L_23_2

Лазеры на центрах окраски
Активная среда - ионные диэлектрические кристаллы, прозрачные в
видимой области спектра
щелочно-галлоидные кристаллы LiF, KCl, NaCl
Типы
щелочно-земельные кристаллы (фториды) CaF2, BaF2
кристаллов
корунд Al2O3
Создание дефектов в кристаллах приводит к появлению в запрещенной
зоне определенных полос поглощения
F-центр - точечный дефект в том смысле, что нарушения кристаллической
структуры, вызванные им, сравнимы с межатомными расстояниями
кристаллической структуры
В равновесных условиях концентрация F-центров определяется выражением:
n  N exp( E / kT )
N – полная концентрация вещества
E – энергия, необходимая для образования центра окраски
Поскольку величины E составляют порядка 1 эВ, концентрация центров
окраски не превышает 10-4 относительные единиц
Лазеры на центрах окраски
При образовании центров окраски электронейтральность кристалла
сохраняется - дефекты кристаллической структуры всегда образуются
парами
Типы дефектов
Дефект Френкеля - пару образуют
вакансия и соответствующий
ей ион, находящийся в
междоузелье решетки
Дефект Шоттки - пару образуют
две вакансии противоположного
знака
Спектр центров окраски, как правило, сдвинут в более длинноволновую
область и попадает в ближний ИК диапазон. Ширина спектров поглощения
и люминесценции центров окраски велика – тысячи и даже десятки тысяч
обратных сантиметров


Наилучшие результаты достигаются при использовании F2 , F2  FА- и
FВ-центров, поскольку именно такие структуры отличаются наилучшей
термической и оптической стабильностью
Лазеры на центрах окраски
Способы создания F-центров
радиационный - кристалл облучается одним из видов излучения:
УФ излучением, рентгеновским или гамма-излучением
аддитивный - кристалл прогревается в парах щелочного металла
электронно-лучевой – облучение кристалла электронами высокой
энергии
Основной недостаток радиационного способа - низкая термическая и
оптическая стабильность кристаллов
При аддитивном способе полученные кристаллы более устойчивы к нагреву
и оптическому облучению
Концентрации создаваемых различными способами центров окраски могут
достигать больших величин – 1017-1018 см-3
Другие пособы фотохимической и термической обработки позволяют
получать F-центры нужного типа
Лазеры на центрах окраски
F-центр
В кристалле каким-либо образом удаляется анион из узла кристаллической
решетки. Тогда в этом узле возникает точечная анионная вакансия.
Если вблизи этой вакансии оказывается свободный электрон, то он может
занять место удаленного иона и локализоваться на месте электрическим
полем решетки
FA-центр
Получается из F-центра при замене одного из ближайших к электрону
положительных ионов положительным ионом другого вещества
FВ-центр
Получается из двух соседних FА-центров
F2-центр
Два соседних F-центра, расположенных в одной кристаллографической
плоскости
F2 , F2  центры
Получаются из F2-центра в результате его ионизации или захвата электрона
Лазеры на центрах окраски
Энергия
F-центр
_
+
+
_
_
_
+
+
_
FА-центр
_
+
_
_
+ e +
+ _ + _ +
_
+ _ + _
_
_
+
_
+
2
+
+ e + _
_
+ _ +
3
_
_
+ e +
_
+ e + _
+ _ + _ +
_
+ _ + _
+
+ e + _
+ _ + _ +
_
+ _ + _
F2-центр
F+2-центр
+
+
_
_
_
+
+
_
+
_
_
+
+
_
+
4
1
Конфигурационная координата
Лазеры на центрах окраски
Образование различных разновидностей F-центров приводит к появлению
таких уровней энергии в запрещенной зоне, что обусловленные ими длины
волн поглощения попадают в видимую область спектра, в результате чего
кристалл получает окраску
При переводе электрона на уровень энергии, обусловленный наличием
F-центра, его релаксация происходит излучательно (люминесценция) с
длинами волн, больших по сравнению с длиной волны возбуждения и
попадающих в ближнюю ИК область
Необходимо учитывать колебания F-центров относительно равновесного
состояния, обусловленные воздействием на него полей кристаллической
Решетки → зависимость энергии F-центров от некоторой обобщенной
конфигурационной координаты, появление колебательной структуры
электронных состояний
Количество колебательных состояний велико, а сами колебательные уровни
перекрываются между собой, образуя широкие полосы
Лазеры на центрах окраски
Излучение накачки переводит электроны из
колебательных состояний, расположенных вблизи
дна основного электронного состояния, на
колебательные уровни возбужденного
электронного состояния, не расположенные вблизи
его дна
В результате быстрой безызлучательной
релаксации электроны переходят на
нижерасположенные колебательные уровни
данного электронного состояния
Далее электроны в соответствии с принципом
Франка-Кондона излучательно релаксируют на
колебательные уровни основного электронного с
остояния
Затем происходит быстрая безызлучательная
релаксация на нижние колебательные уровни
Выполняются все условия для генерации лазера по четырехуровневой схеме
Лазеры на центрах окраски
Накачка – оптическая лазерная
Излучение источника накачки пропускается через входное окно, имеющее
большой коэффициент отражения на длине волны лазера на центре окраски
и маленький коэффициент отражения на длине волны лазера накачки
Режимы генерации
импульсный - длительности импульсов
в режиме синхронизации мод могут
составлять несколько пикосекунд
непрерывный - характерные мощности
излучения достигают нескольких ватт
Спектральный диапазон генерации - приблизительно от 0.6 мкм до 4 мкм
с возможностью плавной перестройки длины волны излучения
Лазеры на центрах окраски
Основные недостатки лазеров на F-центрах:
1. Имеются потери, обусловленные процессами, аналогичными процессам
синглет-триплетной конверсии в лазерах на красителях
2. Вследствие большого сдвига возбужденного состояния относительно
основного, коэффициенты Франка-Кондона для излучательных переходов
малы, что приводит к низким значениям сечений индуцированного
излучения
3. F-центры отличаются невысокой термической и оптической
стабильностью
Характерные пороговые мощности накачки составляют несколько
десятков милливатт
Величины КПД варьируются от нескольких процентов до нескольких
десятков процентов - различие квантовой эффективности накачки для
разных структур
Лазеры на центрах окраски
Необходимость охлаждения активной среды
При увеличении температуры
скорость распада центров окраски
увеличивается
Время жизни верхнего лазерного
уровня обратно пропорциональна
температуре
Вакууммирование резонатора лазера
Поддержание кристалла
при низкой температуре
Снижение уровня потерь,
обусловленных поглощением
атмосферными парами воды
Возможность плавной перестройки длины волны излучения обеспечивается
посредством селективных резонаторов и интерферометров Фабри-Перо