Редкоземельные элементы в кристаллической решетке

Кристаллическая решетка матрицы оказывает настолько слабое воздействие на уровни энергии ионов редкоземельных элементов, что эти уровни обычно обозначают так же, как и соответствующие уровни свободных электронов. Переходы, которые могут приводить к вынужденному испусканию, происходят между состояниями 3d (n=3, l=2) и 4f - оболочки (n=4, l=3). Электроны в этих состояниях сильно экранированы от кристаллического поля двумя 5s-электронами и шестью 5p-электронами. Поэтому их энергия практически не зависит от типа матрицы. Эти переходы удовлетворяют требованию о малой ширине линии  спектральной линии, и, как правило, происходят спонтанно или вынужденным путём. Редкоземельные элементы имеют широкие полосы поглощения на переходах 4f  3d , с помощью которых можно возбуждать эти вещества. Нижние лазерные состояния индуцированных переходов лежат достаточно высоко в 4f-оболочке, т.е. из этих веществ можно получить четырёхуровневый лазер, который будет требовать небольшой мощности накачки и сможет работать в непрерывном режиме. Рассмотрим CaWO₄ : Nd³⁺. Его энергетические уровни показаны на рис.6.

Рис. 6 - Диаграмма энергетических уровней иона неодима в CaWO₄

Инфракрасная флуоресценция возникает на переходе с уровня ⁴F_3/2 на различные уровни основного мультиплета ⁴I. При этом раньше всего приводит к лазерному эффекту флуоресценция на длине волны =1,065 мкм, соответствующая переходу ⁴F_3/2 → ⁴I_11/2 . Нижнее лазерное состояние ⁴I_11/2 этого перехода выше основного состояния на Е=0,025 эВ. Даже при комнатной температуре кристалл CaWO₄, активированный неодимом, является четырёхуровневым лазером. Ширина линии испускания составляет для него f = 2_*10¹¹ Гц, среднее время жизни возбужденного состояния ₁₂ = 10^-4 с. Если считать, что в лазере длиной 3 см теряется ок. 5% мощности за один пробег волны, то, следовательно,  = 0,008 см^-1 и инверсия населённости согласно (23)

n=(/πc²)· ₁₂²₁₂² = 23·10¹⁴ см ^-3

Для возбуждения лазер накачивается при сильном поглощении в полосе ₀₃=0,57… 0,60 мкм с помощью ртутной лампы, пороговая мощность накачки составляет P_f / V = 4 Вт/см³. В этом случае непрерывный режим генерации оказывается возможным даже при нормальных условиях, с помощью описанного лазера при водяном охлаждении удалось добиться выходной мощности около 0,5 Вт.

Актиониды в кристаллической решетке

У атомов элементов группы актинидов неспаренные электроны 5f-оболочек частично экранированы от кристаллической решетки матрицы внешними 6s- и 6p-электронами. Правда, эта экранировка не такая эффективная, как у 4f-электронов редкоземельных элементов. В этой группе лазерный эффект наблюдался у элементов с наибольшим временем радиоактивного распада, а именно у тория и урана, причем впервые на кристалле CaF₂, активированном U³⁺.

На рис.7 изображены характеристические уровни энергии этого кристалла. Вынужденное испускание происходит на длине волны =2,61 мкм при переходе из состояния ⁴I_11/2-мультиплета в состояние ⁴I_9/2-мультиплета. Нижнее лазерное состояние лежит выше основного на величину Е=0,075 эВ и при охлаждении до 100 К можно получить четырёхуровневый лазер.

Е , эВ

1 ,5

⁴I_15/2

1 ,0 ⁴I_13/2

Излучение накачки ксеноновой лампы

⁴I_11/2

0,88 …0,92 мкм

0 ,5 2,613 мкм

⁴I_9/2

0

Рис.7. Диаграмма энергетических уровней иона U³⁺ в CaF₂

Верхнее лазерное состояние в ⁴I_11/2-мультиплете метастабильно, время жизни на нём составляет 130 мкс. Однако при повышенных температурах возникают также безызлучательные переходы, так что, например, при температуре 300 К время жизни составляет всего 15 мкс. При 77 К ширина линии этого перехода f=6_*10¹¹ Гц. При условии, что в лазере длиной 3 см теряется 5% мощности, =0,008 см^-3 и для возникновения генерации необходима инверсная разность населённости n=7_*10¹⁴ см^-3.

Такую систему достаточно эффективно возбуждать в области длин волн от 0,88 мкм до 0,92 мкм. В этом диапазоне имеется 3 полосы поглощения. Для оптической накачки используются ксеноновые лампы. При высоком квантовом выходе флуоресценции пороговая мощность накачки по флуоресценции составляет P_f /V = 1,2 Вт/см³.

Эта величина ещё меньше, чем в CaWO₄, активированном неодимом. Правда, в случае использования Nd³⁺ излучение накачки поглощается намного сильнее, чем в случае с U³⁺ и в обеих системах требуется примерно одинаковая мощность накачки.