Қатты денелі лазерлер

Маратова Ақерке ФПК-306

1-тақырып. Қатты денелі лазерлер.

Тапсырма

Тапсырма. Қаттыденелік лазерлердің жалпы сипаттамалары. Рубиндік лазер.Алюмоиттрилі гранатқа және шыныға негізделген неодимдік лазерлер. Гадолиний-скандий-галлилі-гранат кристалы мысалындағы басқа кристалдық матрицалар. Александритке негізделген лазерлер.

Қатты күйдегі заттар, әдетте, белсенді орта диэлектрлік кристалл немесе әйнек болатын лазерлер деп аталады.Қатты күйдегі лазерлерде белсенді орталықтар, әдетте, кристалға енгізілген қоспалар иондары болып табылады. Әдетте мұндай ион Менделеев элементтерінің периодтық жүйесінің өтпелі элементтерінің бір тобына жатады (мысалы, өтпелі металл иондары, әсіресе Cr3+ немесе сирек кездесетін жер иондары, негізінен Nd3+ немесе Er3+).Генерациялау үшін пайдаланылатын өтулерге толтырылмаған ішкі қабықтардың электронды деңгейлері кіреді. Сондықтан мұндай ауысуларға кристалл өрісі әлсіз әсер етеді. Сонымен қатар, бұл өтулерге электродипольдік өзара әрекеттесуге жақындауға тыйым салынады. Сондықтан стихиялық релаксация уақыты электродипольмен рұқсат етілген ауысулар сияқты наносекундтық диапазонға емес, миллисекундқа түседі.

Рубиндік лазер.Рубин лазері бірінші болып генерацияны жүзеге асырды (Т.Х.Майман, маусым 1960 r.) және ол әлі де қолдануды табады. Рубин, жүздеген жылдар бойы табиғи асыл тастар ретінде белгілі, Al2O3 (корунд) кристалы, онда Аl3+ иондарының қатары Cr3+ иондарымен алмастырылады. Лазерлерде белсенді орта ретінде қолданылатын рубин кристалдары әдетте Al2O3 қоспасы мен Сr2О3 ( ~ 0,05 %) аз бөлігін балқымадан өсіру арқылы алынады.  Сr2О3 қоспай, пайда болған кристалл (сапфир) түссіз болады және Cr3+ иондарының жасыл және күлгін сіңіру жолақтарының болуына байланысты Кристалл қызғылт реңк (қызғылт рубин) алу үшін Сr2О3 өте аз қосу керек. Табиғи асыл тастарда Cr3+ концентрациясы жасанды тастарға қарағанда шамамен үлкен, бұл оларға бай қызыл түс (қызыл рубин) береді. Рубиндік энергия деңгейлері  Al2O3 торының октаэдрлік өрісінің әсерінен Cr3+ ионының ішкі 3d қабығындағы үш электрон есебінен түзіледі. 1 - суретте лазерлік генерациялау үшін қызығушылық негізгі деңгейлері келтірілген. Мұнда қолданылатын деңгейлер үшін белгілер кристалдардағы иондардың күйін теориялық-топтық талдаудан алынады және болашақта бұл жерде талқыланбайды. Біздің мақсатымыз үшін әр әріптің сол жағындағы жоғарғы индекс күйдің мультиплеттілігін көрсететінін байқау жеткілікті. Мысалы,   4А2 жер күйінің 2S + 1 = 4, яғни S = 3/2 мультиплеттілігі бар, мұндағы S – 3d электронның жалпы спиндік кванттық саны. Демек, бұл жағдайда осы электрондардың барлық артқы жағы параллель болады. Рубин 4F1 және 4F2 екі негізгі сіңіру жолақтарына ие, бұл 4А2 негізгі күйінен осы жолақтарға ең қарқынды сіңіру сәйкесінше 0,55 мкм (жасыл) және 0,42 мкм (күлгін) толқын ұзындығында жүреді.Бұл жолақтар өте жылдам (пикосекунд тәртібі кезінде) 2А және Е күйімен радиациялық емес релаксациямен байланысты, өйткені соңғы екі күйлер бір-бірімен өте жылдам радиациялық релаксациямен (~10-9 с) байланысты болғандықтан, олардың популяциясы термализацияланған, бұл е деңгейінің жоғарылауына әкеледі. Алайда, 2А және Е деңгейлерінің негізгі күйіне релаксация уақыты өте үлкен, өйткені жоғарыда айтылғандай, екі шындыққа да, артқы жағынан да тыйым салынады (2Е және 4А2 күйлері арасындағы ауысу кезінде жалпы спин өзгереді).