Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
101
Ким,с»-'
1
10'1 ш*
ю-1 1 ю
центрация которых пропорциональна концентрации Ti3+, входят и сами ионы Ti3+, т.е. поглощение в ближней ИК-области определяется парами Ti3+ - Ti4+. Любая из моделей центров ИК-поглощения, включающая Ti4+, объясняет тот факт, что восстановительный отжиг снижает отношение Ккк1Кш и улучшает характеристики лазерного кристалла АЬОз: Ti. Перевод ионов Ti4+ в состояние Ti3+ возможен с помощью специальных технологических приемов (см. 2.1.3).
4.3. ЦЕНТРЫ ОКРАСКИ - АКТИВАТОРЫ
ЛАЗЕРНЫХ КРИСТАЛЛОВ
Выше были рассмотрены ионы-активаторы и кристаллические матрицы, в которых благодаря электронно-колебательному взаимодействию создается возможность перестройки частоты лазерного излучения. Область перестройки частот зависит от того, насколько сильно электронно-колебательное взаимодействие, т.е. насколько сильно взаимодействие оптического центра с кристаллическим полем. Это взаимодействие мало для ионов редких земель, но оказывается достаточно сильным для ионов переходных металлов (Ti, Сг), валентные орбитали которых слабо экранированы от влияния кристаллического поля. Но есть оптические центры, энергетические уровни которых формируются непосредственно кристаллическим полем, - это оптические центры, образующиеся с участием собственных дефектов кристаллической решетки. Такие оптические центры обычно объединяются под общим наименованием - «центры окраски». Они существуют во многих кристаллах, включая кристаллы с ионными и ковалентными связями. Наиболее изучены центры окраски щелочногалоидных кристаллов (ЩГК).
Именно для этих кристаллов были созданы теории центров [11,
12] и разработаны их структурные модели [13 - 15]. На этих же кристаллах были получены реально работающие перестраиваемые лазеры, в которых центры окраски использовались как активаторы [16 -18]. Первый такой лазер был создан на {Fa(II)}-центрах в кристаллах КС1 : Li [19]. Перестраиваемые лазеры, создаваемые на различных ЩГК, позволяют перекрыть огромный диапазон частот от 0,9 до 4 iU |{м (рис. 4.5), хотя диапазон частот, перекрываемый реально действующими лазерами, несколько меньше (от 1,3 до 3,5^1).
Поскольку эти лазеры работают в ИК-диапазоне длин волн, для их накачки могут использоваться другие лазеры, в частности ИАГ: Nd. Лазеры на центрах окраски (ЛЦО) на щелочногалоидных кристаллах особенно эффективны для генерации коротких (пикосекундных) импульсов в режиме генерации добротности. ЛЦО дополняют возможности лазеров на жидких красителях, так как диапазон перестройки ЛЦО начинается в области длин волн, в которой работоспо-
102
1,в 2,2 2,6 3,0 J,4 3,в <\2
Длина волны генерации, мкм
Рис. 4.5. Области перестройки частоты для различных кристаллических матриц с центрами окраски. Выделенные кривые относятся к практически применяемым матрицам, в которых получены стабильные центры [18]
собность лазеров на красителях ослабевает. В то же время ЛЦО обладают рядом существенных недостатков. Во-первых, свойства ЩГК (табл. 4.1) далеки от тех требований, которые сформулированы в п. 1.7; во-вторых, существует проблема стабильности центров окраски: они разрушаются при повышении температуры и под действием света. Многие центры окраски разрушаются уже при температурах, превышающих температуру жидкого азота. Поэтому для обеспечения работоспособности ЛЦО важнейшей является проблема повышения стабильности центров окраски, для решения которой необходимо знание их структуры и свойств.
Для создания ЛЦО служат в основном электронные центры окраски, основой которых являются вакансии анионов - ловушки для электронов. Простейший такой центр - вакансия аниона, захватив-
103
1
Таблица 4.1. Свойства некоторых щелочногалондных кристаллов
Кри- сталл Плот- ность прн 20 °C, г/см5 Постоянная решетки, A Раство ри- мостъ, r/100r воды Темпе- ратура плав- ления, °С Упругие модули, 1010 Н/м2 Диэлек- триче- ская прони- цаемость Коэффициент преломления при 20 °С, 656 нм Энергия решетки, Эв/пара ионов
Си С44 С,2
LiF 2,601 4,0279 0,27 870 11,12 6,28 4,20 9,00 1,3918 10,53
NaF 2,79 4,628 4,22 980 9,09 1,27 2,64 6,00 1,288 9,46
NaCl 2,165 5,65013 36 801 4,87 1,26 1,24 5,90 1,5405 7,93
Nal 3,655 6,4728 64,1 663 3,04 0,72 0,90 2,91 1,790 7,07
KC1 1,984 6,2910 34,7 776 3,98 0,625 0,62 4,68 1,4870 7,23
KBr 2,75 6,599 53,48 730 3,46 0,505 0,58 4,90 1,5551 6,94
KJ 3,13 7,066 130 723 2,67 0,421 0,43 4,94 1,6581 6,55
CsCl 3,988 4,1200 186 638 3,64 0,80 0,92 7,20 1,638 6,55
CsBr 4,44 4,296 124,3 636 3,10 0,903 0,75 6,50 1,6658 6,31
CsJ 4,510 4,5667 50 621 2,43 0,636 0,63 5,70 1,7792 5,98
шая электрон, получил название F-центр (от начальной буквы слова «Farbenzenter»). Для объяснения оптических свойств F-центров можно использовать простую модель электрона, движущегося в кулонов-ском поле катионов, окружающих анионную вакансию. Это поле создает потенциал, похожий на потенциальный ящик атома водорода [20]. Волновые функции электрона в F-центре могут быть получены решением уравнения движения электрона
{(-М7т,)Ф + Р}у = Е,пЧ,, (4.1)
где v}/ - волновая функция;
