Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+

дипломная работа

2.1 Взаимодействия определяющие спектры активированных лазерных сред

Активированные лазерные материалы -- это кристаллы, стёкла и керамики, в состав которых специально введено небольшое количество редкоземельных ионов или ионов переходных металлов. Среди первых наиболее часто используются трёхвалентные ионы: Nd3+ , Ег3+. Но3+. Tu3+ , Yb3+. Среди вторых -- ионы хрома, титана, кобальта, которые могут находиться в разных валентных состояниях.

Ионы активаторы являются «красящими» примесями, так как материалы при их введении приобретают окраску. В спектре поглощения появляются полосы, характерные для каждого активатора. Кроме того, в ряде случаев материалы начинают люминесцировать при фотовозбуждении. Спектрально люминесцентные свойства активированных материалов определяют возможность их применения в качестве рабочих сред лазеров и усилителей света.

Каждый элементарный процесс поглощения или испускания света в активированных материалах охватывает весьма ограниченную область, которая кроме самого активатора включает только атомы, составляющие его ближайшее окружение -- «лнганды». Таким образом, в активированных материалах поглощение и испускание света осуществляется «локальными оптическими центрами». Другим важным примером локальных оптических центров являются центры окраски, образующиеся в материалах при воздействии интенсивного УФ света. Противоположный, «нелокальный», характер носят процессы поглощения и испускания света свободными электронами, или колебаниями решётки в кристаллах.

Положения энергетических уровней н спектральных полос активаторных центров, определяющие диапазон усиления лазера, зависят как от взаимодействий внутри иона активатора, так и от взаимодействий активатора с матрицей. При этом, прежде всего, имеет значение относительная величина взаимодействии этих двух типов. Далее в главе последовательно рассматриваются эти два класса взаимодействий в порядке убывания их величины сначала для РЗ ионов, затем для ионов переходных металлов. Кратко описываются используемые приближения и приводятся системы квантовых чисел, применяемых для характеристики состояний, возникающих в разных приближениях.

Как известно, в случае свободного атома рассмотрение начинается с одно электронного приближения, согласно которому каждый электрон рассматривается независимо от других и считается двигающимся в усреднённом поле других электронов и ядра. Считается, что это поле обладает сферической симметрией. Поэтому для отдельного электрона должен выполнятся закон сохранения момента количества движения, значения которого характеризуются квантовым числом I.

Квантовое число I принимает значения от 0 до n-1, где n - главное квантовое число (таблица 1). Численные значения 1 в спектроскопии традиционно характеризуют буквами по следующему правилу I = 0 (s), 1 (р), 2 (d), 3 (f). 4 (g). На определённой «I» оболочке может находиться 2(21 + 1) электронов с различной проекцией спина и орбитального момента.

Таблица 1 - Простейшие электронные конфигурации

значения n

Значения I

конфигурации

n=1

0

s2

n=2

0,1

s2, p6

n=3

0,1,2

s2, p6, d10

n=4

0,1,2,3

s2, p6, d10,f14

Совокупность значений квантовых чисел n и I для всех электронов, в атоме, называется электронной конфигурацией. Например, у атома гелия два электрона находятся в состоянии n=1. I=0. Это означает, что атом гелия имеет конфигурацию - (1s)2

Широко используемый в качестве активатора лазерных материалов трёхвалентный ион Сг3+ имеет 21 электрон н конфигурацию (ls)2(2s)2(2p)6(3s)2(3p)6(3d)3. Однако, этот длинный список, обычно, выписывать нет необходимости. Схему нижних энергетических уровней и оптические спектры определяют только электроны, находящиеся на незаполненной оболочке: в случае Сг3+ - это 3 электрона, находящихся на 3d -- оболочке.

После одно электронного приближения и учета центрального поля на следующем этапе учитывается нецентральная часть кулоновского взаимодействия электронов. При этом необходимо рассматривать сложные многоэлектронные состояния, которые характеризуются значениями полного орбитального момента L н полного спина S. Значениям полного момента L так же как значениям момента отдельного электрона сопоставляются те же буквы, но прописные:

L= 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6

L= S, Р, D, F, G, Н, I,

Наиболее слабым взаимодействием в свободном атоме, из числа определяющих структуру оптического спектра, является спин-орбитальное взаимодействие. Это взаимодействие суммарного спинового магнитного момента электронов незаполненной оболочки с магнитным полем, возникающим из-за орбитального движения этих электронов. В результате спин-орбитального взаимодействия ни орбитальный момент, ни спиновый момент сами по себе не сохраняются. Сохраняется только полный момент J, который является точной характеристикой атомных состояний. Моменты L и S сохраняются как приближённые характеристики. Окончательно атомные состояния характеризуются набором трёх чисел - L, S, J. Они, обычно записываются в виде символа: 2s+1Lj, характеризующего определённый атомный уровень, кратность вырождения которого равна 2J+1. Число 2S+1 называется мультиплетностью. Уровни с одинаковыми значениями L и S «образуют мультиплет». Например, у «самого лазерного» иона Nd3+ основным является мультиплет из четырёх уровней: 4I9/2, 4I11/2, 4I13/2, 4I15/2. У соответствующих состояний S=3/2, L=6, a J принимает последовательно четыре значения: 9/2, 11/2,13/2,15/2.

Описанная выше весьма кратко последовательность учёта взаимодействий в свободном атоме соответствует т.н. «нормальному типу связи», который характерен для активаторов лазерных материалов.

Делись добром ;)