2. ЛАЗЕРНЫЕ АКТИВНЫЕ СРЕДЫ 2.1. Твердые тела

2.1.1. Диэлектрические кристаллы и стекла

Диэлектрические кристаллы и стекла используются в качестве активных сред в так называемых твердотельных лазерах. Возбуждаемыми частицами, в которых и создается инверсная населенность энергетических уровней, являются ионы примеси в твердотельной м.атрице. Примесными ионами могут быть ионы переходных металлов (марганец, хром, никель, кобольт) или -редкоземельных элементов. Эти вещества имеют незаполненные внутренние оболочки при наличии электронов на внешней. На ионы примесей действует сильное электрическое поле кристаллической решетки матрицы, что приводит к уширению спектральных линий возбуждаемых частиц. Это, в свою очередь, облегчает получение инверсной населенности.

В качестве матриц твердотельных активных сред используются такие кристаллические и аморфные материалы, как корунд (АЬОз), иттрий - алюминиевый гранат (Y3AI5O12), стекло.

Лазерная генерация впервые была осуществлена на рубине- окиси алюминия с примесью ионов хрома (AI2O3: :СгЗ+), концентрация которых составляет 0,05%, или \0 ионов в м. Тем не менее, именно с введением атомов Сг кристалл принимает характерный для рубина красный цвет. В кристалле на атомы Сг действует сильное электрическое поле, создаваемое атомами О и А1, вклад которых ничтожно мал, так как мала их концентрация. Поэтому взаимодействие атомов Сг друг с другом очень слабо. Их энергетический спектр соответствует спектру свободного атома Сг, помещенного в сильное электрическое поле кристалла, расщепляющее уровни атома. Из структуры уровней Сг в рубине (рис. 13) видно, что имеется основное состояние 81 и два возбужденных состояния 82а И s.,g. Переходы между ними и уровнем 61 и используются для генерации света. Наряду с узкими уровнями еь его и se имеются две сравнительно широкие полосы энергии ез и 84. Длина волны излучения, соответствующая переходам между уровнями ег и 61 ( - 0,69 мкм),- почти на красной границе видимого диапазона. Если атом Сг возбудить, переведя его из основного со-

стояния в полосу ез или е, то за очень короткое время ( - 10" с) он перейдет на один из уровней 62- При этом атом не излучает. Его энергия тратится на возбуждение ко-тебаний кристаллической решетки рубина. Возможность воз-прапдения атома из полос ез и 64 снова на уровень ei (зеленый и голубой фотоны) хотя и существует, но скорость этого

А,= 0.695 ,км

Рйс. 13. Схема энергетических уровней Сг+ в рубине

процесса пренебрежимо мала по сравнению со скоростью перехода атомов на уровни 62. На уровнях 62 атом «живет» 10"-* с, что по атомным масштабам является большим временем. Такие долгоживущие уровни энергии называются мета-стабильными.

Большое время жизни возбужденной частицы позволяет накапливать атомы на уровнях 82, и, если достаточно быстро переводить атомы с уровня ei в полосы ез и 84, то на уровни

можно перевести более половины атомов. В таком случае уровни 82 окажутся более населенными, чем уровень 81, т. с. возникает инверсия населенности по отношению к переходам 2-81. Такая схема энергетических уровней носит название трехуровневой. Важной характеристикой схемы энергетических уровней активных частиц в лазерной среде является квантовый КПД системы, который определяется как отношение энергии, выделяющейся при лазерном переходе (с верхнего лазерного уровня на нижний), к энергии, которую необходимо подвести к активной частице для того, чтобы она

оказалась на верхнем лазерном уровне. Для трехуровневой схемы иона Сг в рубине квантовый КПД % можно рассчитать следующим образом:

!2

.0,7.

Это довольно высокая величина, что характерно для трехуровневой схемы генерации лазера. Существенным недостатком трехуровневой схемы создания инверсии населенностей является необходимость возбуждения большого числа активных частиц (N2>Ni). Это условие налагает серьезные требования на скорость возбуждения, а следовательно, и мощность энергии накачки. Типичные размеры кристаллов из рубина составляют 5... 10 мм в диаметре до 350 мм в длину и ограничены технологическими трудностями выращивания заготовок. Некоторые физические свойства рубина приведены табл. 2.1. Таблица 2.1

Для стекол приведены температуры точки размягчения.

Энергетические уровни иона неодима Nd*+ образуют в оптическом диапазоне четырехуровневую квантовую систему, очень удобную для получения инверсии населенностей (рис. 14). Квантовый КПД четырехуровневой схемы несколько ниже, чем у трехуровневой и для нона Nd+ составляет -50%.

В процессе накачки возбужденные частицы переводятся на энергетические уровни 84, характеризующиеся широкой спектральной полосой с очень коротким временем жизни ~ 10-" ... 10- с. Поэтому в результате быстрых безызлуча-тельных переходов возбуждение с этих уровней передается на метастабильный уровень ез, время жизни которого составляет в зависимости от вида матрицы IQ-*... 10" с. С уровня 83 частицы переходят также на достаточно узкий нижний лазерный уровень 82, который, в отличие от рубина, находится несколько выше основного состояния. Из-за малого времени жизни этого уровня (--10- с) и его низкой равновесной заселенности инверсия в данной схеме возникает при сравнительно низких уровнях возбуждения (~1 Дж/см), и таким образом четырехуровневая схема энергетического обмена в

Л = 1.06 MXh

Рис. 14. Схема энергетических уровней иона Nd+

ионах Nd+ позволяет устранить один из наиболее серьезных недостатков рубиновых лазеров. Кроме того, содержание примесей неодима в твердотельных матрицах может быть на порядок большим, чем концентрации ионов хрома в рубине, что также заметно улучшает энергетические характеристики лазеров на их основе. В качестве матриц наибольшее распространение получили иттрий-алюминиевый гранат (ИАГ) i стекло.

Достоинством активной среды на ИАГ: Nd является, наряду с низким порогом генерации, высокая теплопроводность кристаллов, что позволяет реализовывать генерацию при большой частоте повторения импульсов и в непрерывном режиме. Как и рубин, иттрий-алюминиевый гранат с неодимом представляет искусственно выращиваемый кристалл, поэтому размеры активных элементов из него также сравнительно невелики и составляют до 5-10 мм диаметром и до 150 мм длиной. Характеристики этого материала приведены в табл. 2,1. Большинство стекол, применяемых в качестве активных элементов лазеров, представляют собой неорганические пластичные аморфные материалы на силикатной основе. В последнее время появились несколько типов перспективных фосфатных стекол. В качестве активного поля в них используется тот же трехвалентный ион Nd+, что и в ИАГ: Nd, поэтому схема уровней, показанная на рис. 14, в общем , не изменяется. Структурные, оптические и технологические особенности стекла обуславливают следующие его преимущества перед кристаллическими элементами: многосерпйность чроизводства, малая стоимость из-за дешевизны сырья; про-"тота изготовления активных элементов больших размеров ч любой формы; высокая оптическая однородность элементов; возможность введения активного иона в больших концентрациях.

Малая теплопроводность - основной недостаток стекла (табл. 2.1) - препятствует получению высокой частоты повторения лазерных импульсов.

Твердотельные активные среды нашли широкое применение в лазерной технике. Высокие плотности рабочего тела позволяют создавать компактные мощные источники монохроматического света. Поскольку активная среда таких ла-.зеров - диэлектрик, единственно возможным методом накачки является оптическая накачка. Поэтому для эффективного использования твердотельных активных сред необходимо обеспечить соответствие спектральных характеристик среды и источников освещения.

* 2.1.2. Полупроводники

Полупроводники как рабочее вещество для лазеров привлекли к себе внимание, во-первых, возможностью создания лазеров в широком диапазоне длин волн - от далекой инф-

иакрасной области до ультрафиолетового диапазона, во-вторых, возможностью достижения очень высокого КПД гене-iiaTopoB света, близкого к 100%. Обе эти возможности свя-мпы с особенностями энергетического спектра в полупроводниках.

В отличие от отдельных атомов и молекул, полупроводни-овые кристаллы обладают не узкими энергетическими уров-;ями, а широкими полосами (зонами) разрешенных энерге-тческих состояний. Разрешенные зоны отделены одна от фугой запрещенными зонами (рис. 15). Электроны в кри-галле не могут обладать каким-либо значением энергии, лежащим в пределах запрещенной зоны. В диэлектриках и по-упроводниках на верхнюю энергетическую зону кристалла - ;ону проводимости - электронов не хватает - она пуста. Зо-ч;) проводимости отдсляется запрещенной зоной от последней :1полненной (или почти заполненной) электронами зоны, иа-;ь1ваемой валентной. Ширина запрещенной зоны Ае - очень

iona

----z=. прободииоити

Валентное зоно

нс. 15. Энергетический спектр полупроводникового кристалла

важная характеристика полупроводника, поскольку она определяет его электропроводность и оптическую прозрачность. Электроны, которые переходят из валентной в зону проводимости, могут играть роль носителей заряда и называются лектронами проводимости. При перескоке электрона в зону проводимости в валентной зоне остается пустое место - !ырка. которая ведет себя как положительная частица п, тедовательно, тоже является носителем электрического за-яда. Перескок электронов из валентной в зону проводимо-ти и образование электронно-дырочных пар могут происходить при нагреве под действием электромагнитных полей, а также при взаимодействии с квантами света. Одновременно