Лазер на центрах окраски

ЛАЗЕР НА ЦЕНТРАХ ОКРАСКИ (ЛЦО), твердотельный лазер, в котором активной средой является ионный кристалл с центрами окраски. Под воздействием ионизирующих излучений (γ-лучей, электронов высокой энергии, рентгеновских лучей, нейтронов) либо при нагреве в парах щелочных или щёлочноземельных металлов в оптически прозрачных, бесцветных кристаллах возникают анионные вакансии и их группы (локализующие на себе электроны), которые обусловливают окраску кристалла и называются центрами окраски.

По принципу действия ЛЦО подобны лазерам на красителях. Оптическая накачка осуществляется в широкой электронно-колебательной полосе поглощения (рис. 1, переход E₁ → Е₂), далее идёт быстрая (порядка 10^–12 с) безызлучательная релаксация по колебательным подуровням возбуждённого состояния (Е₂ → Е₃), затем излучательный переход с генерацией излучения в широкой полосе (Е₃ → Е₄), с сечением перехода порядка 10^–17 см²) и быстрая безызлучательная релаксация по колебательным подуровням основного состояния (Е₄ → E₁).

Различают низкотемпературные и высокотемпературные ЛЦО. Для квазиатомных центров окраски (F, F_A, F_B), включающих в состав вакансию, захватившую электрон либо электрон и один или два примесных иона соответственно (рис. 2, а - в), повышение температуры приводит к увеличению вероятности безызлучательной релаксации и падению квантового выхода люминесценции на переходе Е₃ → Е₄, что ограничивает рабочую температуру лазера (Т<200 К). В квазимолекулярных центрах окраски (F₂, F⁺₂, F^–₂), представляющих собой бивакансию аниона, захватившую один, два или три электрона соответственно (рис. 2, г - е), наблюдается высокий квантовый выход люминесценции при комнатной температуре и выше.

Генерация излучения получена на ряде кристаллов: LiF [F₂, F₂, F^–₂, F⁺₃], NaF [F⁺₂, (⁺₂)_A,F^–₃], NaCl, KF, KCl, KBr [(F⁺₂)_A, F_A, F_A(Tl)], RbCl [F_A, F_B], CaF₂, SrF₂, MgF₂ [(F₂)_A], KMgF₃, LiYF4 [F₂], Al₂O₃, алмаз с центрами окраски и др.

Непрерывный режим генерации осуществляется при накачке кристаллов аргоновым и криптоновым газоразрядными лазерами, неодимовым лазером, лазерными диодами. Область генерации ЛЦО лежит в диапазоне от 0,82 до 3,3 мкм; рабочая температура лазера составляет 77- 300 К, средняя мощность - единицы ватт, кпд - до 60%.

Импульсный режим генерации осуществляется накачкой неодимовым или рубиновым твердотельным лазером, лазерами на красителях и на парах Cu, газоразрядными импульсными лампами и импульсными лазерными диодами. ЛЦО, работающие при Т = 300 К, генерируют излучение в диапазоне длин волн 0,5-1,4 мкм; их кпд может достигать десятков процентов, выходная энергия 100 Дж, пиковая мощность до 200 ГВт. При этом длительность импульсов генерации может изменяться от фемто до миллисекунд.

Подбором оптической схемы резонатора лазера достигается генерация лазерного излучения с определёнными спектральными параметрами: от узкополосного одночастотного (<0,03 см^-1) до сверхширокополосного (> 800 см^-1) излучения.

Лит.: Басиев Т. Т. и др. Твердотельные перестраиваемые лазеры на центрах окраски в ионных кристаллах // Известия Академии Наук СССР. Сер. физическая. 1982. Т. 46. № 8; Прохоров А. М. Новое поколение твердотельных лазеров // Успехи физических наук. 1986. Т. 148. Вып. 1; Basiev Т. Т., Zverev Р. G., Mirov S.В. Color center lasers // Handbook of laser technology and applications. Bristol, 2004. Vol. 1.