6.2.3. Лазер на александрите

Александрит, представляющий собой активированный хромом хризоберилл, имеет кристаллическую структуру в котором ионы замещают некоторые из ионов

решетки (0,04-0,12 ат. %). Этот лазер можно считать прототипом современного большого класса твердотельных лазеров, длина волны генерации которых может непрерывно перестраиваться в пределах широкой спектральной полосы в александрите]. В число этих перестраиваемых твердотельных лазеров входят, помимо прочих, лазеры на основе и .

Энергетические состояния иона качественно не отличаются от состояния в упорядоченных октаэдрических кристаллических нолях (например, рубин или

Рис. 6.4. Схема энергетических уровней для лазера на александрите.

Упрощенная схема этих состояний как функция конфигурационной координаты иона (т. е. смещения иона в кристалле) показана на рис. 6.4. Так же, как и в других активированных хромом матрицах, время релаксации между уровнями вследствие внутриконфигурационных переходов оказывается очень коротким (менее возможно, также и благодаря перекрытию уровней Таким образом, можно считать, что эти два состояния всегда находятся в термодинамическом равновесии. Поскольку энергетический зазор между дном состояния и дном состояния в александрите составляет всего несколько то в случае, когда состояние заселено, колебательные подуровни состояния также оказываются заметно заселенными. Согласно принципу Франка — Кондона, электронно-колебательные переходы из состояния оканчиваются на незаполненных уровнях состояния Поскольку число участвующих в генерации колебательных уровней велико, излучение будет происходить в широком

непрерывном интервале частот , а лазер будет работать по четырехуровневой схеме. Заметим, что так же, как и в случае рубинового лазера, лазерная генерация может происходить на переходе (ср. рис. 6.1 и 6.4) при нм. Однако в этом случае лазер на александрите действует по трехуровневой схеме и порог генерации оказывается значительно более высоким, поскольку нижним лазерным уровнем является самый низкий колебательный уровень основного состояния Заметим также, что в рубиновом лазере, хотя схема энергетических уровней рубина та же, что и на рис. 6.4, не имеет места лазерная генерация на электронно-колебательном переходе. Это объясняется тем, что в рубине энергетический зазор между состояниями значительно больше , следовательно, уровень оказывается практически не заселенным.

Накачка александрита осуществляется главным образом с помощью зеленой и синей полос поглощения в нем весьма похожих на полосы рубина (см. рис. 3.5,б). Эффективное время жизни верхнего состояния можно грубо оценить, предположив, что верхний уровень состоит из двух сильно связанных уровней (уровня и самого низкого из колебательных состояний разделенных энергетической щелью Учитывая функцию распределения по уровням [см. (2.169в)], получаем

где — времена жизни состояний соответственно Поскольку из формулы (6.1) получаем при что соответствует аналогичной величине в кристалле Nd:YAG. Таким образом, александрит является подходящим материалом для получения генерации в режиме модулированной добротности. Заметим, что хотя собственное время жизни много короче эффективное время жизни существенно увеличивается в присутствии долгоживущего состояния которое играет роль резервуара энергии для состояния Поскольку ширина линии генерации очень большая, максимальное значение сечения излучения приблизительно в 60 раз меньше, чем в кристалле Поэтому лазер на александрите имеет малое усиление, и необходимо приложить усилия, чтобы ограничить внутрирезонаторные потери. Заметим, что эффективное сечение перехода увеличивается с ростом температуры, поскольку при этом увеличивается населенность состояния по сравнению с состоянием (это эквивалентно

высказыванию о том, что значение функции распределения состояния растет с температурой). Отсюда следует, что генерацию с лучшими параметрами получают при повышенной температуре, и лазер нередко работает при температуре порядка

В отношении конструктивных особенностей лазеры на александрите похожи на Nd : YAG-лазеры. Хотя александрит может также работать в непрерывном режиме, меньшее сечение делает более практичным импульсную генерацию с высокой частотой повторения импульсов в режиме либо свободной генерации (длительность выходного импульса порядка 200 мкс), либо генерации с модуляцией добротности (длительность выходного импульса порядка 50 не). Характеристики импульсного лазера на александрите, а именно зависимость выходной энергии от входной и дифференциальный КПД практически аналогичны характеристикам Nd: YAG-лазера с теми же размерами активного стержня. Были достигнуты средние мощности порядка при частоте повторения импульсов порядка 250 Гц. Оказывается, что лазеры на александрите успешно применяются в тех случаях, когда необходимо получить излучение с нм и высокой средней мощностью (например, при лазерном отжиге кремниевых пластин) или когда необходимо перестраиваемое по частоте излучение (например, при лазерном контроле загрязнения окружающей среды).