4.1. АЛЕКСАНДРИТ

Матрицы на оксидных системах способны работать в более жестких температурных условиях и являются более перспективными для создания мощных непрерывных лазеров с перестраиваемой частотой. Такими матрицами являются александрит и корунд с титаном. Свойства и генерационные характеристики александрита подробно рассмотрены в обзоре [8]. Александрит - разновидность хризоберилла в котором хром замещает ионы алюминия. В искаженной гексагональной плотно упакованной анионной подрешетке 1/8 тетраэдрических узлов занята ионами бериллия и 1/2 октаэдрических узлов

- ионами алюминия. Александрит является двухосным кристаллом ромбической симметрии (пространственная группа - точечная группа - с параметрами решетки нм, нм, с - 0,4427 нм. Александрит обладает плеохроизмом: окраска кристалла вдоль оси а оранжево-желтая, вдоль оси изумрудно-зеленая и вдоль оси с фиолетово-красная. Искажения кислородных октаэдров в решетке александрита таковы, что локальная симметрия ионов алюминия в одних октаэдрах имеет центр симметрии а в других - плоскость симметрии. Пустоты кислородных октаэдров для ионов хрома малы, поэтому присутствие хрома в кислородных октаэдрах приводит к дополнительному их искажению, как и в решетке Однако наличие бериллия в тетраэдрических позициях несколько разрыхляет решетку александрита по сравнению с корундом, увеличивает размеры кислородного октаэдра и ослабляет кристаллическое поле. Поэтому в александрите в соответствии с диаграммой Сугано уровни ионов сближаются, что и обеспечивает возможность электронно-колебательных переходов и работу ионов по четырехуровневой схеме (рис. 4.2), позволяющей перестраивать длину волны излучения в интервале нм (лазер на александрите может работать и по трехуровневой схеме, когда генерация происходит за счет чисто электронных переходов

Кристаллы александрита выращиваются методом Чохральского с использованием иридиевых тиглей при индукционном нагреве в инертной атмосфере [3, 8]. Направлением роста выбирается направление [001]. Концентрация ионов составляет (ат.).

Рис. 4.2. Схема энергетических уровней иона хрома в александрите

Большая концентрация ионов-активаторов приводит к появлению упругих напряжений и ухудшению оптического качества кристаллов.

Кристаллы александрита обладают высокими механическими и хорошими тепловыми характеристиками. Теплопроводность александрита лишь в 1,5 раза хуже, чем у корунда, но в 1,5 раза выше, чем у иттрий-алюминиевого граната. Высокие прочностные характеристики и теплопроводность определяют высокую лучевую прочность кристаллов александрита.

Свойства кристаллов александрита приведены ниже:

Тепловыделение, при котором кристалл еще не разрушается, составляет для александрита тогда как для рубина и для и соответственно [3]. Зависимость показателя преломления от температуры, определяющая процесс самофокусировки, для александрита слабее, чем для рубина и ИАГ [3], нелинейный

коэффициент показателя преломления составляет м2/Вт. Поскольку ионы в александрите могут работать по четырехуровневой схеме, лазер на этом кристалле отличается низким порогом и высокой эффективностью генерации. Совокупность хороших тепловых и механических свойств кристалла позволяет получать на александрите высокие мощности излучения и в импульсном и в непрерывном режимах.

Спектральные свойства александрита определяются переходами с основного состояния иона в состояние которые дают широкие полосы в области нм, и узкими линиями поглощения на переходах (линии 680,4 нм и и (линии ).

Наличие в александрите двух состояний ионов хрома в кислородных октаэдрах, имеющих различную симметрию, предполагает и различие энергетических спектров хрома. Однако, как показано в [3], поглощение и люминесценция ионов находящихся в октаэдрах с плоскостью симметрии, значительно выше поглощения и люминесценции ионов в октаэдрах с центром симметрии. Поэтому спектральные свойства александрита определяются ионами хрома, локальная симметрия которых содержит плоскость симметрии. Однако наличие двух позиций для хрома приводит к тому, что число ионов хрома, определяющих оптические свойства александрита, оказывается меньше, чем концентрация ионов хрома в кристалле. Длинноволновая часть спектра люминесценции в области нм определяется электронно-колебательными переходами с испусканием фононов. Время жизни на метастабильном уровне зависит от степени термической заселенности уровня при комнатной температуре и составляет а с ростом температуры, т.е. с ростом заселенности уровня , оно уменьшается. Квантовый выход люминесценции при переходах с метастабильного уровня близок к единице.