ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Спектрально-люминесцентные свойства элементов АИГ из "Лазеры на алюмоиттриевом гранате с неодимом " Энергетические уровни ионов в рабочей матрице Y3AI5O12. Подробно этот вопрос изложен в [22, 25, 27, 28]. Воздействие матрицы на ионы проявляется прежде всего в дальнейшем расщеплении каждого из мультиплетного уровня изолированного иона (рис. 1.6.) на ряд подуровней за счет эффекта Штарка [22, 26]. Из-за хорошей экранировки электронов рабочей оболочки 4/ — внешними оболочками — степень расщепления оказывается заметно меньшей, чем расстояние между соседними мультиплетами, и составляет 10—100 см На рис. 1.7 показана схема уровней ионов неодима в матрице АИГ при температуре 300 К с учетом реального штарковского расщепления, причем на рисунке расщепление показано лишь для тех уровней, для которых оно существенно с точки зрения работы лазера. [c.16] ХОДЫ снизу вверх могут осуществляться при воздействии или света накачки или колебаний решетки кристалла. Переходы ионов с верхних уровней энергии на нижние могут происходить при воздействии внешнего к данному иону светового излучения (вынужденные или индуцированные переходы), спонтанно, либо при воздействии тех же колебаний решетки, что и в первом случае. В отсутствие светового излучения все переходы для близко расположенных уровней совершаются под воздействием колебаний решетки в основном безызлучательным образом. При этом для каждой конкретной температуры кристалла Т устанавливается равновесие числа переходов вниз и вверх и соответствуюш,ее этой температуре распределение населенностей энергетических уровней ионов. [c.17] Поэтому высокоэффективная генерация на уровень 852 см возможна лишь при охлаждении кристалла до таких температур, при которых населенность этого уровня сильно упадет и можно будет создать инверсию населенности метастабильного уровня без больших затрат энергии накачки. Например, для того чтобы сделать населенность уровня 852 см такой же мелкой, как и уровня 2110 см необходимо охладить кристалл до температуры примерно — 150° С. [c.19] Окончательный выбор лазерных уровней ионов неодима в четырехуровневой схеме может быть сделан лишь при рассмотрении времени жизни ионов на различных энергетических уровнях. [c.19] Время жизни ионов на энергетических уровнях. Для уменьшения пороговой мощности накачки лазера желательно в качестве верхнего уровня рабочего перехода иметь метастабильный уровень. Время жизни ионов на нижнем уровне рабочего перехода, наоборот, желательно иметь как можно меньше, чтобы не допускать падения коэффициента усиления активной среды за счет заселения этого уровня. В общем случае время жизни ионов на энергетических уровнях определяется, как отмечалось выше, излуча-тельными и безызлучательными переходами ионов между уровнями. На рис. 1.8 представлены результаты исследований, проведенных в ряде работ. Рассмотрим их подробнее. [c.19] Излучательные переходы имеют обратную закономерность чем больше расстояние между анергет ичесюими уровнями, тем более они вероятны и тем мень ше их время. Исключение составляют так называемые запрещенные оптические переходы, совершающиеся между уровнями с одинаковой четностью. Для таких переходов время жизни оказывается значительно большим (10 с), чем время разрешенных оптических переходов (10 8 с), и существенно меняется для различных типов кристаллов. [c.20] Для нижних мультиплетов /9/2—5/2 энергетические расстояния внутри и между ними вновь оказываются меньше или сравнимы с энергией фононов (850—860 см ). Основными переходами внутри и между ними являются безызлучательные с малым временем (примерно 10 с). [c.21] Таким образом, с учетом реальных расстояний и времени жизни энергетических уровней ионов неодима в АИГ-матрице образуется близкая к идеальной четырехуровневая схема лазера (см. рис. В.1, 1.7, 1.8). В качестве уровней накачки 4 служат все вышележащие уровни, начиная с Метастабильным верхнилс уровнем рабочего перехода 3 может быть уровень -Fa/2, расщепленный на два подуровня / i(B) — 11 423 см и i 2(A) — 11507 см В качестве нижнего уровня 2 рабочего перехода может служить любой из уровней мультиплетов /ц/2, 1 ыч- И наконеи, основной уровень — это совокупность подуровней нижнего мультиплета /9/2. Следовательно, лазерная генерация по четырехуровневой схеме, в принципе, может идти по целой гамме каналов, образованных разными штарковскими подуровнями мультиплетов. Однако практическое значение имеет лишь малое число таких каналов (реально три), так как остальные имеют низкую эффективность генерации. [c.21] Максимальное поглощение или усиление наблюдается в центре линии при (о = (оо. Параметр Дул, (Аюл)—полная ширина линии, 1. е. ширина на половине ее высоты (рис. 1.10). [c.22] Величина Гг представляет собой среднее время расфазировки колебаний дипольных моментов рабочих ионов активной среды (ионов неодима). Причиной расфазировки является воздействие колебаний решетки кристалла на ионы. Частота и амплитуда этих колебаний определяются физическими характеристиками и температурой кристалла, поэтому и время Гг также зависит от этих величин. [c.22] Проведенное рассмотрение формы и ширины линий перехода относилось фактически к одному иону в активной среде. На самом же деле в активной среде абсолютное число ионов очень велика (как отмечалось выше примерно 5-10 в 1 см ). Это означает, что даже в физически малом объеме, примерно равном кубику со стороной в одну длину волны света (10 см), находится большое число рабочих ионов неодима (5-10 ). Следовательно, как процессы поглощения света, так и усиления происходят как бы в однородной активной среде, параметры которой равны статистически средним по очень большому количеству ионов. [c.23] Сечение лазерных переходов. Лазерная генерация с метаста-бильного уровня Fz/2y в принципе, возможна для перехода на любой штарковский подуровень нижних мультиплетов (уровень 2), Однако на практике, как отмечалось выше, генерация оказывается эффективной лишь для малого числа таких переходов. Объясняется это тем, что коэффициенты усиления света при переходе на разные подуровни оказываются различными. [c.23] Если теперь предположить, что а есть сечение поглощения света на один ион Nd +, то поскольку ATzSdfz — полное число ионов в слое dz, то величина aN2Sdz есть полное сечение поглощения света слоем dz. Таким образом, отношение dP/P, показывающее, какая часть света поглощается в слое dz, равно отношению полного сечения поглощения света в слое к его геометрической площади сечения 5. Следовательно, термин площадь поперечного сечения перехода вполне оправдан. [c.24] Спектры поглощения и полосы накачки кристаллов АИГ-Nd. [c.26] Как отмечалось выше и показано на рис. 1.7, уровни Рз/2 и расположенные выше служат уровнями накачки кристаллов АИГ-Nd. Все эти уровня также состоят из серии штарковских подуровней, уширенных за счет воздействия колебаний решетки на ионы неодима. Очевидно, что чем больше таких уровней и чем они шире, тем больше поглощается свет накачки, тем эффективнее лазер. Кроме того, эффективность поглощения света накачки определяется сечением перехода. Все эти факторы в совокупности и определяют уровни накачки, используемые в лазерах. [c.26] Свойства основной линии генерации 1064,85 нм перехода / з/2- /и/2. В лазерной генераци и наиболее часто испшьзуется линия люминесценции (усиления) кристаллов АИГ-Nd с длиной волны 1064,15 нм, обладающая максимальным сечением перехода и соответственно максимально достижимой для АИГ-Nd лазер Ов выходной мощностью излучения. [c.27] Вернуться к основной статье