Вибронные кристаллы

Данный тип АС используется в лазерах УКИ 3-его поколения.

Для начала рассмотрим самую широк применяемую АС для лазеров УКИ: Ti³⁺: сапфировая АС.

Трех валентный Ti³⁺ имеет на 3d-оболочке единственный электрон. Энергетическое состояние электрона расщепляется кристаллическим полем матрицы Al₂O₃ (сапфир или корунд) на 2 группы энергетических уровней расщепленных приблизительно на 19000 см^-1.

Обратные см можно представить в нм по формуле:

таким образом, 19000 см^-1 ≈ 526 нм.

Внешний электрон иона Ti³⁺, ответственный за оптические свойства, сильно связан с колебаниями решетки, т.е. сильно проявляется вибронное взаимодействие – взаимодействие электрона и колебаний ядер в молекуле или твердом теле. За счет вибронного взаимодействия энергетические уровни внешнего электрона в Ti³⁺ значительно расширяются за счет колебательных уровней, образуя полосы.

В итоге схема энергетических уровней Ti³⁺ в матрице Al₂O₃ имеет следующий вид:

Рис. 55

Данная схема энергетических уровней аналогична схеме энергетических уровней ОК (см. рис. 54). Поэтому и генерация лазерного излучения в Ti:сапфире происходит аналогично.

АС в которых за счет вибронных взаимодействий энергетических уровней внешнего электрона значительно «расширяются», образуя полосы, и тем самым значительно расширяя спектры поглощения и люминисценции, получили названия вибронных кристаллов.

Спектры поглощения и люминисценции ионов Ti³⁺ в Al₂O₃ приведены на следующем рисунке:

Рис. 56

Т.к. кристаллы являются анизотропными средами, то соответственно спектр поглощения и люминисценции будут зависеть от ориентации падающего излучения. Генерация Ti³⁺:сапфире может быть получена при ламповой накачке и лазерной: с использованием Ar–лазера или 2-ой гармоники АИГ:Nd.

Помимо Ti:сапфира существует большое количество твердотельных АС пригодных для генерации УКИ (вибронные кристаллы):

и др. С кажлым годом количество АС на которых удалось получить генерацию УКИ увеличивается.

В таблице 2 приведены спектроскопические лазерные характеристики некоторых вибронных кристаллов, для сравнения там же приведены параметры ОК: Родамин 6Ж и лигированных стекол, которые являются волоконными АС.

Таблица 2

На рисунке 57 приведены спектры люминисценции некоторых ВК. Из данного рисунка видно, что генерация существующих ВК перекрывает спектр от середины видимого диапазона да ближнего ИК. Для получения более коротковолнового излучения можно использовать преобразование частоты.

Рис. 57

Для эффективного отвода тепла, выделяемого АЭ за счет стоксовых и других линейных и нелинейных потерь необходимы АС с высокими теплофизическими свойствами. Особенно это важно для мощных лазеров.

Ниже приведены значения коэффициента теплопроводности, который характеризует количества теплоты проходящей через материал толщиной 1 м и площадью 1 м² за ед. времени (секунду) при разности температур на двух противоположных поверхностях в 1 К, для различных АС.

Из приведенных данных видно, что Ti:сапфир помимо широкой полосы усиления, необходимой для генерации УКИ (например для генерации УКИ с τ = 10 фс необходима ширина полосы усиления τ_и > 100 ТГц), также обладает высокими теплофизическими свойствами. Именно из-за этих двух причин данная АС получила самое широкое распространение.

Из приведенных данных видно, что создание мощной лазерной системы на основе форстерита крайне сложно из-за низких теплофизических свойств форстерита.

В ряде случаев не требуется генерация или усиление лазерного излучения с предельно короткими длительностями ~ед. 10 фс. В этих случаях можно использовать кристаллы и стекла, активированные не только ионами группы железа: Ti, Сr и др. (т.е. ионами с d-конфигурацией незаполненный электронной оболочки) но и ионами группы лантанидов редкоземельные элементы: Nd, Yb, Er (4f-ионы). Из-за особенностей заполнения электронных оболочек ионы группы лантанидов имеют менее широкие полосы усиления.