6.7. Лазеры на центрах окраски

В настоящее время большое число различных типов центров окраски в кристаллах галогенидов щелочных металлов используется для создания эффективных оптически накачиваемых лазеров, перестраиваемых в широкой полосе в ближнем ИК-диапазоне. Лазеры на центрах окраски позволяют получать генерацию в диапазоне длин волн 0,8-3,3 мкм и, следовательно, представляют интерес с точки зрения расширения диапазона в область увеличения длин волн, в которой лазеры на растворах органических красителей не работают.

Рис. 6.51. а — нормальная структура центров окраски; — структура релаксированного -центра. Электрон (не показан на рисунке) находится в двух пустых областях решетки.

На рис. 6.51 показана структура некоторых центров окраски, представляющих интерес для нашего рассмотрения. Из приведенных на рисунке центров окраски генерация получена лишь на Обычный -центр можно рассматривать как прототип других разновидностей -подобных центров; он представляет собой электрон, локализованный в анионной вакансии кристалла.

Если же один из шести ближайших к вакансии ионов металла посторонний (изображен на рисунке кружком меньшего диаметра; например, в галогениде калия), то такой дефект называется -центром. Два соседних -центра, расположенные вдоль направления (110), образуют -центр, а -центр представляет собой однократно ионизованный -центр. Общая схема энергетических уровней -центра приведена на рис. 6.52. После того как -центр будет переведен в возбужденное состояние

3, он быстро (за время порядка пикосекунд) релаксирует в состояние 2. На рис. 6.51 показана также структура релаксированного состояния Релаксация и -центров состоит лишь в пространственном расширении вакансии (или удвоении вакансии). Затем -центр рекомбинирует (излучательно) в релаксированное основное состояние (состояние 1 на рис. 6.52) и после этого состояния быстро переходит в нерелаксированное основное состояние Поскольку как полоса возбуждения (переход ), так и полоса излучения (переход ) достаточно широкие , соответствующие спектры

напоминают спектры лазеров на красителях (см. рис. 6.29), а спектр излучения имеет стоксов сдвиг по отношению к спектру поглощения. Таким образом, мы видим, что -центры достаточно хорошо соответствуют четырехуровневой схеме лазера. Однако не все -центры хорошо подходят на роль активной среды, так как некоторые из них (например, обычный -центр) имеют очень низкий квантовый выход люминесценции. Из лазеров на -центрах упомянем лазеры на и . Среди лазеров на -центрах отметим лазеры на , и . Следует заметить, что приготовление лазерных кристаллов с и -центрами окраски требует особой тщательности и большого мастерства.

Рис. 6.53 иллюстрирует одну из работающих схем лазера на центрах окраски.

Рис. 6.52. Цикл накачки лазера на -центрах.

Рис. 6.53. Типичная конструкция непрерывного лазера на центрах окраски. Параметры установки, приведенные на рисунке, относятся к -лазеру с продольной накачкой -лазером. (Согласно Молленеру

Лазер на центрах окраски возбуждается другим лазером (обычно -лазером, генерирующим на красной линии 647 нм, или Nd : YAG-лазером) по схеме, аналогичной непрерывным лазерам на красителях (ср. с рис. 6.33). В данном случае пучок накачки проходит через входное зеркало, которое имеет высокий коэффициент отражения на длине волны лазера на центрах окраски и высокий коэффициент

пропускания на длине волны лазера накачки. Грубая перестройка лазера обычно осуществляется с помощью дисперсионной оптической системы, например призмы, решетки или двулучепреломляющего фильтра (эти элементы не показаны на рис. 6.53; см. рис. 5.4 и 5.5). Тонкая подстройка частоты и выделение одной моды осуществляются с помощью одного или более внутрирезонаторных эталонов Фабри — Перо. Особенностью лазеров на центрах окраски, которая создает определенные трудности, является то, что лазерный кристалл необходимо поддерживать при низких температурах . Это обусловлено следующими двумя причинами. 1) Время жизни верхнего лазерного уровня -центра уменьшается с температурой приблизительно как Таким образом, предполагается, что порог генерации см. также выражение (6.60)] увеличивается линейно с температурой Т. 2) Если температура кристалла поднимается выше 200 К, то как так и -центры окраски начинают распадаться (в течение примерно 1 сут). В связи с этим возникает проблема, связанная со сроком хранения лазеров на центрах окраски. Наконец, следует заметить, что резонатор лазера, как правило, находится в вакууме (на рис. 6.53 соответствующий объем отмечен штриховой линией). Это связано с двумя обстоятельствами, а именно с необходимостью поддерживать лазерный кристалл при низкой температуре и во избежание потерь, обусловленных поглощением в атмосфере (обычно парами и препятствующих генерации.

Лазеры на центрах окраски имеют следующие параметры. Типичная пороговая мощность накачки составляет порядка нескольких десятков милливатт (при фокусировке излучения накачки в кристалле в пятно диаметром 20 мкм). Получена непрерывная генерация мощностью при дифференциальном КПД до Для -центров и до 60 %. Для -центров окраски. То, что дифференциальные КПД этих двух типов лазеров различаются почти на порядок, нуждается в пояснении. Такое различие

обусловлено тем, что для -центров квантовая эффективность накачки см. рис. 6.52) составляет 80 %, в то время как для -центров это всего лишь Если положить (все фотоны накачки поглощаются активной средой), то в этом случае дифференциальный КПД определяется по существу квантовой эффективностью накачки, поскольку она представляет собой произведение квантовой эффективности накачки на эффективность связи [см. выражение (5.36)] на выходе резонатора. В заключение заметим, что в некоторых лазерах на центрах окраски и -центры) осуществлен режим синхронизации мод с использованием того же метода синхронной накачки, что и в лазерах на красителях. При этом получены короткие импульсы длительностью до с перестройкой в диапазоне генерации соответствующего лазера.

Благодаря широкому диапазону перестройки, очень узкой линии лазерного излучения и возможности генерировать импульсы пикосекундной длительности лазеры на центрах окраски представляются чрезвычайно заманчивыми для применений в таких областях, как молекулярная спектроскопия и устройства, предназначенные для контроля волоконных световодов. Лазеры на центрах окраски с синхронизацией мод, излучающие на частоте мкм применялись для генерации очень коротких импульсов в одномодовых волокнах (длительностью около Здесь использовались такие свойства волокон, как фазовая самомодуляция и сжатие импульса (соли-тонный лазер) [см. также разд. 8.5].