ся конечным лазерным состоянием двух самонасыщающпхся каналов
—>- 4/»/г и 4uj, — 4/и/, ионов Ег3+, что приводит к улучшению
условий воз
буждения и протекания СИ у всех Ln3+ генерирующих ионов, то для последней кросскаскадной схемы с селективной накачкой характерно только общее по вышение эффективности СИ, поскольку только один безызлучательный переход гН ь /w» 3Hi ионов Т т 3+ является каналом тепловыделения.
Каскадный принцип возбуждения СИ у Ьп3+-ионов не только существенно расширил генерационные возможности лазерных диэлектрических кристаллов, он также открыл новые пути изучения многочисленных процессов, которые
Рис. 5.12, Зависимость выходной мощности кросскаскадпого СИ крис талла LiYF4 с парой попов Тш3+ + + Но3+ от мощности пакачкп, по глощенной в генерирующем образце
ИЗ]
Стрелки унааывагот аиачепия пороговых мощностей возбуждения СИ
протекают в генерирующих активированных системах. Эти новые функцио нальные схемы лазеров обещают много интересных инженерных решений, особенно при освоении твердотельными лазерами среднего ИК-диапазона длин волн. Использование каскадного принципа в многолучевых лазерах [10] и в лазерах с комбинированными активными средами [40, 41] существенно обога тит эксплуатационный потенциал кристаллических лазеров, в частности, при разработке методов переключения или перераспределения энергии генерации по разноволновым каналам СИ активаторных Ъп3+-ионов. Сегнетоэлектриче-
ские и ацентрпчные кристаллы с Ьп3+-ионами для лазеров, генерирующих по каскадным схемам, будут представлять особый интерес.
ЛИТЕРАТУРА
1.Каминский А . А . // Изв. АН СССР. Неоргал. материалы. 1971. Т. 7. С. 904.
2.Каминский А . А . // Оптика и спектроскопия. 1971. Т. 31. С. 938.
3.Kaminskii А . А . И Ргос. Intern. Conf. «Lasers-80» / Bd. С. В. Collins. McLean: STS press,
1981 P. 328•
4.Каминский A . A . 11 Изв. АН СССР. Сер. фпз. 1981. T. 45. C. 348.
5. Esterowitz L., Eckardt R . C., Allen R . E. И Appl, Phys. Lett. 1979. Vol. 35, P. 236.
6.Eckardt R. C. , Esterowitz L., Abella I. D. И Digest Techn. Pap. Conf. Lasers and Electroopt. Wash. (D. C.): OSA/IEEE, 1982. P. 160.
7.Krupke W . F. // Proc. IEEE Region VI Conf., 1974. N. Y.: IEEE, 1975. P. 17.
8. Физика и спектроскопия лазерных кристаллов / А. А. Каминский, Л. К. Амияов,
B. Л. Ермолаев и др. М.: Наука, 1986.
9.Каминский А . А . // ДАН СССР. 1982. Т. 267. С. 1106.
10.Каминский А . А . Ц Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1974. Т. 10. С. 2230.
11.Каминский А . А . Лазерные кристаллы. М.: Наука, 1975.
12. Каминский А . А . // Спектроскопия кристаллов / Отв. ред. П. П. Фзофнпов. Л Наука,
1973. С. 70.
13.Kintz G., Esterowitz L., Allen R. // Topical meeting on tunable solid state lasers: Techn.
Digest Ser. Wash. (D. C.): OSA, 1987. Vol. 20. P. 20.
14.Каминский А . А ., Курбанов К., Уварова T. В. И Изв. АН СССР. Неорган. материалы.
1987. T. 23. С. 1049.
15. Каминский А . А ., Курбанов К., Пелевин А . В. и д р ./ / Там же. С. 1939.
16.Каминский А . А . // Квантовая электрон. 1988. Т. 15. С. 1943.
17.Varsanyi F. И Phys. Lett. 1964. Vol. 11. Р. 193.
18.
Каминский А .
А ., Барта Ч., Курбанов К. 1J Кристаллография.
1989. Т. 34. С. 159.
19.
Каминский А .
А ., Бутаева Т. И .,
Иванов А. О. и др. // Письма
в ЖТФ.
1976. Т. 2.
20.
C. 787.
А ., Федоров В. А .,
Мочалов И. В . // ДАН СССР.
1980.
Т. 254. С. 604.
Каминский А .
21.
S h iW . Q . ,
K u r t z R ., M achanJ.
et a l ./ / Topical meeting on tunable
solid
state lasers:
22.
Techn. Digest Ser. Wash. (D. C.): OSA. 1987. Vol. 20. P. 122.
M achanJ.,
Kurtz R., Bass M ., Birnbaum M. H Ibid. P. 134.
23.Kaminskii A . A ., Fedorov V. A ., Sarkisov S . E. et. al. // Phys. status solidi A. 1979. Vol.
53.P. K219.
24.Каминский А . А ., Федоров В. А ., Рябченков В. В. и др. // Изв. АН СССР. Неорган. ма
териалы. 1981. Т. 17. С. 1120.
25. Антипенко Б . М ., Подколзина И . Г., Томаисевич 10. В. // Квантовая электрон. 1980.
Т.7. С. G47.
26.Каминский A . A . U ДАН СССР. 1986. Т. 290. С. 1103.
27.Каминский А . А . Спектроскопия стимулированного излучения активированных крис
таллов: Препр, Ин-та кристаллографии АН СССР. М., 1989.
28.
Каминский А . А .,
Бутаева Т . И . ,
Кеворков А . М. и д р ./ / Изв. АН
СССР. Неорган.
29.
материалы. 1976.
Т. 12. С. 1508.
С. 147.
Петров М. В ., Ткачук А. М. И Оптика и спектроскопия. 1978. Т. 45.
30.
Каминский А . А .,
Соболев Б. Л .,
Саркисов С. Э. и д р ./ / Изв. АН СССР. Неорган. ма
31.
териалы. 1982. Т. 18. С. 482.
Каскадное стимулированное излучение в
кристаллах
Каминский А . А .,
Федоров В. А .
с несколькими метастабильными состояниями Ьп3+-ионов: Препр. Ин-та кристаллогра
32.
фии АН СССР. М„ 1985.
1975. Т. 5.
Иванов А . О., Мочалов И. В., Ткачук А . М. и д р ./ / Квантовая электрон.
С.188.
33.Каминский А . А . I/ Изв. АН СССР. Неорган. материалы. 1988. Т. 19. С. 1388.
34. Thomas M . D . , Zenzie И. //., McCarthy J. С. et a l ./ / Conf. on Lasers and Electro-opt.:
Techn. Digest Ser. Wash. (D. C.): OSA, 1987. Vol. 14. P. 240.
35.Kaminskii A. A. Laser crystals, their physics and properties. Berlin etc.: Springer, 1981.
36.Каминский А . А ., Федоров В. A . II ДАН СССР. 1985. T. 281. С. 838.
37.Методы расчета оптических квантовых генераторов / Отв. рсд. Б. И. Степанов. Минск: Наука и техника, 1966. Ч. 1.
38.Каминский А . А ., Петросян А. Г., Федоров В. А . И ДАН СССР. 1981. Т. 257. С. 79.
39.Каминский А . А ., Петросян А. Г., Ованесян К. JI. Ц Изв. АН СССР. Неорган. материа
лы. 1983. Т. 19. С. 1217.
40.Каминский А . А . // Письма в ЖЭТФ. 1968. Т. 7. С. 260.
41.Каминский А . А . Ц ДАН СССР. 1968. Т. 180. С. 59.
Глава 6
СЕНСИБИЛИЗАЦИОННЫЕ, ДЕЗАКТИВАЦИОННЫЕ И ФИД-ФЛОВИНГОВЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ
Введение
К настоящему времени предложено несколько путей повышения эффективности лазеров на основе диэлектрических кристаллов, где генерирующими актива торами являются Ъп3+-ионы. Среди них метод сенсибилизации занимает особое
место. Он заключается в добавлении в кристалл (коактивация), наряду с основ ными — генерирующими Ьп3+-активаторами, ионов другого типа — так назы
ваемых сенсибилизаторов (S) или доноров. Роль последних сводится к погло щению энергии возбуждения и передаче ее основным генерирующим ионам — акцепторам (Л). Это процесс можно описать так:
^возб ~Ь А -*■ S + Л 003б,
где символ «возб» показывает, что данный ион находится в возбужденном со стоянии. Добавление полос поглощения сенсибилизирующих ионов приводит к расширению полосы накачки коактнвированного лазерного кристалла, что увеличивает коэффициент использования излучения широкополосных источни ков возбуждения (например, импульсных Хе-ламп). В результате этого про исходит уменьшение порога возбуждения генерации СИ и возрастание (иногда существенное) эффективности кристаллического лазера. Впервые этот метод был применен в [1] для улучшения параметров СИ ионов Но3+ и Т т3+ в кристал лах СаМо04. В том и другом случае в качестве сенсибилизаторов использова лись ионы Ег3+.
К детальному теоретическому анализу явления передачи энергии электрон ного возбуждения в коактивированных кристаллах впервые приступил, повидимому, автор работы [2]. Им был выявлен ряд общих закономерностей. В частности, было показано, что передача энергии от донора к акцептору осо бенно эффективна при наличии спектрального резонанса между спектром излу чения донорных ионов и спектром поглощения акцепторов. Степень пере крывания их спектров описывается параметром, который принято называть интегралом перекрытия
СAS (E)”A (e) яр.
J Е*
здесь
U s (Е) dE = 1/4,л
— вероятность спонтанного излучения ионов-сенсибилизаторов, где Е — энергия фотона, T„3n — излучательное время жизни, измеренное при малой
концентрации сенсибилизирующих ионов (т. е. в условиях отсутствия кон центрационного тушения), и
J о а (Е) dE = QA
— интегральное поперечное сечение, пропорциональное площади под кривой поглощения, которая обусловлена переходом между состояниями акцепторных ионов, участвующими в процессе передачи энергии электронного возбуждения. Вероятность передачи энергии, в числе прочих факторов, зависит и от природы взаимодействующих переходов [2—5]. Так, для электрических ^-переходов, которые наиболее характерны для генерирующих и сенсибилизирующих Ln3+- ионов, использующихся в лазерных кристаллах, вероятность передачи при равенстве статистических весов участвующих в процессе состояний и широких полос согласно [2 ] будет иметь вид
Здесь R S A — расстояние
менаду донорными
и
акцепторными ионами; h =
=
2яН — постоянная Планка;
J FA {Е) dE =
1,
так как
принято
(Е) =
=
QA FA {Е), и j/s (Е) dE
= 1
вследствие условия 1 /т®зн =
Asfs (Е).
На практике чаще всего встречаются случаи, когда резонанс между участ
вующими в передаче энергии переходами отсутствует, и тем не менее, как сви детельствуют многочисленные данные по изучению сенсибилизированных ла зерных кристаллов [6 —8], передача возбуждения происходит достаточно эф
фективно. В этом случае, как показывают исследования, в явлении передачи энергии электронного возбуждения принимают участие фононы кристаллаосновы.
За последние годы большое число работ выполнено по возбуждению СИ на самонасыщающихся переходах Ьп3+-активаторов в различных фтор- и кислородсодержащих кристаллах [6, 7, 9, 10]. В этих исследованиях вы
явлены специфические условия возбуждения и особенности протекания процес са генерации между уровнями мультиплетов Ьп3+-ионов, нижний из которых
обладает большим люминесцентным временем жизни, чем начальный. Здесь для примера назовем долгоживущие состояния 4/»/, ионов Ег3+ и б/ 7 ионов
Но3+, уровни которого являются конечными для пяти для первого и четырех для второго активатора лазерных каналов (см. табл. 1 .10), в том числе и трех
микронных, находящихся в поле внимания в настоящее время у многих ис следователей.
Для улучшения условий протекания СИ на самонасыщающихся переходах кристаллов с Ьп3+-ионами были предложены новые функциональные лазерные схемы, которые получили название дезактивационных. В них также исполь зуется явление передачи энергии электронного возбуждения между коактиваторными ионами. Если в сенсибилизационных схемах энергия возбуждения от донорных ионов подводится к генерирующим, то в дезактивационных карти на обратная — энергия возбуждения после актов генерации отводится к ионамдезактиваторам. Экспериментальная реализация многоуровневой дезактива ционной лазерной схемы впервые была осуществлена в [1 1 ].
Исследования также показали, что для улучшения параметров СИ неко торых кристаллов с Ъп3+-активаторами можно сенсибилизационный и дезак тивационный принципы совместить в одной лазерной схеме. Эта комбиниро ванная схема получила название фид-фловинговой х. В ней энергия возбужде ния от ионов-сенсибилизаторов подводится к начальному лазерному состоянию генерирующего иона и быстро отводится с конечного к ионам-дезактиваторам.
1 От английских слов extra feed (подпитка) и flowing (сток).
а — для ионов Рг3+; б — для ионов Но3+; в — для ионов Но3-*-, Ег3+- п Тш3**- Жирпыми стрелками показаны каналы генерации, волнистыми — безызлучательный сток возбуждения
а — для ионов Nd3+, Tm,+ и Но,+ ; б — для ионов Ег*+, Но3 г и Т т3+
Обозначения, как на рис. 6.1
Впервые эта
схема была
применена при изучении кристаллов Lu3Al&Ou :
: Сг8+, Но3+,
Т т 3+—Ег3+
112].
Анализу возможных механизмов передачи энергии электронного возбужде ния в лазерных кристаллах посвящен ряд обстоятельных монографических
изданий, например [3—5, 8 , 13—15], поэтому мы ниже приведем лишь сведе
ния о реализованных многоуровневых лазерных схемах, в основе которых ле жит явление обмена энергии между коактиваторными ионами.
<6.1. Сеисибилизационные лазерные схемы
Все основные сеисибилизационные функциональные лазерные схемы Ln3*-
.активаторов показаны на рис. 6.1—6.4, а сведения об их использовании в кон кретных генерирующих кристаллах даны в табл. 6.1. Из приведенных рисун ков и таблицы видно, что в качестве сенсибилизаторов в диэлектрических ла зерных кристаллах применяются не только Ln3+ — (Nd3+, Gd3*, Tb3+, Er3*, Tm3+ и Yb3+), но и ТМ-ионы (Cr3*, Fe3* и Vs*). В некоторых случаях сенсибилизаторные ионы являются частью матрицы-основы. Сенсибилизирующее дей ствие могут оказывать и центры окраски. Известно несколько примеров [71, когда ионы Се3* используются для сенсибилизации излучения ионов Nd3*. Эти данные мы здесь не рассматриваем, поскольку коротковолновые 5^-полосы поглощения ионов Се3* в реальных экспериментах по СИ ионов Nd3* не «охва тываются» излучением накачки Хе-ламп. Здесь также не рассмотрены сенсибилизациониые схемы генерирующих ТМ-понов.
Чтобы не загромождать рис. 6 .1 —6.4, на них указаны только направления
движения возбуждения от сенсибилизаторных ионов к генерирующим без де тализации всех межмультиплетпых актов коактиваторов, которые обычно про исходят с участием фононов кристалла-основы.
Выбор сенсибшшзациоппых лазерных схем требует детального анализа ряда нежелательных факторов, которые возникают в кристаллах с Ьп3+-коакти-
ваторами. Можно добиться эффективной сенсибилизации для одного генера ционного канала и лишиться возможности возбуждать СИ на переходах дру гих каналов. Необходимо также учитывать, что не для всех кристаллов и од нотипных коактиваторов выбранная схема приведет к улучшению параметров ■СИ данного генерирующего Ьп3+-иона. Тем не менее сеисибилизационные схе
мы все шире и шире используются в физике лазерных кристаллов и для соз дания эффективных кристаллических лазеров. Наивысшей эффективностью на сегодняшний день обладает лазер на основе кристалла (Y, Er)sAl50 12:
Впервые эти функциональные схемы были предложены п применены для улучшения параметров СИ ионов Ег3* в кристаллах LU3A160 12 [11]. В отсутст
вие в этом гранате ионов-дезактиваторов Но3* и Тш3+ СИ ионов Ег3* при 300 К происходит на волне 2,9395 мкм межштарковского перехода самонасыщающегося канала 4Zn/2 —►4/и/., заканчивающегося на верхнем штарковском уровне
долгоживущего состояния 4/»/, [90, 91]. Ионы-дезактиваторы коренным обра зом изменяют спектральный состав СИ канала 4/м/, - » • В этом случае быстрый сток возбуждения с уровней мультиплета 4/н/, к нонам Но3* и Т т 3*
переключает генерацию на самый коротковолновый межштарковский переход этого канала (с А,си = 2,6990 мкм), который заканчивается на нижнем уровне мультиплета 4/«/,. Аналогичная картина наблюдается н для моноклинных щелочно-редкоземельных вольфраматов 19, 76]. Во всех случаях дезактиваторные ионы сокращают люминесцентное время жизни конечного лазерного состоя ния генерирующего Ьп3*-активатора. Все известные дезактивационные лазер ные схемы Ьп3*-ионов показаны на рис. 6.5 н 6 .6 , а лазерные кристаллы, генери рующие по таким схемам, перечислены в табл. 6 .2 .
Таблица 6.1. Генерация 1л5+*-активаторов в диэлектрических кристаллах по сенспбилпзационным схемам
Канал СИ
О— ЕГ Я оЕО
Рг3+
"Gi Nd3+ v . /«■
7,
Sm3+ *Gt ■°Л,
'•/.“ ''" V i ТЬ3+ 6D4^ 7FB
DyS+
“Я.,
“Я ,
“Л- ”
*/.
Ho3+
s/e -
bh
51в^ Ч в
5/7- s/e
Ионы-сенспбилн- эаторы
Yb3+
Yb3+
Cr3+
Tb3+
Gd3+
Er3+
Yb3+
Yb3+
Yb3+
Yb3+
Cr3+ Yb3+
Yb3+
Yb3+
Cr3+
Cr3+
Cr3+
Fe3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Er3+
Tm3+
Tm3+
Yb3+
Yb3+
Cr3, Tm3+
Cr3, Tm3+
Cr3, Tm3+
Cr3, Tm3+
Er3*, Tm3+
Er3+, Tm3+
Er3+, Tm34-
Er3+, Tm,+
Er3+ Tm3+
Схема на
Кристалл рисунке
BaYb2Fe
6.1, a
LiYbF*
6.1, a
Li(Yb, Lu)F*
6.1, a
BaY2F8
6.1, a
Ca3Ga2Ge*Oi*
6.2, a
YA103
6.2, a
YBAISOI*
6.2, a
Y3Sc2GaaOi2
6.2, a
LaaGasSiOu
6.2, a
GdaSczGa30i2
6.2, a
Gd3GasOi2
6.2, a
GdUSCzGfiaOiz
6.2, a
TbF3
6.3, a
LiYF4
6.4, a
Ba(Y,Er)2F8
6.4, 6
BaYbzFe
6.3.6
LiYbF4
6.2.6
BaYbzFs
6.2, 6
Lu3Al50i2
6.2,6
LuaAlsOiz
6.2,6
YaAU0i2
6.2,6
LU3AI5O12
6.2,6
Y3A150 I2
6.2, a
ьизАЬО12
6.2, a
Ca5(PO*)3F
6.2, a
YsFe50i2
6.1,6
LiYF*
ErF3
6.1,6
CaF2 - ErF3
6.1,6
a-NaCaEi’Fc
6.1,6
Y2Si05
6.1,6
CaMoO*
6.1, 6
LaNbO*
6.1,6
(Y, Er)3Al50 12
6.1, 6
Er20 3
6.1,6
ErAlOs
6.1,6
ErjAbOn
6.1,6
Er2SiOs
6.1,6
(Er, Lu) АЮ3
6.1,6
NaLa(MoO*)2
6.1,6
Zr02 —ЕггОз
6.1,6
BaTm2Fe
6.1,6
Tm3AbOi2
6.1,6
LiYbF*
6.1,«
RaYb2Fe
6.1, e
YaAlsOu
6.3, e
Y3SC2A1S0 I2
6.3, в
Y3Sc2Ga30 i2
6.3, в
LujALOn
6.3, в
Li(Y, Er)F*
6.1,6
BaYjFe
6.1,6
KY(WO*)2
6.1,6
KGd (W0*)2
6.1,6
K(Y, Er) (WO*) 2
6.1,6
Литература
[17]
[17,18]
Г18] '
Ж
19
[20'
21
22'
19:
[23]
24],
[25;
[26]
[27]
[28]
[29]
[37]
[30,38};
[31]
[31]
[39]
[39
[32
[33
[34.35]
[36]
[40,41]
[42]
43]
44]
45]
UJ
[46]
[32,47]
[48]
[49]
[54]
[45,50]
[52]
[46]
53
[55
[54"
[51]
[38,54]
56]
57]
57'
зз;
41]
58} 54 ' 54 59]
1 о 1
g*£ Вн
ё | а ®&2 »Рн Я -
Е г3+
Tm s+
Y b3+
Канал СИ
4 /”/ , ^ 4 /“ / г
3Я 4 - » 3Я 6
3Я 4 - > 3Я е
8Я ./
- . « Л / ,
/ *
/I
Ионы-сенсибили заторы
E r3+, Т т 3+
Ег3+, Т т 3+
Ег3+, Т га3+
Ег3+, Т ш 3+ E r3+ ,T m 3+
Ег3+, Т т 3+
Ег3+ Т т 3+
Ег3+, Т т 3+
Ег3+, Т т 3+
Ег3+, Т ш 3+ E r3+, Т ш 3+
Ег3+, Тга3+
Ег3+. Y b3+ T m 3+, Y b3+
T m 3+, Y b3+ Е г3+, T m 3+, Y b3+ Er*+, T m 3+, Y b3+ Jir3+, T m 3+, Y b3+ E r3+, T m 3+, Y b3+ Ei,3+, T m 3+, Y b3+
H o3+
Cr3+
Y b3+
Y b3+
Yb*+
C r3+, Y b3+
C r3+, Y b3+
Y b3+
Y b3+
Ц ен тры о к р аск и
Cr3+
Cr*+
Cr3+
Cr*+
Cr3+
Cr3+
Er*+ E r3+ E r3+ E r3+ E r3+ E r3+ E r3+ E r3+ E r3+ E r3+ E r3+
Таблица 6.2. Генерация Ьп3+-активаторов в диэлектрических кристаллах по дезактивационный схемам
Генерирую
щий Ъп*+-
Канал СИ
ион
Но3+
6Л - > 5/ 7
Ег3+
4*
/ . - 4/ «v.
4Ч
,
*1а/,
Ионы-дезактива
Кристалл
Схема на
торы
рисунке
Nd3+
Y 3A U O 12
б д б
Рг3+
LiYFi
6.5, а
Ш 3+
Y3AI5O12
6.6, а
Но3+
CaFz - ErF3
6.5,6
Тш3+
CaF2 — ErF3
6.5,6
Тш3+
ЕгзАЬОи
6.5, 6
Т т 3+
LuAlOs
6.5, б
Но3+, Т т 3+
IC(Y, Er) (WOi)z
6.5,6
Но3+, Т т 3+
Y3A150 12
6.5,6
Но3+, Т т 3+
Er3AUOi2
6.5,6
Но3+, Т т 3+
Lu3AbOi2
6.5,6
Nd3+, Но3+, Тга3+
Lu3AlsOi2
6.6, а
[89]
[53,88]
[53,88
[53,88
Литера
тура
[92]
[93]
[94;
95;
95
86
%
97'
76 Г86'
1Г
1Г
Дезактивационный механизм убыстрения стока энергии электронного воз буждения с долгоживущего конечного уровня генерирующих Ьп3+-ионов так же эффективно работает и в рассмотренных в предыдущей главе кросскаскадных лазерных схемах.
6.3.Фид-фловинговая лазерная схема
Генерация СИ по фид-фловинговой схеме пока возбуждена только у одного Ьп8+-активатора — ионов Ег3+ (канал 47и/. — 4/«/,) в кристаллах алюминие
вых гранатов (табл. 6.3). Как видно из рис. 6.7, сенсибшгазаторные ионы под-
Таблнца 6.3. Генерация ионов Ег3+ в редкоземельных гранатах по фид-фловинговой схеме
