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 см ² 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 бoльших
 

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 темп-ру 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 Т300 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; Т77-300 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 0,51,4 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 А1₂ О ₃ 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.
 

Лит.. Феофилов П. П., Архангельская В. А., Люминесценция и стимулированное излучение центров окраски в ионных кристаллах, "Изв. АН СССР. Сер. физ.", 1981, т. 45, № 2, с. 302; Басиев Т. Т. и др..Твердотельные перестраиваемые лазеры на центрах окраски в ионных кристаллах, "Изв. АН СССР. Сер. физ.", 1982, т. 46, с. 1600.
 

Т. Т. Басиев, С. Б. Миров.
 

 Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.

Спектральные диапазоны генерации различных лазеров, в том числе лазеров на центрах окраски, приведены на рисунке.