2.2. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ СРЕДЫ ДЛЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ НЕОДИМОВЫХ ЛАЗЕРОВ

2.2.1. Свойства галлиевых гранатов

Рабочие характеристики твердотельных лазеров с оптической накачкой во многом зависят от эффективности передачи энергии накачки ионам-активаторам. Повышение коэффициента поглощения излучения накачки может быть достигнуто либо за счет повышения концентрации ионов-активаторов, либо за счет введения примеси-сенсибилизатора. В основных кристаллических средах, активируемых ионами неодима, кристаллах ИАГ и ИАП концентрация этих ионов не может быть выше 1,1 % (ат.) из-за концентрационного тушения. Использование ионов хрома в качестве сенсибилизатора в этих кристаллах оказалось малоэффективным из-за низкой скорости передачи энергии от хрома к неодиму. По этим причинам эффективность

использования энергии накачки неодимовыми лазерами на кристаллах ИАГ и ИАП не превосходит 30 %. Улучшение действия хрома как сенсибилизатора может быть достигнуто за счет лучшего согласования энергетических уровней возбуждения хрома и неодима для повышения вероятности безызлучательных переходов между ними. Так как положение уровней хрома сильно зависит от кристаллического поля, эта задача может быть решена изменением силы кристаллического поля, т.е. подбором подходящей кристаллической среды. В этом случае достигается не просто увеличение коэффициента поглощения активной среды, но и изменение ее спектров поглощения. Основой для выбора подходящей кристаллической среды служит диаграмма Танабе - Сугано [76] (рис. 2.25), показывающая зависимость положения энергетических уровней от силы кристаллического поля которая определяется как

где - радиус орбитали -электронов;

- заряд катиона;

- расстояние между катионом и анионами.

Сила кристаллического поля определяется размерными характеристиками и кристаллической решеткой. При малых изменениях параметра решетки изменение энергии уровней лрямо зависит от изменения параметра решетки

Рис. 2.25. Зависимость уровней энергии ионов от величины кристаллического поля Диаграмма Таиабе - Сугано

Здесь В - параметр, который находится [76, 77] по разности между энергиями переходов Эти выражения проверены экспериментально измерением зависимостей положения спектральных линий от температуры [77, 78].

В начале 80-х годов были подобраны кристаллы, в которых схема энергетических уровней ионов менялась так, что эффективность безизлучательной передачи энергии от хрома к неодиму существенно повышалась. Как следует из рис. 2.26, для решения этой задачи кристаллическое поле должно быть ниже, чем в кристаллах ИАГ. Следовательно, для образования таких кристаллов должны быть привлечены катионы с химическими свойствами, близкими или но с такими ионными радиусами, которые делали бы более просторной позицию ионов (позиция в ИАГ). Такими ионами оказались ионы и , оксиды которых образуют с оксидами гадолиния кристаллические соединения со структурой граната.

Кристаллическое поле кристаллов галлий-гадолиниевого (ГГГ) и галлий-скандий-гадолиниевого (ГСГГ) гранатов слабее и расстояние между уровнями меньше, чем у ИАГ. Кроме того, в кристаллах ГГГ и ГСГГ энергия уровня ниже, чем в ИАГ, и лучше соответствует положению уровней возбуждения ионов что повышает эффективность безызлучательной передачи энергии от хрома к неодиму [79 - 81, 83].

Свойства гранатов на основе оксидов галлия и гадолиния приведены ниже:

Константы фотоупругости:

В качестве лазерных сред были опробованы многие кристаллы гранатов, имеющих в своем составе ионы галлия, редкоземельных ионов в качестве активаторов и хрома в качестве сенсибилизатора. В частности, в ИОФ РАН выращены и исследованы такие кристаллы гранатов, как гадолиний-скандий-галлиевый, иттрий-скандий-галлиевый (ИСГГ), галлий-гадолиниевый, иттрий-галлиевый (ИГГ), лантан-лютециевый (ЛЛГ), гадолиний-скандий-алюминиевый (ГСАГ) [81, 82]. Наиболее эффективными оказались кристаллы в которых коэффициент распределения близок к единице, а микропараметр переноса энергии от на два порядка выше, чем в Генерация в этих кристаллах происходит на длине волны 1,0612 мкм при комнатной температуре с эффективным сечением захвата Некоторые свойства ГСГГ приведены выше, а оптические характеристики этих кристаллов можно найти в [15]. Оптическое поглощение в ГСГГ в раза выше, чем в ИАГ, что существенно повышает эффективность лазеров на ГСГГ, особенно при малых (до 5 мм диаметром) размерах лазерного элемента. Однако из-за высокого поглощения возрастает доля энергии накачки, превращающаяся в тепло. Если в ИАГ: Nd в тепло переходит энергии накачки, то в ГСГГ - до Поэтому из-за нагрева кристалла возрастает опасность эффекта тепловой линзы, что особенно сказывается на работоспособности лазерных элементов больших размеров. Поэтому кристаллы ГСГГ наиболее эффективны в импульсных лазерах. Ограничения, связанные с тепловой линзой, характерны для гранатов на основе оксида галлия и в меньшей степени влияют на работоспособность кристаллов, в состав которых входит оксид алюминия (ГСАГ, ИСАГ), теплопроводность которых выше [83].