Глава вторая. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ОКГ

2.1. Особенности активного вещества ионных квантовых систем

Активный кристалл состоит из двух основных компонентов: матрицы — кристаллической основы и равномерно распределенных в ней атомов (или ионов) активатора, т. е. это идеальный «раствор» одного компонента в другом, но только атомы в «ем закреплены в пространстве с точностью до амплитуды тепловых, колебаний. Энергетические уровни атомов в кристалле отличаются от уровней свободных атомов, например в идеальном газе. На атом в кристалле оказывают воздействие электромагнитные поля окружающих атомов, координированных определенным образом. Это приводит к расщеплению электронных уровней, появлению подуровней и, следовательно, расширению уровней с образованием энергетических полос. Наибольшее расширение испытывают уровни энергии внешних электронов в атомах, так как внутренние электронные оболочки экранируются от воздействия полей других атомов внешними оболочками.

Ионы активатора находятся в кристалле в положении изоморфно замещенных ионов основы, поэтому радиус иона активатора должен совпадать с радиусом замещаемого иона матрицы (табл. 2.1). Появление ионов активатора в решетке основы приводит к появлению энергетических уровней в запрещенной зоне основы, которая составляет несколько электрон-вольт. Поэтому чистая основа обычно является совершенно бесцветной и прозрачной оптической средой. Структура энергетических уровней в активном кристалле, в первую очередь, определяется активатором. Введение в кристаллическую основу ионов активатора приводит к появлению в активированном кристалле областей селективного поглощения и спонтанной люминесценции (центров окраски), т. е. к окрашиванию кристалла.

Таким образом, первой и основной причиной различия спектров изолированных атомов активатора и

Таблица 2.1 (см. скан) Ионные радиусы активаторов и некоторых других ионов в кристаллах

активированного кристалла является взаимодействие атома активатора с электромагнитным полем кристаллической решетки.

Вторая причина связана с расширением спектральных линий из-за неоднородности среды. Поскольку структура реальных кристаллов не бывает однородной и всегда содержит различные дефекты, то не все атомы активаторов оказываются в одинаковом положении в кристалле. Поэтому воздействие кристаллического поля на них различно, и их энергетические уровни несколько сдвинуты относительно друг друга, что и приводит к дополнительному уширению линий.

Третьей причиной расширения спектральных линий являются тепловые колебания решетки основы. Ясно, что это уширение линий зависит от температуры, так как амплитуда тепловых колебаний возрастает с повышением температуры. Поэтому наилучшие условия работы активных кристаллов — низкие температуры.

Четвертая причина, которая может привести к изменению энергетических уровней атома активатора, заключается в магнитном взаимодействии атомов активатора

друг с другом. Эго особенно заметно в случае использования в качестве активатора атомов переходных металлов, которые являются парамагнитными, так как их незаполненная оболочка имеет некоторый магнитный момент.

Этим объясняются хорошо известные факты появления дополнительных уровней и даже изменения окраски при повышении концентрации активатора в основе. Например, по сравнению со спектром розового рубина (концентрация хрома примерно 0,03%) в красном рубине (концентрация 0,5%) появляются дополнительные линии При очень высоких концентрациях хрома (более 8%) рубин становится зеленым вследствие изменения параметров решетки При этом появляются новые линии.

Поскольку имеется столь тесное энергетическое взаимодействие ионов активатора с основой, то трудно сформулировать требования отдельно к активатору и основе. Однако это необходимо для того, чтобы подчеркнуть специфические особенности каждого из компонентов активного вещества, но при этом нельзя забы-. вать о взаимозависимости их энергетических свойств. Формулируемые здесь требования должны способствовать достижению условий эффективной генерации вынужденного излучения при минимальных затратах энергии возбуждения.

Требования к активатору. 1. Атом активатора в кристаллической решетке основы должен иметь метастабильный уровень с большим временем жизни и узкой линией люминесценции (шириной не более нескольких Чем больше время жизни верхнего уровня вынужденного излучательного перехода и чем меньше ширина его линии, тем меньше требуемая мощность накачки. Ширина линий люминесценции и число их должны быть минимальными для достижения высокого квантового выхода. Таким требованиям отвечают актиноидные, редкоземельные и некоторые переходные металлы. Малая ширина спектральных линий у этих элементов объясняется тем, что электронные излучательные переходы у них осуществляются в глубоко лежащих слоях, хорошо экранированных от воздействия внешнего поля кристаллической решетки (рис. 2.1).

2. Атом должен иметь широкую полосу или большое число линий поглощения, чтобы можно было создать

ийверсную населенность мета стабильных уровней. Ясно, что чем шире полосы поглощения активатора, тем более эффективно используется излучение источника накачки для возбуждения активных атомов. Другое условие состоит в том, что большинство возбужденных атомов должно перейти затем безызлучательно на метастабильный уровень, а не основной. Это позволяет получить высокую плотность заселенности метастабильного состояния. Выполнение такого требования существенно увеличивает к. п. д. квантового генератора. Желательно также, чтобы энергетический уровень линий поглощения не очень сильно превышал рабочий (метастабильный) уровень или в более общей форме (с учетом четырехуровневой системы) — частота поглощения излучения накачки не слишком сильно превышала частоту вынужденного излучения рабочего перехода. Чем больше разница частотах поглощения и излучения, тем большая часть поглощенной энергии будет расходоваться на тепловые потери в кристалле.

3. Атом активатора не должен иметь никаких линий поглощения, кроме тех, которые необходимы для возбуждения. Это особенно относится к поглощению на частоте генерации, которое может происходить при переходах с основного уровня, с конечного (для четырехуровневой системы) и с метастабильного. Для трехуровневых систем имеет место резонансное поглощение (с основного уровня на метастабильный) и поглощение с метастабильного уровня в полосы поглощения. В четырехуровневой системе резонансное поглощение с конечного уровня маловероятно, так как он практически не заселен.

Однако поглощение с метастабильного уровня вполне возможно.

Это требование относится также и к материалу матрицы, так как наличие полос поглощения на частоте генерации у материала матрицы тоже будет приводить к потерям энергии на разогрев кристалла и к ухудшению параметров прибора.

4. С точки зрения порога генерации и энергии накачки более выгодна четырехуровневая система, конечный уровень которой должен быть расположен выше основного на величину примерно

Время жизни конечного состояния в четырехуровневой системе должно быть по возможности малым.

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

Требования к матрицам. 1. Кристаллическая осйова должна быть прозрачной, т. е. не иметь ни собственного, ни примесного поглощения на частотах как возбуждения, так и генерации активатора во избежание вредного разогрева кристалла. По этой причине, например, вольфрамат кальция не пригоден в сочетании с активаторами, которые генерируют на частотах, больших, чем частоты середины видимого диапазона.

2. Кристаллическая основа должна обладать высокой теплопроводностью.

3. Материал основы должен иметь высокую оптическую и механическую однородность. Блоки, пузырьки, механические напряжения, включения увеличивают порог генерации, паразитное поглощение и рассеяние энергии. Вследствие этого увеличивается расходимость луча и уменьшается его интенсивность.

4. Материал основы должен иметь высокую твердость, термическую и химическую стойкость; это облегчает изготовление кристалла с резонатором требуемой формы и точности и его длительную эксплуатацию. Чистота обработки поверхности (степень точности) составляет около длины волны, т. е. , а плоскопараллельность — около 3—5. Кроме того, материал может подвергаться действию различных абразивных и жидких сред, воды, жидкого азота, резких колебаний температуры и т. д., по отношению к которым он должен быть устойчивым.

5. Структура кристаллической решетки основы должна допускать введение атомов активатора. Чем больше геометрическое соответствие (например, равенство ионных радиусов), тем более высокие концентрации активатора в основе могут быть достигнуты без заметных оптических дефектов (наличие механических напряжений, неоднородного распределения примесей, коллоидных образований и т. д.).

6. Необходимо иметь возможность компенсировать различие в валентности ионов активатора и замещенных ионов решетки.

7. Так как мощность оптических квантовых генераторов зависит от общего числа ионов активатора, надо стремиться к получению кристаллов больших размеров для повышения мощности генерируемого излучения.

8. Устойчивость к воздействию ультрафиолетового излучения лампы накачки.