Лазеры на центрах окраски. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Лазеры на центрах окраски (ЛЦО) - лазеры ,в к-рых активной средой служат ионные кристаллы с центрами окраски. Под воздействием ионизирующих излучений (

-лучей, электронов высокой энергии, рентг. лучей, нейтронов) либо при нагреве в парах щелочных или щелочноземельных металлов в оптически прозрачных, бесцветных кристаллах возникают вакансии, локализующие на себе за счёт кулоновского притяжения электроны. Связанные системы положительно заряженных вакансий и электронов наз. электронными центрами окраски, т. к. их присутствие в кристалле обусловливает его окрашивание - возникновение полос поглощения и излучения в оптич. диапазоне. Центры окраски могут эффективно поглощать и испускать кванты света, т. е. являются рабочими центрами активных сред перестраиваемых лазеров. По принципу действия и характеристикам ЛЦО подобны лазерам на красителях.

Рис. 1. Центры окраски в щёлочно-галоидных кристаллах: а) F-центр; б) F₂-центр; в) F⁺₂-центр; г) F₂-центр; д) F_A-центр; е) F_B-центр; примесные ионы - чёрные кружки.

Наиб. простым центром окраски является F-центр - вакансия аниона (отрицательно заряженного иона в двухатомном ионном кристалле), захватившая один электрон е^- (рис. 1, а). Все центры, на к-рых получена лазерная генерация, являются производными от F-центров. Так, F₂-центр представляет собой пару соседних F-центров, сильно связанных друг с другом (рис. 1,б); при потере F₂-центром одного электрона образуется F₂⁺-центр (рис. 1, в), при захвате - -F₂^-центр (рис. 1, г). Если в решётку кристалла (матрицу) введены примеси, заместившие нек-рые из катионов (чёрные кружки), то F-центр, рядом с к-рым расположен примесный катион (напр., Li⁺ вместо К⁺ в решётке КС1), обозначают индексом А (напр., F_A, рис. 1, д), а центр, рядом с к-рым расположились 2 примесных катиона (рис. 1, е),- индексом В.

Спектральное положение электронно-колебат. полос поглощения и люминесценции центров зависит от типа центров и параметров матрицы. Выбором кристалла для одних и тех же центров можно смещать диапазон генерируемых длин волн

, перекрывая область от 2,2 до 3,3 мкм для F_A и F_B (рис. 2) и от 0,82 до 2 мкм для Ft (рис. 3). Создание комплексов квазимолекулярных центров F₂ и F₂⁺, ассоциированных с примесями одно-и двухвалентных металлов, вводимых в матрицу, также позволяет сдвигать полосы поглощения и люминесценции (на 10³

), ещё более расширяя область перестройки

ЛЦО действуют по схеме, к-рую можно свести к четырёхуровневой (рис. 4). Накачка идёт в широкой полосе электронно-колебат. спектра (переход

) шириной 1500-2500 А. Далее за время

10¹²-10^-13 с идёт безызлучательная релаксация по колебат. подуровням (

). Затем следует излучат. переход в широкой полосе (

, с сечением

10^-17 см² и вероятностью 10⁷-10⁸ с^-1) и опять быстрая безызлучательная релаксация вниз по колебат. подуровням основного состояния (

Рис. 2. Зависимость полос люминесценции центров F_А и F_B от вида матрицы (I - интенсивность излучения); с увеличением постоянной решётки полосы сдвигаются в сторону больших

Рис. 4. Схема уровней, иллюстрирующая лазерное действие центров окраски.

Различают низко- и высокотемпературные ЛЦО. Так, для квазиатомных F_A- и F_B-центров величина кванта тепловых потерь (стоксов сдвиг) в неск. раз превосходит энергию излучат. перехода, что вызывает увеличение с ростом Т вероятности безызлучательных релаксационных переходов

и падение квантового выхода люминесценции и накладывает ограничение на рабочую температуру лазера (T<200 К). Напротив, малые по сравнению с энергиями излучат. переходов величины кванта тепловых потерь для квазимолекулярных центров (F₂, F₂⁺ , F₂^- и т. д.) обеспечивают высокий и слабо зависящий от Т (при Т

300 К) квантовый выход люминесценции.

Генерация получена на ряде кристаллов: LiF [F₂, F/ , F₂^-]; NaF [F₂⁺, (F₂⁺)_A, F₃^-]; NaCl, KF, KC1, KBr[(F₂⁺)_A, F_AF_A(Tl)]; RbCl [F_A, F_B]; CaF₂[(F₂)_A]; SrF₂[(F₂)_A]; MgF₂[(F₂)_A]; KMgF₃[F₂⁺]; LiYF₄[F₂⁺]; CaO[F + ]; A1₂O₃ и в алмазе с центрами окраски.

Непрерывный режим генерации осуществляется при накачке кристаллов аргоновыми и криптоновыми газоразрядными лазерами или неодимовым лазером. Область генерации

0,82-3,3 мкм; Т

77-300 К. Выходная мощность

3 Вт, кпд

1-60%.

Импульсно-периодич. режим осуществляют накачкой неодимовыми и рубиновыми лазерами, лазерами на красителях, на парах Си и газоразрядными импульсными лампами. ЛЦО, работающие при T=300 К, перекрывают диапазон

0,5

1,4 мкм, кпд достигает десятков %, выходная энергия 100 Дж, мощность до 1 ГВт. При T=300 К наиб. перспективны активные среды на основе LiF; NaF[F₃^-]_; NaF(Li)[(F₂⁺)_A]; CaF₂(Na) [(F₂)_A]; SrF₂(Na)[(F₂)_A], а также кристаллы А1₂О₃ и алмаза с центрами окраски. Нелинейное насыщающее поглощение в указанных кристаллах позволяет использовать их в качестве нелинейных фильтров, развязок, формирователей и оптич. затворов. Импульсные ЛЦО, работающие в режимах нано-, микро-, пико- и субпикосекундных длительностей, являются основой для спектрометров видимого и ИК-диапазонов. Возможность ЛЦО эффективно работать практически во всех режимах генерации (от непрерывного до субпикосекундных импульсов) в широком диапазоне

ставит их в ряд наиб. перспективных инструментов эксперим. физики.

Литература по лазерам на центрах окраски

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.