Редкоземельные элементы в кристаллической решетке

Кристаллическая решетка матрицы оказывает настолько слабое воздействие на уровни энергии ионов редкоземельных элементов, что эти уровни обычно обозначают так же, как и соответствующие уровни свободных электронов. Переходы, которые могут приводить к вынужденному испусканию, происходят между состояниями 3 d (n=3, l =2) и 4 f - оболочки (n=4, l =3). Электроны в этих состояниях сильно экранированы от кристаллического поля двумя 5 s -электронами и шестью 5 p- электронами. Поэтому их энергия практически не зависит от типа матрицы. Эти переходы удовлетворяют требованию о малой ширине линии Dw спектральной линии, и, как правило, происходят спонтанно или вынужденным путём. Редкоземельные элементы имеют широкие полосы поглощения на переходах 4 f ¾ 3 d, с помощью которых можно возбуждать эти вещества. Нижние лазерные состояния индуцированных переходов лежат достаточно высоко в 4 f -оболочке, т.е. из этих веществ можно получить четырёхуровневый лазер, который будет требовать небольшой мощности накачки и сможет работать в непрерывном режиме. Рассмотрим CaWO₄: Nd³⁺. Его энергетические уровни показаны на рис.6.

Рис. 6 - Диаграмма энергетических уровней иона неодима в CaWO₄

Инфракрасная флуоресценция возникает на переходе с уровня ⁴F_3/2 на различные уровни основного мультиплета ⁴I. При этом раньше всего приводит к лазерному эффекту флуоресценция на длине волны l=1,065 мкм, соответствующая переходу ⁴F_3/2 → ⁴I_11/2. Нижнее лазерное состояние ⁴I_11/2 этого перехода выше основного состояния на DЕ=0,025 эВ. Даже при комнатной температуре кристалл CaWO₄, активированный неодимом, является четырёхуровневым лазером. Ширина линии испускания составляет для него D f = 2_*10¹¹ Гц, среднее время жизни возбужденного состояния t₁₂ = 10^-4 с. Если считать, что в лазере длиной 3 см теряется ок. 5% мощности за один пробег волны, то, следовательно, a = 0,008 см^-1 и инверсия населённости согласно (23)

Dn=(aDw/πc²)· w₁₂²t₁₂² = 23·10¹⁴ см ^-3

Для возбуждения лазер накачивается при сильном поглощении в полосе l₀₃=0,57… 0,60 мкм с помощью ртутной лампы, пороговая мощность накачки составляет P _f / V = 4 Вт/см³. В этом случае непрерывный режим генерации оказывается возможным даже при нормальных условиях, с помощью описанного лазера при водяном охлаждении удалось добиться выходной мощности около 0,5 Вт.

Дата добавления: 2014-12-23