Реферат
на тему:
Лазеры на иттрий-алюминиевом гранате
Введение
Неодимовые лазеры являются самыми популярными из твердотельных лазеров. В этих лазерах активной средой обычно является кристалл Y3AI5O12 [сокращенно называемый YAG (yttrium aluminum garnet, иттрий-алюминиевый гранат)], в котором часть ионов Y3+ замещена ионами Nd3+. Иногда также используется фосфатное или силикатное стекло, легированное ионами Nd3+. Типичные уровни легирования для кристалла Nd : YAG составляют порядка 1 ат. %. Более высокие уровни легирования ведут к тушению люминесценции, а также к внутренним напряжениям в кристаллах, поскольку радиус иона Nd3+ примерно на 14 % превышает радиус иона Y3+. Этот уровень легирования придает прозрачному кристаллу YAG бледно-пурпуровую окраску, поскольку линии поглощения Nd3+ лежат в красной области.
Nd:YAG-лазер
На рис. 1 представлена упрощенная схема энергетических уровней Nd :YAG. Эти уровни обусловлены переходами трех 4f электронов внутренней оболочки иона Nd3+. Поскольку эти электроны экранируются восемью внешними электронами (5s2 и 5р6), на упомянутые энергетические уровни кристаллическое поле влияет лишь в незначительной степени. Поэтому спектральные линии, соответствующие рассматриваемым переходам, относительно узки. Уровни энергии обозначаются в соответствии с приближением связи Рассела— Сандерса атомной физики, а символ, характеризующий каждый уровень, имеет вид 2s+1LJ, где S —суммарное спиновое квантовое число, J— суммарное квантовое число углового момента, а L — орбитальное квантовое число. Заметим, что разрешенные значения L, а именно L = О, 1, 2, 3, 4, 5, 6, ..., обозначаются прописными буквами соответственно S, Р, D, F, G, Н, I, ... .
Рис. 1. Упрощенная схема энергетических уровней кристалла Nd : YAG.
Таким образом, основное состояние 4I9/2 иона Nd3+ соответствует состоянию, при котором 2S+ 1=4 (т. е. S = 3/2), L = 6 и J = L —5 = 9/2. Две основные полосы накачки расположены на длинах волн 0,73 и 0,8 мкм соответственно, хотя другие более высоко лежащие полосы поглощения также играют важную роль. Эти полосы связаны быстрой (~ 10-7 с) безызлучательной релаксацией с уровнем 4Fз/2, откуда идет релаксация на нижние уровни (а именно 4I9/2, 4I11/2 и 4I13/2); этот последний уровень не показан на рис.1. Однако скорость релаксации намного меньше (т = 0,23 мс), поскольку переход запрещен в приближении электродипольного взаимодействия (правило отбора для электродипольно разрешенных переходов имеет вид ΔJ=0 или ±1) и поскольку безызлучательная релаксация идет медленно вследствие большого энергетического зазора между уровнем 4F3/2 и ближайшим к нему нижним уровнем. Это означает, что уровень 4F3/2 запасет большую долю энергии накачки и поэтому хорошо подходит на роль верхнего лазерного уровня. Оказывается, что из различных возможных переходов с уровня 4F3/2 на нижележащие уровни наиболее интенсивным является переход 4F3/2 à I11/2 Кроме того, уровень 4I11/2 связан быстрой (порядка наносекунд) безызлучательной релаксацией в основное состояние, а разница между энергиями уровней 4I11/2 и 4I9/2 почти на порядок величины больше, чем кТ. Отсюда следует, что тепловое равновесие между этими двумя уровнями устанавливается очень быстро и согласно статистике Больцмана уровень 4I11/2 в хорошем приближении можно считать практически пустым. Таким образом, этот уровень может быть прекрасным кандидатом на роль нижнего лазерного уровня.
Из сказанного выше ясно, что в кристалле Nd : YAG переход 4F3/2 à 4I11/2 хорошо подходит для получения лазерной генерации в четырехуровневой схеме. ............
