Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
58 Се 2Fil2 5d 2Fb,i 0,286. ..0,328 _ 1,14
59 Рг 3#4 3Po -> 3Я5 0,4892 14 -
3Po -> 3Я6 0,5298 35 -
lPo -» 3ft 0,6452 300 -
60 Nd Aha «ft/2 -> «/9/2 0,866...0,947 300 1,2
*Fsa -* «/11/2 1,051...1,105 300 -
*Fja -> «/ij/2 1,318...1,433 300 -
*Fii -> «/IS/2 1,703...2,140 300 -
61 Pm - - - - 1,11
62 Sm •Hil2 6Do -»«ft 2,70 20 1,09
63 Eu 7Л sDo -* 7Я 0,6192 - 1,07
64 Gd sSia _ - - 1,08
65 Tb >D, -> 7ft 0,544 - 1,04
66 Dy 6HIS 5/7 -> 5/8 2,3586 20 1,03
67 Ho 4t ih -* ih 2,0975 77 1,00
68 Er «/is *Sia -* «/un 0,843...0,863 77 0,99
*Sya~* «/u/2 1,231...1,26 - -
«/un -* «/15/2 1,6452 - -
69 Tu Wi -> 3tfs 2,27...2,35 77 0,99
70 Yb V7/2 - - - 0,98
47
ею3,сн'1
Рис. 2.11. Уровни энергии трехвалентных нонов редких земель
не зависит от кристаллического поля. Поэтому длина волны излучения редкоземельного иона является характеристикой иона и почти не зависит от вида кристалла, в котором находится редкоземельный ион. Некоторые характеристики этих ионов, в частности спектральный диапазон их излучения, приведены в табл. 2.3, а схемы энергетических уровней на рис. 2.11.
Получено несколько десятков излучательных переходов между уровнями редкоземельных ионов в диапазоне 0,3...3,9 мкм. Наиболее благоприятной для применения оказалась система уровней иона Nd3+, которая образуется верхним состоянием 4F (спин S =3 /2 и орбитальный момент L = 3) и нижним Ч (спин S = 3/2 и орбитальный момент L = 6). Спин-орбитальное взаимодействие расщепляет эти состояния на системы 4Fn Ч уровней, отличающихся квантовым числом J (рис. 2.12) и образующих уровни мультиплетов свободного иона.
Под действием кристаллического поля (его влияние относительно слабо) каждый из этих уровней испытывает штарковское расщепление на 2J + 1 подуровней. Расстояние между подуровнями составляет (10...100) см4. Из-за малости расщепления подуровни группируются вблизи энергий мультиплетов свободного иона. Правила отбора по четности запрещают оптические переходы между энергетическими уровнями одной электронной оболочки, поэтому вероятность спон-
48
тайных оптических перехо- ? см kFm
дов между уровнями мала, а время жизни на уровне велико. Это означает, что мала вероятность спонтанных оптических переходов между уровнями 4F и 4/.
Расстояния между ^-уровнями невелики, поэтому велика вероятность безыз-лучательных переходов, между этими уровнями (время жизни 10-6 с), и ионы неодима, возбуждаясь Рис 2 12 Схема
энергетических уровней Nd3+ в
излучением накачки В ЛЮ- кристаллах ИАГ бое из ^-состояний, быстро оказываются в нижнем из них 4Fm, расщепленном на два подуровня Ri 11423 иЯз- 11507 см1.
Переходы с уровня 4Fm вниз на мультиплетные уровни 41т -> 4/i5/2 тоже запрещены, а безызлучательные переходы маловероятны еще и из-за большого расстояния между этими уровнями и необходимости многофононных процессов. Поэтому время жизни на уровне 4Fm, определяемое безызлучательными переходами, велико и составляет (1...3) 10'2 с. Так как излучательные переходы 4F ->¦ 4/ запрещены, время жизни, определяемое излучательными переходами, тоже достаточно велико (10^ с) и этот уровень оказывается метастабильным. Однако вероятность излучательных переходов с уровня 4Fm на уровни 4/ оказьшается все же значительно большей, чем безызлучатель-ных, и эти переходы могут быть использованы как рабочие для получения генерации света по четырехуровневой схеме при излучательном переходе на один из уровней 4/15/2 - 4/иди безызлучательной релаксации на уровень 4/ш (см. рис. 2.12). Максимальным сечением захвата (7,1 ¦ 1019 см2) обладают переходы с дублета 4Fm (11507 и 11423 см1) на мультиплет 41\\ц. Этот переход и используется для генерации света в кристаллах ИАГ и ИАП с неодимом. Оптические свойства неодима и характеристики переходов этого иона подробно рассмотрены во многих работах (например, [15,19]).
Переходы 4F 4/ позволяют осуществлять лазерную генерацию в ближнем ИК диапазоне, а оптимальное расстояние (2000 см ') между метастабильным 41\т и стабильным 4ha состояниями обеспечивает, с одной стороны, высокую эффективность безызлучательных переходов с мета стабильного уровня на стабильный, а с другой - эти уровни не перекрываются из-за температурного уширения до относительно высоких температур, что обеспечивает работу неодимовых лазеров
49
при комнатной и даже несколько более высоких температурах. Кроме неодима в качестве активаторов твердотельных лазеров достаточно широко используются ионы Er3+, Ти3+, Но3+, генерирующие свет в ИК области от 1,5 до 3 мкм.
Особенности вхождения примеси неодима в кристаллы подробно рассмотрены в ряде статей и обзоров [16 - 18]. Неодим входит в ИАГ и в алюминат иттрия, замещая ион иттрия. При легировании неодимом кристаллов ИАГ наблюдаются осевая и зонарная неоднородность. Осевой градиент концентрации этой примеси при выращивании ИАГ: Nd из расплава обусловлен обогащением расплава в процессе роста кристалла. При обычной скорости вытягивания кристалла ИАГ (0,9... 1,0 мм/ч) эффективный коэффициент распределения неодима К-,ф = 0,2. Столь невысокий коэффициент распределения определяется тем, что в кислородном октаэдре ионный радиус Nd3+ равен 0,112 нм [19], что превосходит ионный радиус иттрия (R{Y3+} = = 0,102 нм), приводит к искажению решетки и ограничивает растворимость неодима в ИАГ.
