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, что такое "усталость света"?
Усталость света, анг. tired light - это явление потери энергии квантом электромагнитного излучения при прохождении космических расстояний, то же самое, что эффект красного смещения спектра далеких галактик, обнаруженный Эдвином Хабблом в 1926 г.
На самом деле кванты света, проходя миллиарды световых лет, отдают свою энергию эфиру, "пустому пространству", так как он является реальной физической средой - носителем электромагнитных колебаний с ненулевой вязкостью или трением, и, следовательно, колебания в этой среде должны затухать с расходом энергии на трение. Трение это чрезвычайно мало, а потому эффект "старения света" или "красное смещение Хаббла" обнаруживается лишь на межгалактических расстояниях.
Таким образом, свет далеких звезд не суммируется со светом ближних. Далекие звезды становятся красными, а совсем далекие уходят в радиодиапазон и перестают быть видимыми вообще. Это реально наблюдаемое явление астрономии глубокого космоса. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.