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 l=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 DЕ=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

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 Df=6_*10¹¹ Гц. При условии, что в лазере длиной 3 см теряется 5% мощности, a=0,008 см^-3 и для возникновения генерации необходима инверсная разность населённости Dn=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.