9.4. Лазеры на центрах окраски в кристаллах

Центрами окраски (ЦО) называют дефекты кристаллической решетки, с которыми связано поглощение света кристаллом в спектральной области, где отсутствует его собственное поглощение.

У многих ионных кристаллов запрещенная зона достаточно широка, и они являются диэлектриками, прозрачными во всей видимой области спектра. Дефекты решетки или примеси приводят к появлению в запрещенной зоне уровней энергии, а в спектре поглощения кристалла - связанных с этими уровнями спектральных линий поглощения.

Во многих случаях эти линии (полосы) попадают в диапазон видимого света, и до того бесцветные кристаллы приобретают окраску. По

Рис. 9.4.1. Схемы образования центров окраски в ионных кристаллах.

а) F - центр; г) центр;

б) центр; д) центр;

в) центр; е) центр.

Белые кружки - основные катионы и анионы кристаллической решетки. Буквой е обозначены “захваченные” центрами электроны. Черные кружки со знаком “плюс” - примесные катионы

этой причине вызывающие ее центры и получили соответствующее название. Первоначально термин “ЦО ” относили только к наиболее простым по структуре F-центрам представляющим из себя анионные вакансии в ионных кристаллах, захватившие электрон. В дальнейшем так стали именовать любые точечные дефекты в кристалле, поглощающие свет вне области его собственного поглощения. Это могут быть анионные и катионные вакансии, междоузельные ионы (собственные ЦО), а также атомы и ионы примесей (примесные ЦО).

Структуры некоторых центров окраски схематически изображены на рис. 8.7.1.

Схема а поясняет образование F-центра, когда вакансия аниона в двухатомном кристалле “захватывает” один электрон e. центр (схема б) - это пара F-центров, расположенных в соседних анионных вакансиях и сильно связанных друг с другом. Если центр теряет один из “захваченных” электронов, то образуется положительно заряженный центр (схема в), а если “захватывает” еще один - отрицательно заряженный центр (схема г).

__________

От нем. Farbenzentren - окрашенные центры.

Простейшим точечным дефектом является вакансия - узел кристаллической решетки, в котором отсутствует атом. Существуют дефекты, образование которых связано с замещением основного катиона из ближайшего окружения анионной вакансии примесным катионом. Если образование дефекта связано с замещением примесью всего одного катиона, то соответствующий центр окраски называют центром (схема д), а если двух соседних - центром (схема е). При этом ионный радиус примесного катиона как правило меньше, чем у замещаемого основного катиона кристалла. В щелочно-галоидных кристаллах при создании центров этого типа происходит замещение одного щелочного металла другим. Например, в решетке KCl катион (ионный радиус равен 1,33 может быть замещен катионом (ионный радиус 0,68 В кристалле LiF, где катион щелочного металла имеет наименьший радиус, подобное замещение невозможно.

Образования “вакансия-электрон” могут объединяться и создавать центры более высокого порядка, включающие три и более элементарных образований. Их обозначают символами и т.д. Одновременно центр может включать примесные катионы, быть нейтральным или заряженным. Так, например, обозначение (Tl ) говорит о том, что парный центр имеет лишний электрон и один из образующих его катионов - это примесный катион таллия.

Лазеры на ЦО во многом подобны лазерам на красителях. Они имеют широкую полосу перестройки, генерируют в ближнем ИК диапазоне, захватывая область (до  3,3 мкм), где лазеры на красителях уже не работают (длина волны генерации у последних не превышает 1 - 1,5 мкм), и образуют класс перестраиваемых твердотельных лазеров с оптической накачкой.

Центр окраски связан с кристаллической решеткой значительно сильнее, чем, скажем, такой лазерноактивный ион, как В последнем, как и во всех трехзарядных редкоземельных ионах, 4f-оболочка, в которой находится оптический электрон, в большой степени экранирована от воздействия внутрикристаллического поля имеющимися внешними электронными оболочками. Из-за этого времена жизни в возбужденных состояниях велики, а ширины спектральных линий малы. У ЦО (как и у молекул красителей) ситуация иная. Они не имеют подобной экранировки. Поэтому спектральная линия поглощения в этом случае довольно широка (уширение обусловлено колебаниями решетки). Она не обнаруживает видимой структуры и, как правило, имеет гауссову форму.

Лазеры на ЦО действуют по схеме четырех уровней (рис. 9.4.2). Оптическая накачка осуществляется в широкую (150 - 250 нм) электронно-колебательную полосу поглощения (переход  Затем за время  с происходит безызлучательная релаксация возбуждения по подуровням колебательной структуры  Следующим шаг - излучательный переход в широкой спектральной полосе

Рис. 9.4.2. Четырехуровневая схема действия лазера на F-центрах в кристалле

 Последний шаг  - снова быстрая безызлуча-тельная релаксация, но теперь уже по колебательным подуровням основного состояния.

Генерация лазеров на ЦО получена на ряде щелочно-галоидных кристаллов (LiF, NaF, NaCl, KF, KCl, KBr, RbCl ), кристаллических фторидах на некоторых других кристаллах (CaO, корунд, алмаз с центрами окраски).

Лазеры на ЦО могут действовать в непрерывном режиме. Их рабочая температура находится в диапазона 77 (жидкий азот) - 300 К, выходная мощность доходит до 3 Вт, а КПД - до 60%. Для накачки в этом режиме используют аргоновые и криптоновые газовые лазеры или лазер на

В импульсном режиме энергия лазеров на ЦО достигает 100 Дж, а их КПД может составлять десятки процентов. Для накачки в этом случае используют неодимовый и рубиновый лазеры, лазеры на красителях, медный лазер (на парах Cu), импульсные газоразрядные лампы.