пучка составляла 28 мрад. В этом режиме лазер вел себя как система, в которой внезапно увеличивалась добротность оптического резонатора. Если оптический резонатор состоял из зеркал с произведением близким к единице, лазерный пучок был хорошо сколлимирован (расходимость не превышала 1 мрад). Удаление одного зеркала не приводило к заметному изменению расходимости пучка (если коэффициент отражения оставшегося зеркала был близок к единице).

Позднее Кохер, Сэмелсон и Лемпицкий [11] запустили жидкостный лазер на который генерировал световые импульсы с энергией 76 Дж, а частота повторения импульсов возросла до 5 вспышек в секунду. Раствор свободных ионов Nd3+ находился в кварцевой трубке диаметром 2,2 см и длиной 25 см. При энергии накачки 4000 Дж КПД лазера достигал 2%.

Жидкостный лазер с прокачкой представляет собой практичный прибор, служащий для генерации световых импульсов мощностью от нескольких киловатт до сотен мегаватт. Особо следует отметить его высокий КПД и возможность работы с большой частотой повторения импульсов.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)