6. Твердотельные (нерубиновые) импульсные и непрерывные лазеры

Вскоре после открытия рубинового лазера Сорокин и Стивенсон [1] и Кайзер, Гаррет и Вуд [2] создали четырехуровневый твердотельный лазер. В качестве активной среды в нем был применен кристалл (например, активированный ионами редкоземельных элементов. Следующим, очень важным шагом в этом направлении был запуск Снитцером [3] в 1961 г. неодимового лазера. Оказалось, что активной средой в лазере не обязательно должен быть кристалл. Ионы редкоземельных элементов, и особенно трехвалентный ион неодима, обладают чрезвычайно подходящей для лазеров структурой оптических энергетических уровней.

§ 1. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ИОНОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Рассмотрим кратко группу лантаноидов, содержащую 14 элементов с порядковыми номерами от (церий) до (лютеций). К ним относятся церий, празеодим (59), неодим (60), прометий (61), самарий (62), европий (63), гадолиний (64), тербий (65), диспрозий (66), гольмий (67), эрбий (68), тулий (69), иттербий (70) и лютеций. Из этой группы нашли применение в лазерах трехвалентные ионы

Но, и двухвалентные ионы Кристаллы или оптическое стекло, используемые в качестве матрицы, в отсутствие примесей не обладают значительным поглощением в видимой и близкой инфракрасной областях спектра. Однако, если в процессе роста кристалла или выплавки стекла

Рис. 6.1. Проф. В. Кайзер. В 1960-1962 гг. работал в фирме «Белл телефон лэбораториз», в настоящее время работает в Высшей технической школе в Мюнхене. Один из создателей четырехуровневых твердотельных лазеров, автор многих научных работ в облает квантовой электроники.

Рис. 6.2. Структура четырехуровневой квантовой системы иона редкоземельного элемента. Обозначены важнейшие переходы оптического диапазона.

добавить незначительное количество, например, (этот процесс будем называть активацией), среда становится сильно флюоресцирующей. Оптическое стекло с примесью неодима приобретает фиолетово-голубой цвет. Чаще всего используются кристаллы и иттрий-алюминиевый гранат

Энергетические уровни ионов редкоземельных элементов образуют в, оптическом диапазоне четырехуровневую квантовую систему, очень удобную для получения инверсии населенностей. Это показано на рис. 6.2. Система считается четырехуровневой, если разность по крайней мере в несколько раз превосходит значение величины при данной температуре (эти значения приведены в табл. IV в конце книги). Внедрение активного иона в кристаллическую решетку матрицы происходит относительно просто, если размеры внедряемого иона и иона, вытесняемого из узла кристаллической решетки, близки. Кроме того, валентности обоих ионов должны быть равны. Значительные различия в размерах ионов приводят к локальным деформациям решетки, снижая тем самым симметрию кристаллического поля. Это может вызвать существенные изменения структуры энергетических уровней примесного иона. В случае несовпадения валентностей ионов в процессе внесения примеси происходит компенсация зарядов. Проиллюстрируем это на примере кристалла Если заменить ион трехвалентным ионом редкоземельного элемента то два оставшихся иона не смогут скомпенсировать трех положительных зарядов. Поэтому в кристаллическую решетку добавляют некоторое количество ионов фтора (с нарушением стехиометрии), которые занимают междоузельные положения вблизи ионов Расположение ионов вблизи обеспечивается силами электростатического притяжения. Другой способ компенсации избытка

Таблица 6.1. Электронная структура лантаноидов

положительных зарядов основан на введении примеси в кристалл в атмосфере кислорода. В этом случае в кристаллическую решетку вводятся дополнительно двухвалентные ионы Следует здесь отметить, что спектры поглощения и флюоресценции активированных кристаллов зависят от способа компенсации зарядов.

Одним из первых нерубиновых лазерных материалов был активированный ионами Совпадение зарядов исключало необходимость компенсации.

Лантаноиды обладают весьма характерной электронной структурой. Она поясняется в табл. 6.1. Электронные переходы, существенные с точки зрения лазерных применений, осуществляются в пределах оболочки которая может содержать 14 электронов. В атоме неодима она содержит 3 электрона. Она хорошо экранирована от кристаллического поля электронами, находящимися на внешних оболочках В такой ситуации структура энергетических уровней электрона, принадлежащего к оболочке слабо зависит от типа матрицы, в которой находится ион неодима (или другого редкоземельного элемента). Действительно, ион неодима можно вводить в кристаллы, стекла, жидкости и даже пластмассы.

При достаточно низких температурах все переходы с поглощением иона Nd3+ начинаются из основного состояния Основное состояние можно определить с помощью эмпирического правила Гунда, согласно которому среди уровней с максимальным значением S следует выбрать уровень с максимальным значением с учетом принципа Паули. Напомним, что квантовые числа S и означают суммы спиновых и орбитальных моментов количества движения электронов (в нашем случае трех электронов оболочки Для ионов Nd3+ основной уровень имеет обозначение это означает, что определяется как разность и поскольку оболочка не заполнена до половины), Полоса поглощения при переходах из основного состояния простирается на и содержит несколько сотен уровней. В настоящее время экспериментально наблюдаются уровни, удаленные на от основного уровня [4]. Электронные переходы в пределах оболочки являются запрещенными. Сила осциллятора в

приближении свободного иона достигает лишь 10-°. Сила осциллятора — понятие классической физики, однако оно очень удобно для применения в спектроскопии. Сила осциллятора определяется как число классических осцилляторов, эквивалентных с энергетической точки зрения одному испускающему или поглощающему атому. Эта величина связывает истинную вероятность перехода с эффективностью эмиссии классического электронного осциллятора.

Простое соотношение между вероятностью перехода и силой осциллятора имеет вид

где — степени вырождения уровней , а — масса электрона. Интенсивность спонтанного испускания равна

где — число возбужденных атомов.

В кристалле или стекле оптические переходы реализуются в случаях:

1) вынужденных электрических дипольных переходов,

2) магнитных дипольных переходов,

3) электрических квадрупольных переходов.

Это означает, что уровни свободного иона подвергаются воздействию локального кристаллического поля того материала, в котором находится ион. Для оболочки весьма существенно спин-орбитальное взаимодействие, связывающее и Поэтому величина может квантоваться отдельно. Влияние других типов взаимодействий (например, с ядром или кристаллическим полем) снимает вырождение уровней. Интересно отметить, что энергетические уровни и вероятности переходов зависят от разных и не связанных друг с другом членов потенциала локального поля.