§ 13. Лазеры на других твердых веществах

Число флуоресцентных твердых веществ велико, и несомненно многие из них могут быть возбуждены до Состояния с отрицательным поглощением. Ко времени написания этой книги генерация была получена на ионах урана, самария, неодима, тулия и гольмия в различных кристаллах и стеклах (см. табл. 1 и 2 в конце книги)^*. Общим для этих материалов является то, что в них в противоположность рубину в цикле генерации участвуют по крайней мере четыре уровня. Наиболее существенно то обстоятельство, что нижний уровень вынужденного перехода не является основным состоянием. Фиг. 6 дает общее представление о работе по четырехуровневой схеме. Нижний уровень лазера в этих веществах обычно расположен на несколько сотен обратных сантиметров выше основного. Так как при 300° К значение kT составляет приблизительно 200 см^-1, то нижний уровень в этих кристаллах населен при комнатной температуре до такой степени, что отрицательное поглощение получить трудно. Следовательно, в четырехуровневых генераторах генерация достигается легче при температуре жидкого азота (77° К).

^* (Табл. 1 и 2 переработаны на основе публикаций, появившихся в печати до мая 1963 г.- Прим. ред.)

Хотя первые четырехуровневые лазеры были разработаны Сорокиным и Стивенсоном в лаборатории фирмы Интернейшнел Бизнес Мэшинз, однако основная работа в этой области сконцентрирована в лаборатории Белл Телефон, где успешно изучен большой ряд различных материалов. Работа в Белл Телефон включает исследование возможности создания лазеров с использованием большинства, если не всех, редкоземельных ионов. Эти ионы имеют систему энергетических уровней, переходы между которыми соответствуют излучению в ближней инфракрасной области спектра, и характеризуются слабым взаимодействием этих уровней с кристаллической решеткой, в которой находятся ионы. Уровни энергии редкоземельных ионов в твердых кристаллах связаны в основном со спин-орбитальным взаимодействием, которое обычно значительно сильнее, чем влияние кристаллического поля. Таким образом, уровни энергии и правила отбора остаются почти такими же, как и для свободных ионов. В эту группу входит также и уран благодаря сходству его электронной структуры со структурой редкоземельных элементов.

Уран. Вынужденное излучение от U³⁺ впервые наблюдалось в 1960 г. Сорокиным и Стивенсоном [77, 78]. Ион урана был введен в решетку CaF₂. Кристаллы имели концентрацию урана 0,05 мол. %; использовались также кристаллы с содержанием урана 0,1%^*. Первоначально наблюдалось излучение с длиной волны 2,5 мк в кристаллах с молярной концентрацией 0,05% и 2,6 мк в кристаллах с концентрацией 0,1%. Существовала некоторая неясность относительно происхождения этих линий и природы уровней, имеющих отношение к флуоресценции урана во фториде кальция. Эксперименты Сорокина и Стивенсона были выполнены при температуре жидкого гелия. Позднее Бостик и О'Коннор [10] сообщили об экспериментах, выполненных при температуре 77° К, а Майлс [61] - при 300° К.

^* (В последнем случае концентрации были условными, характеризующими пропорции веществ при синтезе. Анализ кристаллов с содержанием урана 0,1% показал, что молярная концентрация урана составляет 0,06%. Эта величина соответствует 1,5*10¹⁹ атомов на 1 см³.)

В первых экспериментах, в которых применялось импульсное возбуждение, было обнаружено, что для возбуждения наиболее эффективно излучение в области 1 мк. Бостик и О'Коннор наблюдали релаксационные колебания, или пульсации интенсивности излучения, подобно тому, как это имело место в рубине. Однако в уране эти пульсации являются вполне регулярными, и в данном случае они имели частоту около 100 кгц. Частота пульсаций изменяется в зависимости от длины образца и коэффициента отражения, что было уже отмечено в связи с аналогичными пульсациями излучения рубина.

Фиг. 27. Рабочий цикл поглощения и флуоресценции CaF₂ с ураном (2,613 мк)

Группа исследователей в лаборатории Белл Телефон провела детальное изучение энергетических уровней урана в CaF₂. Методом парамагнитного резонанса они показали, что ион урана в CaF₂ может находиться в узлах как с тетрагональной, так и с тригональной симметрией. Излучение с длиной волны 2,613 мк возникает, если уран находится в узле с тетрагональной симметрией. Цикл, включающий флуоресценцию и поглощение согласно Бойду, Коллинсу и др. [11], показан на фиг. 27. Как было установлено, в основном возбуждение иона урана происходит в результате поглощения внешнего излучения в интервале длин волн 0,88-0,92 мк, что соответствует переходу из основного состояния на уровни I_15/2. Исключение части излучения, соответствующего видимой области спектра, которое вызывает переходы в широкую полосу, расположенную выше 16 000 см^-1, увеличивает пороговую мощность всего лишь на 15%. Излучение с длиной волны 2,613 мк соответствует переходу с наиболее низкого уровня из группы уровней I_11/2 на уровень I_9/2, расположенный на 609 см^-1 выше основного состояния^*.

^* (Эти эксперименты выполнены с кристаллами, когда при синтезе молярная концентрация урана составляла 0,1%. Содержание урана в образцах не указано.)

Пороговая энергия возбуждения при работе с импульсной лампой FT-524 сильно меняется с изменением температуры кристалла. В таблице указаны данные, опубликованные Бойдом, Коллинсом и др. Увеличение пороговой энергии происходило вследствие уменьшения населенности метастабильного состояния I_11/2 при высоких температурах. Время жизни этого уровня уменьшается от τ = 130 ± 15 мксек при 77° К до величины менее 15 мксек при 300° К.

Схема экспериментальной установки для непрерывно действующего генератора на уране показана на фиг. 28. Эта установка состоит из тонкого дьюара, содержащего кристалл, размещенный вдоль фокальной оси эллиптического цилиндра. Освещение кристалла производится ртутной дуговой лампой, помещенной вдоль другой фокальной оси.

Фиг. 28. Лазер непрерывного излучения на CaF₂ с ураном (вариант, разработанный в лаборатории фирмы Белл Телефон [11]). 1 - приемник; 2 - излучение лазера; 3 - жидкий кислород; 4 - ксеноновая импульсная лампа; 5 - водяное охлаждение; 6 - образец; 7 - жидкий кислород, охлажденный до температуры жидкого азота; 8 - жидкостный фильтр; 9 - дьюар; 10 - фокальные оси эллиптического цилиндра; 11 - ртутная лампа AH₆; 12 -эллиптический цилиндр; 13 - водяная рубашка; 14 - теплоизолятор; 15 - жидкостный фильтр инфракрасного и ультрафиолетового излучений

При мощности возбуждения 1150 вт с периодичностью 60 гц Бойд и др. получили мощность оптического излучения 10 мквт. Периодичность излучения лазера была связана с периодичностью возбуждающего излучения и составляла 120 гц.

Порто и Ярив [68] исследовали роль ионов урана в условиях другой симметрии. Они рассчитали, что в случае, когда концентрация урана в узлах с тетрагональной и тригональной симметрией примерно одна и та же, когерентное излучение имеет длину волны около 2,5 мк. Однако в кристаллах, в которых число атомов урана, находящихся в поле тригональной симметрии, относится к числу атомов в поле тетрагональной симметрии как 10:1, вместо излучения с длиной волны 2,5 мк будет излучаться свет с длиной волны 2,24 мк. Детального объяснения возникновения этих линий пока нет. Система энергетических уровней, показанная на фиг. 27, к этому случаю не применима.

Самарий. Вынужденное излучение двухвалентного самария также впервые наблюдалось Сорокиным и Стивенсоном [79]. Генерация происходит в результате переходов в ионе Sm²⁺, находящегося в решетке CaF₂ на длине волны 7083 Å. Возбуждение имеет место в широкой полосе от 3000 до 6600 Å.

Вскоре после сообщения Сорокина и Стивенсона о достижении режима генерации Кайзер, Гаррет и Вуд [44] опубликовали результаты анализа флуоресценции Sm²⁺. На фиг. 29 показаны энергетические уровни Sm²⁺, согласно результатам Кайзера, Гаррета и Вуда. Переход, обусловливающий генерацию, показан жирной линией. Конечное состояние этого перехода лежит на 263 см^-1 выше основного уровня. Оно не заполнено при низких температурах, и, следовательно, лазер способен работать при малом уровне возбуждения. Образцы длиной 1,2 см удавалось возбудить потоком энергии 21 ^вт/_см². Другое существенное отличие от урана заключается в том, что для самария верхний уровень рабочего перехода лазера расположен близко к полосе поглощения. Следовательно, в этом случае нагрев кристалла, обусловленный безызлучательными переходами, значительно меньше, чем в случае урана.

Фиг. 29. Энергетические уровни Sm²⁺ в CaF₂ (согласно Кайзеру, Гаррету и Буду)

В генераторе с самарием не наблюдалось пульсаций выходящего излучения. Кайзер, Гаррет и Вуд рассчитали, что в этом случае должны иметь место затухающие колебания интенсивности с частотой 4*10⁷ гц. Эта величина превышала пределы частотного разрешения применяемой аппаратуры.

Эксперименты проводились с кристаллами, помещенными в дьюар при тепловом контакте с жидким гелием. Возбуждение производилось с помощью ксеноновой импульсной лампы или лампы EGGFX-12. Свет фокусировался на кристалл с помощью сферических зеркал. Длительность импульсов составляла от 10 до 1000 мксек. Попытки получить непрерывный режим работы оказались неудачными, поскольку температура образца поднималась выше критического значения, при котором возможна работа генератора.

При определении числа ионов Sm²⁺ в кристалле CaF₂ следует особо учесть то обстоятельство, что самарий может входить в решетку как в двух, так и в трехвалентном состоянии.

В экспериментах Кайзера, Гаррета и Вуда 80% атомов самария находились в трехвалентном состоянии и, таким образом, молярная концентрация Sm²⁺ составляла лишь 0,01%, что соответствует 2,6*10¹⁸ ионов/см³. В большинстве экспериментов были использованы цилиндрические образцы длиной 2 см и диаметром 3-4 мм. Количественные данные об интенсивности когерентного излучения не были опубликованы. Угол расходимости составлял 0,5° при работе с образцами диаметром 3 мм. Было получено также вынужденное излучение в сферических образцах CaF₂ с самарием. Эти эксперименты были выполнены с шариками диаметром от 1 до 2 мм, помещенными на дно дьюара с жидким водородом. Сфера CaF₂, окруженная средой с меньшим показателем преломления, сама по себе образует резонатор, необходимый для работы лазера. Гаррет, Кайзер и Бонд [26], проводившие эти эксперименты, не исследовали когерентности возникающего излучения. Возникновение режима генерации устанавливалось по увеличению яркости флуоресценции в тот момент, когда возбуждение достигает определенного порогового значения.

Фиг. 30. Наиболее низкие энергетические уровни Nd³⁺ (согласно Карлсону и Дике[16])

Неодим. О вынужденном излучении Nd³⁺ в кристалле CaWO₄ было сообщено Джонсоном и Нассау [41]. Часть энергетических уровней Nd³⁺ показана на фиг. 30. В ионе неодима переход, соответствующий длине волны 1,06 мк, оканчивается на уровне, расположенном на 2000 см^-1 выше основного состояния. Этот переход является наиболее удобным для получения генерации. На кристаллах с отношением числа атомов Nd к числу атомов Са, равным 0,0014, был успешно получен режим генерации Это отношение соответствует 1,77*10¹⁹ атомов Hd в 1 см³. Торцы цилиндрического образца были не плоскими, а обрабатывались так, что образовывали конфокальный резонатор. При возбуждении ксеноновой импульсной лампой (GEFT-524) лазер на CaWO₄ с Nd³⁺ работает как при температуре жидкого азота, так и при комнатной температуре. Было достигнуто также возбуждение небольших цилиндров (размеры не опубликованы) энергией излучения всего лишь 3 дж при 77 °К и 5 дж при комнатной температуре. Пульсации выходящего излучения были регулярными и имели частоту от 50 до 150 кгц. Режим генерации удалось получить и на других кристаллах с неодимом [37, 42].

При соответствующем охлаждении кристалла также возможен непрерывный режим работы лазера. Это было достигнуто Джонсоном (см. [39]), который с мощностью возбуждения в 1600 вт получил мощность когерентного излучения порядка 1 мвт в течение 12 сек. Источник возбуждения представлял собой прямую дуговую ртутную лампу высокого давления, расположенную в одной из фокальных осей отражающего ? эллиптического цилиндра. Кристалл помещался в дьюар, размещенный в другом фокусе цилиндра, и охлаждался жидким кислородом.

Снитцер [76] наблюдал режим генерации на Nd⁺³ и барием стекле, где концентрация Nd изменялась от 1,4*10¹⁹ до 2,16*10²⁰ см^-3. Вынужденное излучение ' было получено в тонких легированных неодимом стеклянных волокнах диаметром 0,03 см и 32 мк и длиной от 1 до 7,5 см. Волокна были заключены в стеклянную оболочку с таким же показателем преломления.

Были успешно исследованы различные стеклянные образцы, а также источники возбуждения, однако данных, касающихся свойств излучения лазера, опубликовано не было. В

Тулий и гольмий. Джонсон, Бойд и Нассау [38, 40] наблюдали вынужденное излучение ионов Tm³⁺ и Ho³⁺ и CaWO₄. В обоих случаях концентрация редкоземельных ионов составляла 0,5%. Излучение наблюдалось при температуре жидкого азота (77°К); при комнатной температуре оно исчезало. Принцип работы лазера соответствует четырехуровневой схеме, так что нижний уровень вынужденного перехода расположен на 325 см^-1 выше основного состояния для Tm и на 230 см^-1 - для Ho. В общих случаях имели место хаотические пульсации когерентного излучения. Соответствующие спектральные данные представлены в таблице.

Образцы представляли собой цилиндрические стержни со сферическими полированными и посеребренными торцами. Возбуждение производилось с помощью гелиевой лампы GEFT-524.