Лабы КОЭ / СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

Целью работы является исследование спектров оптического поглощения материалов, используемых в качестве активных элементов твердотельных лазеров.

1.1.Основные сведения об оптическом поглощении в твердом теле

Вкачестве материалов активных элементов твердотельных лазеров применяются кристаллические или аморфные активированные диэлектрики. Использование твердых веществ в качестве активной лазерной среды позволяет достичь высокой концентрации активных частиц и, следовательно, получить большую оптическую мощность с единицы объема активного элемента. В то же время практически единственным методом возбуждения таких лазеров является оптическая накачка. Электрическая энергия источника питания с помощью специальных ламп или полупроводниковых лазерных диодов преобразуется в оптическое излучение, которое поглощается атомами активного вещества и переводит их в возбужденное состояние.

Необходимость использования в твердотельных лазерах оптической накачки предъявляет ряд требований к материалам активных элементов: наличие широких полос поглощения в области излучения источника накачки, отсутствие паразитного поглощения на частоте рабочего перехода и сохранение высоких оптических свойств в процессе работы. Весьма высокими оптическими и механическими характеристиками обладают некоторые кристаллические материалы – корунд (Al2O3), различные гранаты (Y3Al5O12 и др.),

атакже аморфные среды – силикатные, фосфатные и другие стекла. Однако у этих веществ нет нужного набора энергетических уровней, между которыми можно создать инверсию населенности, поэтому в чистом виде для создания лазерной генерации они не пригодны. Для применения таких веществ в качестве материалов активных элементов твердотельных лазеров требуется их активация – введение атомов примеси, между уровнями которых в дальнейшем и будут происходить рабочие оптические квантовые переходы. При этом диэлектрические материалы играют роль матрицы, в которую в процессе синтеза вводятся ионы элементов с недостроенными внутренними электрон-

ными оболочками, обычно из группы железа (Cr3+) или редкоземельных эле-

ментов (Nd3+, Er3+). Такие ионы называют активаторами, а твердый раствор атомов активатора в кристаллической или аморфной матрице – активным (активированным) диэлектриком. Несмотря на отсутствие рабочих лазерных переходов в атомах матрицы, она оказывает существенное влияние на физические свойства активного элемента, а наличие в ней внутрикристаллического поля приводит к значительному смещению и уширению энергетических состояний активатора.

В работе исследуются два материала активных элементов твердотельных лазеров: рубин (Cr3+ в матрице окиси алюминия Al2O3) и неодимовое

стекло (Nd3+ в стекле). Рубин изготавливается искусственно путем добавления оксида хрома Cr2O3 в корунд. Бесцветные кристаллы Al2O3 обладают высокими теплофизическими и механическими свойствами и прозрачны в оптической области от 0,17 до 6,5 мкм. При добавлении Cr2O3 цвет материала меняется от бледно-розового при низком легировании до вишневокрасного при концентрации хрома CCr ~ 1 %. В лазерах обычно используется рубин с CCr в пределах от 0,03 % до 0,05 %. Основные энергетические уровни хрома в рубине и схема работы лазера представлены на рис. 1.1.

E 4F1

4A2 E0

Рис. 1.1. Диаграмма энергетических уровней Cr3+ в Al2O3 и схема работы рубинового лазера

Для Cr3+:Al2O3 реализуется случай так называемого среднего кристаллического поля. При этом возмущающее действие поля кристаллической матрицы оказывается больше спин-орбитального взаимодействия электронов, что приводит к разрыву LS-связи. В результате энергетические уровни Cr3+ в решетке корунда существенно меняют свою конфигурацию по сравнению со свободными ионами и могут быть значительно уширены. Из рис. 1.1. видно, что лазер на рубине работает по трехуровневой схеме первого типа. Группы состояний, соответствующие уровням в схеме работы лазера, на рисунках обозначены полужирным шрифтом. Поглощение излучения накачки в рубине происходит в двух широких полосах U и Y с максимумами при 0,41 и 0,55 мкм, соответствующих оптическим переходам из основного состояния 4A2 в состояния 4F1 и 4F2 (E0→E2). После накачки происходит безызлуча-

тельная релаксация E2→E1 на уровни 2Е, с которых происходят вынужденные оптические переходы E1→E0 с генерацией излучения в линиях

R1 (694,3 нм) и R2 (692,9 нм).

Недостатками рубинового лазера являются низкий кпд и большие пороговые энергии накачки, обусловленные трехуровневой схемой работы. Более удачными в этом смысле оказались ионы редкоземельных элементов, в частности неодима Nd, которые позволяют осуществить работу по четырехуровневой схеме. На рис. 1.2. представлена упрощенная энергетическая диаграмма Nd3+ в стекле. Неоднородность окружения иона-активатора

ваморфной среде приводит к сильному уширению спектральных линий как

влюминесценции, так и в поглощении. Накачка неодиомового лазера проис-

ходит с помощью оптических переходов с уровня 4I9/2 (основное энергетическое состояние Е0) на вышележащие уровни F и Р (Е3). Излучение на длине

волны λ = 1,06 мкм происходит при переходах с 4F3/2 на 4I11/2 (Е2→Е1). Канал генерации полностью разделен с каналом накачки, и лазер работает по четырехуровневой схеме, что снижает пороговое значение энергии накачки.

Эффективность оптической накачки определяется шириной и спектральным положением полос поглощения ионов активатора. Исследование спектров поглощения дает возможность не только согласовать источник накачки с активным элементом твердотельного лазера, но и определить вероятности соответствующих переходов. Изучение спектра поглощения прово-

дят путем измерения оптического пропускания материала на заданной длине волны монохроматического излучения λ (частоте ω или энергии фотонов ħω).

Интенсивность поглощения зависит от многих параметров: вероятности переходов, концентрации активных центров, населенности нижних уровней энергии. Ослабление потока излучения частотой ω на расстоянии от z до z + dz за счет поглощения пропорционально величине потока Iω(z) и толщине dz:

телем поглощения и равен величине, обратной расстоянию, на котором интенсивность излучения уменьшается в e раз. Из (1.1) получим закон ослабления потока с расстоянием – закон Бугера–Ламберта:

где I0 – значение потока при z = 0.

E

Рис. 1.2. Упрощенная диаграмма энергетических уровней Nd3+ в стекле и схема работы неодимового лазера

Измеряемый коэффициент оптического пропускания Т равен отношению прошедшего через образец света Iпрош к падающему излучению Iпад:

Для образца толщиной d с учетом отражения от поверхностей получим

где Rω – коэффициент отражения на частоте ω.

В формуле (1.4) не учитывается многократное отражение и интерференция света, поэтому она является приближенной. В этом случае показатель поглощения можно определить из спектра пропускания по формуле

В отличие от коэффициента пропускания показатель поглощения kω на частоте ω не зависит от толщины образца и является характеристикой материала. Чтобы характеризовать способность вещества поглощать электромагнитное излучение в пределах контура заданной спектральной линии, ис-

пользуют величину, называемую интегральным показателем поглощения

Коэффициент К (1.6) связан с населенностью нижнего (N0) и верхнего (N2) рабочих энергетических уровней соотношением

где n – показатель преломления, c – скорость света, B02 и B20 – коэффициенты Эйнштейна для переходов с поглощением и испусканием фотона между уровнями E0 и E2.

Если уровень E0 является основным и интенсивность поглощаемого излучения не слишком велика, что выполняется в большинстве случаев, можно положить N2 << N0, и тогда N0 ≈ N, где N = N2 + N0 – полное число поглощающих центров в единице объема. При этих условиях равенство (1.7)

откуда следует, что показатель поглощения пропорционален концентрации поглощающих центров (закон Беера).

Поскольку поглощающими центрами в рубине являются ионы-акти- ваторы Cr3+, то эффективность поглощения будет пропорциональна концентрации хрома CCr. Это позволяет определить процентное содержание Сг2О3 в кристалле на основании измерения спектра поглощения по эмпирической формуле:

где k550 – показатель поглощения (см–1) на длине волны 550 нм, k680 – показатель поглощения в области 680 нм.

На длине волны 680 нм нет разрешенных переходов между уровнями Cr3+, поэтому можно положить k680 = 0. Тогда с учетом (1.4) формула (1.9)

где d – толщина образца (см); T680 и T550 – величины пропускания для соответствующих длин волн.

называемую интегральным поперечным сечением поглощения. Эта величи-

на имеет размерность площади (см2), что определяет ее физический смысл: атом как бы заменяется непрозрачной мишенью площадью χ. Чем больше размер этой мишени, тем больше вероятность того, что фотон поглотится этим атомом. В первом приближении она не зависит от концентрации актив-

имеющий такую же размерность и называемый эффективным поперечным

Интегральный и дифференциальные коэффициенты поглощения можно связать между собой с помощью величины, называемой форм-фактором спектральной линии или просто формой линии g(ω), которая характеризует распределение интенсивности поглощения по частоте в пределах данной линии. Форма линии пронормирована:

где ω0 – частота, соответствующая максимуму спектральной линии; Δω – полуширина линии – ширина спектральной линии на уровне 0,5 от максимума (0,5g(ω0)). Вид этой функции изображен на рис. 1.3.

Значение форм-фактора в максимуме спектральной линии

g(ω0 ) 2 .

πΔω

Интегральный показатель поглощения для такой линии может быть найден с использованием (1.6) и (1.15) из результатов измерения поглощения

в максимуме спектральной линии и ее

g(ω)

полуширины из соотношения

Зная коэффициент Эйнштейна В02, можно рассчитать коэффициент для переходов с уровня E2 на E0 с испусканием спонтанного излучения:

1.2. Описание установки

Для исследования оптического поглощения в работе используется универсальный спектрометр SPECOL-11, позволяющий проводить исследование пропускания, отражения, флуоресценции и ряда других процессов. Прибор оснащен микропроцессором для автоматизации измерений.

Оптическая схема установки изображена на рис. 1.4. Источником оптического излучения служит галогенная лампа 1, испускающая свет в широком диапазоне длин волн. Для получения монохроматического излучения используется решеточный монохроматор 2. Излучение из выходной щели монохроматора через набор сменных диафрагм 3, предназначенных для ограничения апертуры пучка, фокусируется линзой 4 через каретку для образцов 5 и фильтр 6 на один из сменных вакуумных фотоэлементов 7.

Рис. 1.4. Оптическая схема установки для измерения спектров пропускания

Каретка с образцами имеет два фиксированных положения: в одной позиции в пучок лучей вводится эталон (Э), в другой – исследуемый образец (О). В качестве эталона при измерении пропускания применяется окно в непрозрачном для света материале такой же площади, как и отверстие держателя образца. Таким образом, в положении «эталон» сигнал с нагрузки фотоэлемента пропорционален интенсивности падающего на образец света, а в

положении «образец» – интенсивности излучения, прошедшего через образец. Введение образца или эталона в пучок света осуществляется вручную горизонтальным перемещением каретки.

Спектральный диапазон работы прибора – 340...850 нм – обеспечивается двумя фотоэлементами, чувствительными в синей (340…620 нм) или в красной (620…850 нм) областях спектра. Включение фотоэлементов производится перемещением штока в направлении стрелок соответствующего цвета. Установка длины волны осуществляется вращением барабана длин волн, цена деления которого составляет 1 нм. Фильтры из цветного оптического стекла 6 служат для срезания нерабочих порядков дифракции дифракционной решетки монохроматора.

Электрическая часть прибора состоит из стабилизированного блока питания галогенной лампы, схемы питания фотоэлементов и автоматизированной схемы обработки сигналов с микропроцессором. Для повышения чувствительности спектрометра вместо фотоэлементов к прибору может быть подключен фотоэлектронный умножитель, питание которого осуществляется от дополнительного высоковольтного блока питания.

Вывод данных осуществляется четырехразрядным цифровым индикатором на передней панели справа. Под индикатором расположены две группы клавиш: «Режим измерения» (шесть кнопок слева) и «Ввод данных». Кнопки группы «Режим измерения» служат для выбора исследуемого параметра: «Т» – коэффициента пропускания, «Е» – экстинкции и т. д. Одновременно может быть измерен только один параметр. Для сигнализации о выбранном режиме служат светодиоды над соответствующей кнопкой. В лабораторной работе из этой группы клавиш используется только кнопка «Т».

Группа клавиш «Ввод данных» используется для ввода параметров обработки результатов измерений и других информационных сигналов для микропроцессора. Функции этих кнопок зависят от выбранного режима работы. В режиме «Т» нажатие кнопки «R» (опорный сигнал) вызывает автоматическое изменение коэффициента усиления до получения коэффициента пропускания 100 %, после чего на индикаторе появляется показание «100.0». Другие кнопки в работе использовать не нужно.

Слева под кареткой с образцом находится поворотная рукоятка, положения которой обозначены следующими символами: – включен фильтр для подавления рассеянного света в диапазоне 340...390 нм; – неослабленный пучок лучей; – ослабленный пучок лучей.

1.3. Проведение измерений

Включить SPECOL-11 нажатием кнопки «~». При этом должны замигать светодиоды над группой клавиш «Режим измерения» (слева от индикатора). Необходимо выбрать режим исследования пропускания Т, нажав кнопку «Т». После этого замигает светодиод над кнопкой «R» (под индикатором). Дать прибору прогреться в течение 5 минут для установления рабочего режима лампы накаливания, после чего можно приступить к измерениям.

Установить на каретку образец искусственного рубина. Образец следует устанавливать прозрачной стороной к себе. С помощью барабана длин волн установить 340 нм и включить фильтр рассеянного света, для чего перевести ручку слева внизу в верхнее положение . Включить фотоэлемент, чувствительный в коротковолновом диапазоне, вдвинув шток в направлении синей стрелки. В пучок лучей ввести эталон (пустую ячейку на каретки вдвинуть в установку). Нажать кнопку «R», после автоматического выравнивания опорного сигнала на индикаторе появится показание «100.0» (пропускание Т в процентах) и светодиод гаснет. Перемещением каретки в ход лучей поместить образец. Значение коэффициента пропускания образца в процентах на данной длине волны отобразится на индикаторе. Далее на барабане длин волн установить следующую длину волны излучения и повторить процедуру измерения. ВНИМАНИЕ! Выравнивание опорного сигнала (нажатие на кнопку «R») следует осуществлять на каждой измеряемой длине волны! При этом эталон должен быть помещен в ход лучей.

Измерение коэффициента пропускания рубина провести в интервале 340...700 нм через 5 нм. После 390 нм фильтр рассеянного света необходимо отключить, переведя ручку в среднее положение . Если во время измерения на индикаторе появляется надпись «OFL» (переполнение), то нужно включить диафрагму, переведя ручку в нижнее положение . На следующей длине волны измерения нужно по возможности снова проводить с открытой диафрагмой в среднем положении ручки. После 620 нм включить красный фотоэлемент, выдвинув шток.

Заменить образец рубина на стекло, активированное неодимом (также прозрачной стороной к себе). Фотоприемник опять переключить на синий фотоэлемент, задвинув шток. Фильтр рассеянного света включать не надо. Измерения провести в интервале 500...800 нм через 5 нм, а в области полос поглощения (когда пропускание опускается ниже 10%) – через 2 нм. После 620 нм опять включить красный фотоэлемент.