кванотовая электроника / лекции презентации / взаимод_изл_вещЛ4_2013
.pdf
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|
із речовиною
Зовнішнє поле решітки матриці й магнітне поле призводить
до виродження рівнів, які існують у ізольованого іона, отже, цілий ряд
переходів стають дозволеними, що сприяє збагаченню спектра робочої
речовини.
При цьому розрізняють три випадки:
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|
із речовиною
1. Слабке кристалічне поле. Цей випадок характерний для рідкоземельних елементів з незаповненою 4f - оболонкою, яка добре
захищена від впливу зовнішніх полів 5sта 5pелектронами.
LS зв'язок не порушується і в кристалічних матрицях рівні енергій таких іонів залишаються вузькими. Оскільки кристалічне поле
слабо впливає на енергетичний спектр рідкоземельних іонів, то
структури їх рівнів у різних матрицях носіях майже не змінні.
На всіх рідкоземельних елементах-лантаноїдах отримано
генерацію, але найкращі результати досягнуті для Nd3+.
Квантова електроніка
Взаємодія випромінювання із речовиною
2. Середнє кристалічне поле. Цей випадок відповідає іонному типу
зв'язку і характерний для елементів групи заліза з недобудованою 3d-
оболонкою. Збурююча дія поля кристалічної решітки є більшою за спін-
орбітальну взаємодію електронів і LS зв'язок є розірваним.
Рівні енергії іонів, що введені в кристал є суттєво зміщеними в порівнянні із вільними іонами. Крім того, рівні можуть бути суттєво розширені. З цієї причини елементи групи заліза використовують у якості сенсибілізаторів. А наявність широких смуг люмінесценції дає змогу
реалізувати твердотільні лазери з плавною перебудовою частоти генерації.
Розташування енергетичних рівнів, їх ширина, імовірності
випромінювальних та безвипромінювальних переходів для одного іону в
значній мірі залежить від матриці - носія. Відомим прикладом цього типу є
іон Cr3+ в решітці Al2O3.
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|
із речовиною
3. Сильне кристалічне поле. Цей випадок спостерігається у
парамагнітних центрів, які сильно зв'язані з оточуючими іонами. Він є
характерним для елементів з незаповненими 4dта 5dоболонками і
рідко спостерігається для групи заліза.
Сильне поле розриває LS зв'язок. Збурення поля кристалічної
решітки в цьому випадку має порядок енергії взаємодії електронів між
собою, тому змінюється не тільки структура енергетичних рівнів іона,
а і ймовірності переходів.
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|
із речовиною
До речовини матриці поставлені наступні вимоги:
-вона повинна допускати введення атомів активатора;
-бути хімічно стійкою та механічно міцною;
-витримувати значний нагрів при створенні інверсійної населеності та генерації випромінювання;
-бути технологічною;
-допускати механічну й оптичну обробку;
-бути прозорою для випромінювання накачування і генерації,
оптично і механічно однорідною.
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|
із речовиною
Активатор у основі матриці повинен мати:
-метастабільний рівень з великим часом життя, а тому і з вузькою лінією люмінесценції;
-широку смугу або велику кількість ліній поглинання, щоб можна було створити інверсійну населеність;
-не повинен мати ніяких ліній поглинання крім тих, які необхідні для збудження.
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|
із речовиною
Кристалічна решітка рубіна
Кристал рубіна
Кристалічна решітка корунда
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|
із речовиною
Механізм створення інверсійної населеності в трьохрівневих схемах першого (а) та другого (б) типу
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|||||
|
|
|
||||
із речовиною |
dN1 |
|
W21 |
W13 N1 |
W21 |
A21 N2 ( A31 W13 )N3 , |
|
dt |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dN2 |
|
W21N1 |
W21 |
A21 N2 |
A32 N3 , |
|
dt |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
dN3 |
|
W13N1 |
( A32 |
A31 W13 )N3 , |
|
|
dt |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
N = N1 + N2 + N3.
dN1 |
|
dN2 |
|
dN3 |
0 |
dt |
|
dt |
|
dt |
|
|
|
|
N2 |
N1 |
W13 |
A21 N |
|
W13 |
A21 2W21 |
|||
|
|
Трьохрівнева система першого роду (а) та залежність відносної населеності рівнів від спектральної щільності енергії зовнішнього поля (б)
Взаємодія випромінювання |
Квантова електроніка |
|
із речовиною
Схема нижніх енергетичних станів іону Сr3+ в рубіні