Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
В начале каждой части кратко рассмотрены те физические явления, которые лежат в основе применения данной группы кристаллов. Автор не ставит целью дать достаточно полное описание этих явлений, отсылая читателя для детального изучения к специальной литературе. Здесь же физика явлений рассматривается лишь в той мере, которая необходима для понимания требований, предъявляемых к кристаллам, используемым в данной области, и для того, чтобы материаловед мог рассматривать специальные свойства кристаллов, не обращаясь к дополнительной литературе.
Перечень описываемых кристаллов определялся главным образом широтой их практического применения. Однако в некоторых случаях рассмотрены материалы, которые пока не нашли широкого применения, но являются перспективными для важных областей. Так, представлены некоторые щелочно-галоидные кристаллы для лазеров
8
с перестраиваемой частотой или кристаллы фторидов для генерации света в УФ-диапазоне спектра.
Основное внимание обращено на материаловедческие вопросы, касающиеся тех или иных кристаллов. Некоторым из них с учетом их важности уделено значительное внимание (например, проблемам дополнительной окраски в лазерных кристаллах или стабильности и однородности кристаллов ниобата лития). Для различных кристаллов уровень рассмотрения этих вопросов различен. Это зависит как от их важности для тех или иных кристаллов, так и от степени изученности вопроса. Автор стремился к тому, чтобы при описании кристалла давались сведения о его структуре, дефектах структуры, свойствах, их взаимосвязи, особенностях получения и применения кристаллов. Книга не ставит своей задачей детальное описание методов и технологии выращивания монокристаллов, так как эти вопросы должны быть предметом специального рассмотрения. К вопросам, касающимся роста кристаллов, автор обращается в тех случаях, когда они слабо освещены в литературе или когда это необходимо для понимания особенностей структуры и свойств кристаллов. Книга содержит ряд таблиц свойств кристаллов, что может сделать ее более полезной для студентов, аспирантов и практических работников, занимающихся получением и применением кристаллов.
Книга написана на основе лекционных курсов, прочитанных автором в Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) для студентов специальности «Материалы и компоненты твердотельной электроники» (200100) и по программе «Кристаллы для оптики и акустики» направления «Техническая физика» (553000).
Автор благодарен член-корр. РАН Х.С.Багдасарову, коллективу кафедры «Полупроводников и диэлектриков» МЭИ во главе с проф.
A.М.Гуляевым, проф. Р.Х.Акчурину за рецензирование рукописи и -полезные замечания, которые были учтены в работе над книгой. Автор благодарит своих коллег - преподавателей и сотрудников кафедры физики кристаллов МИСиС В.В.Антипова, В.П.Вырелкина,
B.В.Гераськина, Н.С.Козлову, О.М.Кутаенко, Е.В.Макаревскую,
О.Г.Портнова, К.М.Розина, Н.Г.Сорокина. Совместная работа с ними дала ряд результатов, использованных в книге.
9
Часть I ЛАЗЕРНЫЕ КРИСТАЛЛЫ
Квантовая электроника используется практически во всех отраслях науки и хозяйства - от оборонной промышленности до медицины и сельского хозяйства. Во многих областях (дальнометрия, силовое воздействие на материалы, медицина и др.) большую роль играют твердотельные лазеры на основе ионных кристаллов. Отличительными чертами таких лазеров являются компактность и относительно высокая мощность при высоком качестве излучения (когерентность, направленность, модовый состав). Квантовая электроника позволяет решать задачи усиления слабых сигналов, передачи и обработки информации. Базой для развития твердотельной квантовой электроники является производство лазерных монокристаллов. В последние три десятилетия исследованию физических свойств и технологии получения лазерных кристаллов посвящено большое число работ, в результате чего развита промышленность лазерных монокристаллов. Основными лазерными кристаллами в настоящее время, как и 20 лет назад, являются кристаллы на основе соединений АЬОз - Y2O3. Наряду с этими кристаллами исследованы сложные гранаты и развита технология их производства, получены кристаллы, позволяющие создавать лазеры с перестраиваемой частотой. Рассматривается возможность использования в качестве лазерных матриц кристаллов-фторидов.
Физике и технологии лазерных монокристаллов посвящено множество работ, однако многие монографии по квантовой электронике не содержат сведений о структуре, свойствах и особенностях получения лазерных кристаллов. В предлагаемом пособии делается попытка рассмотреть физические свойства и особенности получения основных и некоторых перспективных лазерных кристаллов.
Глава 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИСТАЛЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1. ПОГЛОЩЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ СВЕТА
Характеристики ионных кристаллов и кристаллических элементов, используемых для создания квантовых генераторов определяются оптическими свойствами кристаллов и особенностями генерации све-
10
та. Для того чтобы ввести некоторые наиболее важные характеристики, следует рассмотреть распространение света в среде с учетом взаимодействия фотонов и квантовых осцилляторов. Пусть в среде, именуемой в дальнейшем «активной средой» или «рабочим телом», содержатся квантовые осцилляторы, которые могут находиться на энергетических уровнях Е\ и Ег. Переход между этими уровнями сопровождается излучением или поглощением кванта света hv - Е\ Ег. При равновесии каждая часть объема излучает и поглощает в единицу времени одинаковое число фотонов. На этом основании Эйнштейн ввел соотношение
