Лазерные вещества

Вообще говоря, все флуоресцирующие вещества могут быть использованы в качестве лазеров. Однако необходимо выполнение следующих требований:

1. Нижнее лазерное состояние индуцированного перехода должно быть расположено намного выше основного состояния, чтобы выполнялось условие N₁<N. Практически это достигается в лазерах с четырьмя энергетическими уровнями.

2. Ширина линии вынужденного излучения  должна малой.

3. Время жизни t₂ в метастабильном состоянии 2 должно быть большим. Желательно, чтобы оно определялось лишь процессом спонтанного испускания на переходе 2  1 (t₂ = ₁₂ – постоянная времени).

4. Время жизни в конечном состоянии должно быть малым. Во всяком случае, оно должно быть меньше времени t₂.

5. Необходимо, чтобы лазерное вещество на частоте ₁₂ не имело потерь, не связанных с вынужденным поглощением на переходе 1  2. Все другие потери повышают затухание  и, следовательно, пороговую величину инверсии населённости N.

6. Необходимо, чтобы вещество обладало совершенными оптическими свойствами, а также было устойчивым к химическим, термическим и механическим воздействиям.

7. Для оптической накачки на частоте _0-3 необходимо, чтобы вещество сильно поглощало; для этого оно должно иметь широкую полосу поглощения.

8. Квантовый выход флуоресценции должен быть большим; желательно, чтобы каждый поглощенный фотон излучения накачки вызывал один флуоресцентный фотон вынужденного излучения.

Твёрдые вещества

Бóльшей части указанных требований хорошо удовлетворяют кристаллы и стёкла, активированные малыми количествами определённых элементов. В атомах этих элементов в области оптических частот должны возникать переходы между внутренними, частично незаполненными электронными оболочками. Активаторами - это переходные металлы, редкоземельные элементы (лантаноиды, 6 период) и актиноиды (7 период).

Электроны вводимых в твёрдое тело активаторов возбуждаются при поглощении электромагнитного излучения в широкой полосе и затем безызлучательным путём переходят на энергетические уровни внутренних оболочек активируемых атомов.

Переходные металлы в кристаллической решетке: рубин

Первые лазеры были изготовлены из монокристаллов Al₂O₃, активированных ионами Cr³⁺. Это вещество – единственное из кристаллических соединений с переходными металлами, на котором впервые наблюдался лазерный эффект. На рис. 5 показана схема энергетических уровней рубина.

Е, эВ

4_F1

3 Безызлучательный переход

4_F2

2

Возбуждение излучением

накачки 0,56 мкм 2Ā

2_Е Ē

0,6934 мкм

1 0,6919 мкм

0. 4 _А2

Рис.5. Диаграмма энергетических уровней Cr³⁺ в Al₂О₃ (рубин)

Испускание излучений происходит вследствие индуцированных переходов из состояния ²Е в основное состояние ⁴А₂, т.е., это – трёхуровневый лазер. Строго говоря, его основное состояние расщеплено.

Обычно наблюдается испускание излучения с длиной волны =0,6934 мкм, соответствующее переходу ²Е  ⁴А ₂. Испускание на переходе 2Ā  ⁴А₂ при  = 0,6919 мкм всегда слабее, так как вследствие теплового равновесия состояние Ē всегда заселено сильнее, чем 2Ā, а время его жизни больше. Генерация на переходе Ē  ⁴А₂ подавляется колебаниями на переходе 2Ā  ⁴А₂.

Среднее время жизни метастабильного состояния Ē, определённое по измерениям длительности флуоресценции, оказалось равным ~ 3 мс. При этом спонтанное испускание с переходом в состояние ⁴А₂ преобладает над безызлучательными переходами.

Эта система возбуждается путём поглощения в зоны ⁴F₂ и ⁴F₁, а затем путём безызлучательных переходов – в состояние ²Е. При этом квантовый выход флуоресценции близок к единице. Иными словами, спонтанные и безызлучательные переходы, например ⁴F₂  ⁴А₂, играют меньшую роль по сравнению с безызлучательными переходами из ⁴F₂ в ²Е.

Отжигая кристаллы, чтобы снять в них внутренние остаточные напряжения и уменьшить внутренние неоднородности, можно значительно улучшить их оптические свойства.

Таким образом, рубин обладает почти всеми предпосылками для получения хорошего лазерного эффекта. Он не удовлетворяет лишь первому требованию о четырёхуровневом лазере. Для создания в нём инверсной населённости требуется очень большая мощность накачки. Значительная часть этой мощности при безызлучательных переходах ⁴F₂  ²E превращается в тепло. К нагреву ведёт также та часть мощности накачки, которая не приводит к возбуждению состояний ⁴F₂ и ⁴F₁. В целом выделяется так много тепла, что при нормальных условиях работа лазера в непрерывном режиме оказывается невозможной. В импульсном же режиме рубиновый лазер вполне работоспособен. Путём охлаждения до 77 К при очень хорошем теплоотводе на нём удаётся осуществить также и непрерывный режим, но достижимая выходная мощность составляет лишь несколько милливатт.