Наиболее часто используемые в качестве матриц для активных сред твердотельных лазеров кристаллы

Проблемы, связанные с использованием Nd⁺³ в качестве активирующей примеси и являющиеся прямым следствием его, казалось бы, безусловных достоинств, заставили обратиться к остальным редкоземельным элементам. Почему именно к ним?

Электронные конфигурации редкоземельных элементов могут быть записаны в виде:

⁵⁹ Pr: (Xe) 4f³6s²;

⁶⁰Nd: (Xe) 4f⁴6s²;

⁶¹Pm: (Xe) 4f⁵6s²;

⁶²Sm: (Xe) 4f⁶6s²

и т.д.

Оптические и химические свойства редкоземельных элементов определяются глубоко заэкранированной 4f-оболочкой (над ней расположены 5s- и 5p-электроны). В результате внешнее воздействие слабо влияет на спектры как атомов, так и ионов этой группы. При внедрении трехвалентных редкоземельных ионов в кристаллические матрицы со структурой типа граната изменениями в спектрах ионов практически можно пренебречь. С этой точки зрения все редкоземельные элементы ведут себя аналогично, и поэтому в качестве рабочих переходов можно использовать переходы, дающие излучение в ближнем и среднем ИК-диапазонах. Неодим занимает особое положение ввиду наличия долгоживущего верхнего уровня. Для остальных элементов это не имеет места. Но не будем забывать о том, что явление кросс-релаксации, которое для неодима является скорее вредным, чем полезным ― именно в силу его особого положения ― для других элементов должно быть скорее полезным, чем вредным. В этом плане наиболее типичен лазер на ионах Er⁺³ .

Схема уровней энергии иона Er⁺³ в кристалле АИГ показана на рисунке 10.5.

Основным состоянием иона Er⁺³ является ⁴I_15/2. Поглощение излучения накачки переводит систему на уровень ⁴I_9/2. За счет кросс-релаксации происходит переход на уровень ⁴I_11/2. Переход ⁴I_11/2®⁴I_13/2 с длиной волны 2,94 мкм, является рабочим. Зазор между нижним рабочим уровнем и основным состоянием составляет здесь около 6000 см^-1 (против 2000 см^-1 для неодима). Этот зазор существенно превышает собственно лазерный переход (3500 см^-1), и в силу этого время жизни t₂ верхнего уровня много меньше, чем t₁ нижнего. Ситуация как будто крайне неблагоприятная для создания инверсии. Однако, если в начальный момент оба уровня не заселены, то при резонансном возбуждении верхнего уровня инверсия будет существовать в течение времени, определяемого спонтанным распадом этого состояния. Если пренебречь факторами вырождения уровней, то время существования инверсии можно оценить простейшим образом:

(10.18)

где А₂₁ – коэффициент Эйнштейна для резонансного распада верхнего уровня, или, иначе говоря, для спонтанного перехода 2®1. Для эрбия, как мы помним, t₂ « t₁, поэтому А₂₁ » А₂ . Получается, что возможность получения инверсии на переходе 2®1 ограничена спецификой самого перехода. В силу этого подобные переходы называются самоограниченными. Большинство редкоземельных элементов, активирующих кристаллические матрицы, обладают именно таким свойством. Можно немедленно указать общие для всех лазеров на самоограниченных переходах свойства:

1. Работа только в импульсном режиме.

2. Генерация в ближнем и среднем ИК диапазонах.

3. Большая концентрация активирующей примеси, что, в отличие от Nd⁺³, оказывается возможным благодаря малой величине скоростной константы С.

4. Возможность введения вспомогательных примесей, стимулирующих процессы кросс-релаксации в нужном направлении (донорных ионов, играющих примерно ту же роль, что буферный газ в газовых лазерах).

Наиболее интересные для медицины самоограниченные переходы редкоземельных элементов приведены в таблице 10.2.

Таблица 10.2