6.2.3. Лазер на александрите [8]

Александрит, представляющий собой активированный хро­мом хризоберилл, имеет кристаллическую структуру ВеАЬО^ в котором ионы Сг³⁺ замещают некоторые из ионов А1³+ ре­шетки (0,04—0,12 ат. %). Этот лазер можно считать прототипом современного большого класса твердотельных лазеров, длина волны генерации которых может непрерывно перестраиваться в пределах широкой спектральной полосы [ЛЯ ж 100 нм, К = = 0,76 мкм в александрите]. В число зтих перестраиваемых твердотельных лазеров входят, помимо прочих, лазеры на ос­нове Со : MgF₂ (К= 1,9 мкм, АХ = 800 нм) и Ti : А1₂0₃ (К = = 0,82 мкм, А?. = 326 нм).

Гчнериция на элентроняо-холеёательном

переходе

(730 г 800)

Э нергетические состояния иона Сг^34- в ВеА1₂04 качественно не отличаются от состояния Сг³⁺ в упорядоченных октаэдриче-ских кристаллических полях (например, рубин или Сг: GSGG).

Колебательная координата Рис. 6.4. Схема энергетических уровней для лазера на александрите.

Упрощенная схема этих состояний как функция конфигурацион­ной координаты иона Сг³+ (т. е. смещения иона в кристалле) показана на рис. 6.4. Так же, как и в других активированных хромом матрицах, время релаксации между уровнями ⁴Г₂ и ²Е вследствие внутриконфигурационных переходов оказывается очень коротким (менее 1 пс, возможно, также и благодаря пе­рекрытию уровней ²£и ⁴Г₂).Таким образом, можно считать, что эти два состояния всегда находятся в термодинамическом рав­новесии. Поскольку энергетический зазор АЕ между дном со­стояния ⁴Г₂ и дном состояния ²Е в александрите (АЕ ж ■« 800 см^-1) составляет всего несколько kT, то в случае, когда состояние ²Е заселено, колебательные подуровни состояния ⁴Г₂ также оказываются заметно заселенными. Согласно принципу Франка — Кон дон а, электронно-колебательные переходы из со­стояния оканчиваются на незаполненных уровнях состояния

⁴Л₂. Поскольку число участвующих в генерации колебатель­ных уровней велико, излучение будет происходить в широком непрерывном интервале частот (X = 700—800 нм), а лазер будет работать по четырехуровневой схеме. Заметим, что так же, как и в случае рубинового лазера, лазерная генерация может про­исходить на переходе ²£-^-⁴/Ь (ср. рис. 6.1 и 6.4) при %= = 680,4 нм. Однако в этом случае лазер на александрите дей­ствует по трехуровневой схеме и порог генерации оказывается значительно более высоким, поскольку нижним лазерным уров­нем является самый низкий колебательный уровень основного состояния М₂- Заметим также, что в рубиновом лазере, хотя схема энергетических уровней рубина та же, что и на рис. 6.4, не имеет места лазерная генерация на электронно-колебатель­ном переходе. Это объясняется тем, что в рубине энергетиче­ский зазор между состояниями ^AF$ и ²Е значительно больше (2300 см^-1) и, следовательно, уровень ⁴Fo оказывается практи­чески не

Накачка александрита осуществляется главным образом с помощью зеленой и синей полос поглощения в нем (⁴Л₂-*⁴Г2 и M₂-*-⁴Ti), весьма похожих на полосы рубина (см. рис, 3.5, б). Эффективное время жизни т верхнего состояния ⁴Г₂ можно грубо оценить, предположив, что верхний уровень со­стоит из двух сильно связанных уровней (уровня ²Е и самого низкого из колебательных состояний ⁴Г₂), разделенных энерге­тической щелью &Е ■« 800 см^¹. Учитывая функцию распределе­ния по уровням [см. (2.169в) ], получаем

-I _ ^д' + т^'ехр (- АЕ/кТ) ^{Т —} 1 + ехр -АЕ/кТ) ' * '

где Т£ и tr — времена жизни состояний соответственно ²Е и ⁴Гг. Поскольку те « 1,5 мс и тг « 6,6 мкс, из формулы (6.1) полу­чаем т « 200 мкс при Т = 300 К, что соответствует аналогичной величине в кристалле Nd : YAG. Таким образом, александрит яв­ляется подходящим материалом для получения генерации в ре­жиме модулированной добротности. Заметим, что хотя собствен­ное время жизни ⁴Т₂ много короче (6,6 мкс), эффективное время жизни сущеетвенно увеличивается в присутствии долгоживу-щего состояния ²Е, которое играет роль резервуара энергии для состояния ⁴Г₂- Поскольку ширина линии генерации очень боль­шая, максимальное значение сечения излучения приблизительно в 60 раз меньше, чем в кристалле Nd : YAG. Поэтому лазер на александрите имеет малое усиление, и необходимо приложить усилия, чтобы ограничить внутрирезонаторные потери. Заметим, что эффективное сечение перехода увеличивается с ростом тем­пературы, поскольку при этом увеличивается населенность со­стояния 4_Га по сравнению с состоянием *Е (это эквивалентно

высказыванию о том, что значение функции распределения со­стояния ⁴Г₂ растет с температурой). Отсюда следует, что гене­рацию с лучшими параметрами получают при повышенной тем­пературе, и лазер нередко работает при температуре порядка

100 °с.

В отношении конструктивных особенностей лазеры на алек­сандрите похожи на Nd: YAG-лазеры. Хотя александрит может также работать в непрерывном режиме, меньшее сечение делает более практичным импульсную генерацию с высокой частотой повторения импульсов в режиме либо свободной генерации (длительность выходного импульса порядка 200 мкс), либо ге­нерации с модуляцией добротности (длительность выходного им­пульса порядка 50 нс). Характеристики импульсного лазера на александрите, а именно зависимость выходной энергии от вход­ной и дифференциальный КПД практически аналогичны харак­теристикам Nd: YAG-лазера с теми же размерами активного стержня. Были достигнуты средние мощности порядка 100 Вт при частоте повторения импульсов порядка 250 Гц. Оказывает­ся, что лазеры на александрите успешно применяются в тех слу­чаях, когда необходимо получить излучение с I» 700 нм и вы­сокой средней мощностью (например, при лазерном отжиге кремниевых пластин) или когда необходимо перестраиваемое по частоте излучение (например, при лазерном контроле загрязне­ния окружающей среды).

€g Газовые лазеры

Вообще говоря, энергетические уровни в газах уширены до­вольно слабо (ширина порядка нескольких гигагерц и меньше),

поскольку действующие в газах механизмы уширения слабее, чем в твердых телах. Действительно, в газах, находящихся при

^{обычных для лазеров давлениях (несколько мм рт. ст.), столк-}

новительное уширение очень мало и ширина линий определяется главным образом доплеровским уширением. В связи с этим в газовых лазерах не используется, как в твердотельных лазерах, оптическая накачка с помощью ламп. В самом деле, такая на­качка была бы крайне неэффективна, поскольку спектр излуче­ния этих ламп является более или менее непрерывным, в то вре­мя как в активной газовой среде нет широких полос поглоще­ния. Как уже упоминалось в гл. 3, единственный случай, когда генерация была получена в газе при оптической накачке такого типа, — это/Цезий, возбуждаемый линейной лампой, заполненной гелием. В данном случае условия для оптической накачки впол­не благоприятны, поскольку некоторые линии излучения Не совпадают с линиями поглощения Cs. Однако цезиевый лазер представляет интерес скорее в историческом плане, так как именно эта схема была предложена в первой работе Шавлова и Таунса.

Газовые лазеры накачиваются, как правило, электрически, т. е. накачка достигается при пропускании достаточно сильного (постоянного, высокочастотного или импульсного) тока через газовую среду. Основные механизмы накачки в газовых лазерах уже обсуждались в разд. 3.3. В данной главе мы познакомимся с другими механизмами накачки, которые характерны для от­дельных лазеров (например, с ионизацией Псннинга), Кроме того, следует заметить, что накачку некоторых лазеров можно осуществить иным путем, отличным от электрического возбу­ждения. В частности" мы упомянем о накачке посредством газо­динамического расширения, химической накачке и оптической накачке от другого лазера.

Из возбужденного состояния частица может перейти на бо- лее низкие энергетические уровни (в том числе и в основной) благодаря следующим четырем различным процессам: 1) столк- новениям возбужденной частицы с электроном, при которых ча- стица передает свою энергию электрону (столкновения второго рода); 2) столкновениям между атомами (в газовой смеси, со- стоящей из более чем одной компоненты); 3) столкновениям ча- стицы со стенками сосуда и 4) спонтанному излучению. В слу- чае последнего процесса следует всегда учитывать возможность захвата излучения (особенно для обычно очень сильных перехо- дов в УФ- и ВУФ-диапазоне). Этот процесс, который уже обсу- ждался в разд. уменьшает эффективную вероятность спон- танного излучения.

При данном значении тока электрического разряда все эти

^{процессы возбуждения и релаксации приводят в конечном счете}

к установлению некоторого равновесного распределения населен­ности по энергетическим уровням. Таким образом, можно ви­деть, что в газовых лазерах из-за большого числа протекающих

в газах процессов механизм создания инверсии населенностей является более сложным по сравнению с твердотельными лазе­рами. Вообще говоря, инверсия населенностей между двумя дан­ными уровнями возникает при выполнении одного (или обоих) следующих условий: 1) скорость возбуждения верхнего лазер­ного уровня больше, чем нижнего, и 2) скорость релаксации верхнего лазерного уровня меньше, чем нижнего. Напомним, что последнее условие необходимо для реализации непрерывной ге­нерации [см. (5.25) ], Если это условие не выполняется, то гене­рацию тем не менее можно получить, но лишь в импульсном ре­жиме и при выполнении первого условия (лазеры на самоогра­ниченных переходах).