Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
Д = Д l„nd, (1.51)
где nd - показатель преломления поверхностных областей элемента, близкий к показателю преломления холодного кристалла.
Эту же величину А можно определить из (1.47)
(L52>
Здесь Дл, - эффективная величина изменения показателя преломления, которая обеспечивает такое же изменение оптической длины при постоянстве размеров элемента, какое наблюдается при изменении размеров Дld и постоянстве показателя преломления. Величину Дл, можно определить, приравнивая (1.51) и (1.52)
Pd2 d I
Суммарное изменение показателя преломления
р
Ди = Ди. + Ди, = — V
d п n<i d /
\
2>.т d Т 2kTld d Т
(1.54)
26
и фокусное расстояние термической линзы определяется как
(1.55)
г‘>м,-?
ld d п | nd d I 2ХТ d Т 2кт d Т
Вклад в оптическую силу тепловой линзы температурной зависимости показателя преломления, например, в игтрий-алюминиевом гранате более чем в 10 раз превосходит вклад термического расширения [4]. Поэтому важнейшей характеристикой кристалла, определяющей термически стимулированную оптическую неоднородность
его, является величина термооптического коэффициента .
Градиент температур в кристаллическом элементе приводит к термоупругим напряжениям. Выражения для осевых и радиальных напряжений в цилиндрическом элементе приведены в [4]. При высоких термических напряжениях кристаллический элемент может разрушаться. Если известно напряжение хрупкого разрушения кристалла при механическом воздействии аР, то для характеристики сопротивляемости кристалла разрушению при термическом воздействии ст, можно использовать выражение
g-=gP аЕ ' С-56)
где кт - теплопроводность;
Е - модуль Юнга;
ос - коэффициент термического расширения;
v - коэффициент Пуассона.
По данным работы [4], в цилиндрическом лазерном элементе радиальные напряжения являются напряжениями сжатия. Напряжения растяжения возникают в осевом направлении. Хрупкое разрушение происходит под действием напряжения растяжения. Следовательно, для оценки величины ар следует использовать напряжения хрупкого разрушения в осевом направлении.
1.7. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К КРИСТАЛЛАМ
Требования, предъявляемые к кристаллам, которые используются как активные лазерные среды, вытекают из условий работы этих кристаллов и особенностей технологии изготовления лазерных элементов.
1. Лазерный кристалл должен содержать ионы-активаторы, обладающие необходимой для генерации света системой энергетических уровней. Ионы-акгиваторы могут входить в кристалл в качестве ос-
27
новных компонентов, как, например, в кристаллах (Y, Ег)зАЬ012, KNdP40u и NdAb[B03]4, или в качестве ионов замещения. Концентрация ионов замещения может быть очень большой, если происходит замещение ионов, близких по своим характеристикам, так что ион-активатор имеет неограниченную растворимость. Так, например, происходит при взаимном замещении ионов редких земель в [La!_xNd4x]Ga5Si04, где величина х может меняться от 0 до 1.
В ионных кристаллах предел растворимости в основном определяется двумя факторами: соотношением зарядов и ионных радиусов иона-активатора и замещаемого им иона или размера позиции, в которой размещается ион-активатор. Растворимость гетеровалентных примесей в ионных кристаллах невелика и обычно не превосходит нескольких десятых долей процента. Изовалентные примеси могут иметь заметную растворимость (до нескольких процентов), если относительная разница размеров не превосходит 10___15 %.
Если при введении примеси-активатора происходит замещение ионов, существенно отличающихся по химическим свойствам, то концентрация ионов-активаторов лимитируется пределом растворимости и может быть относительно небольшой. Например, концентрация Nd в алюмо-иттриевом гранате не превосходит 1,1 % (ат.). Концентрация примеси-активатора обычно ниже предела растворимости, так как при приближении к пределу растворимости начинают сказываться парные взаимодействия между ионами-активаторами, что приводит к смещению и уширению линий люминесценции и полос поглощения. Так, при увеличении концентрации Сг в рубине от
0,3 до 8 % (ат.) кристалл меняет окраску от бледно-розовой до гряз-но-зеленой и теряет свои генерационные свойства.
Вхождение примеси-активатора в кристалл не должно сопровождаться сильными искажениями его спектральных характеристик под влиянием поля матричного кристалла. Это особенно важно для ионов, оптические переходы которых формируются с участием кристаллического поля, как это происходит для переходных металлов. В этом случае искажение кристаллического поля присутствием дефектов структуры и полей упругих напряжений приводит к расщеплению и размытию энергетических уровней. В результате существенно возрастают требования к качеству кристалла, совершенству его структуры. Если оптические переходы происходят между уровнями, образованными самими ионами-активаторами, экранированными от воздействия кристаллического поля, как в ионах редких земель, то воздействие кристаллического поля и его искажений не столь велико, однако и в этом случае дефектность кристалла может приводить к заметному уширению линии люминесценции иона-активатора. Особенно сильно влияет на спектральные характеристики ионов-акти-ваторов присутствие локальных нескомпенсированных зарядов, по-
