Низкотемпературная спектроскопия примесных центров Pr3+ в кристаллах оксиортосиликатов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ
|
Юкина, Татьяна Георгиевна
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2004
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.04
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
Российский научный центр «Курчатовский институт» ИНСТИТУТ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ И ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА
На правах рукописи УДК 621.373
ЮКИНА Татьяна Георгиевна
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ПРИМЕСНЫХ ЦЕНТРОВ Рг3+ В КРИСТАЛЛАХ ОКСИОРТОСИЛИКАТОВ
01.04.04 - физическая электроника
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва — 2004
Работа выполнена в Институте сверхпроводимости и физики твердого тела Российского научного центра «Курчатовский институт»
Научный руководитель - доктор физико-математических наук,
профессор Знаменский Н.В.
Официальные оппоненты
д. ф.-м.н. Лисица B.C. (РНЦ «Курчатовский институт»),
к. ф.-м.н. Елютин СО. (МИФИ)
Ведущая организация
физический факультет МГУ им. М.ВЛомоносова
Защита состоится "_"_200 года в_часов на заседании
диссертационного совета Д 520.009.02 в ФГУ РНЦ «Курчатовский институт» по адресу: 123182, г. Москва, пл. акад. И.В. Курчатова, д. 1
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ «Курчатовский институт»
Автореферат разослан "_"_200 года.
Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н.
J £ «мз
Л.И.Елизаров
АННОТАЦИЯ
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04-физическая электроника. Российский научный центр «Курчатовский институт», Институт сверхпроводимости и физики твердого тела, Москва 2004.
Работа посвящена изучению природы примесных центров Рг3 в кристаллах Уа8Юв, Ь^Юв, Ос^Юв. Доказано наличие двух типов оптических центров Рг в исследуемых оксиортосиликатах. Установлено сохранение квазисимметрии кристаллического поля лигандов в катионных узлах. Определено, что примесные ионы занимают неэквивалентные катионные узлы кристаллических матриц неравномерно. В кристалле с большим
содержанием активаторов зарегистрировано образование димеров Рг3, принимающих участие в поглощении света. Установлено,что при определенных концентрацияхактиватора в кристалле УЙЮв имеют место миграция и перенос энергии электронного возбуждения на центры тушения. Для двух типов центров определены концентрация акцепторов, критический радиус и коэффициент диффузии энергии электронного возбуждения. Открыт дополнительный, новый для твердотельных матриц, механизм дефазировки вектора псевдоимпульса. Обнаружен эффект ап-конверсии квантовых уровней примесных ионов Рг+ в кристаллах при нерезонансной когерентной накачке.
Ключевые слова: оксиортосиликат, примесный центр, спектры поглощения и люминесценции, поле лигандов, перенос энергии, фотонное эхо, однородная ширина линии, туннелон, ап-конверсия.
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Широкое, разностороннее, постоянно растущее практическое применение люминесцирующих материалов на основе специально активированных ионами переходных металлов и редкоземельными ионами широкозонных диэлектрических кристаллов делает их объектами интенсивных исследований. Активированные кристаллы находят широкое применение не только в таких традиционных областях, как квантовая электроника и сцинтилляционная техника. В настоящее время наблюдается значительный интерес к активированным кристаллам, как резонансным оптическим средам для наблюдения когерентных переходных процессов, на основе которых возможно создание принципиально новых оптических запоминающих устройств и процессоров для параллельной обработки больших информационных потоков.
Несмотря на разные аспекты прикладного использования активированных кристаллов, центральным объектом внимания является примесный ион и его ближайшее кристаллическое окружение. Электронная структура примесного иона и его взаимодействие с кристаллическим окружением полностью определяют основные оптические и люминесцентные свойства примесного кристалла. Важнейшей характеристикой является энергетический спектр примесных ионов, непосредственно зависящий от особенностей структуры поля лигандов в катионных узлах. Для получения исчерпывающей информации о структуре энергетического спектра примесных ионов, наличии метастабильных энергетических уровней недостаточно использовать обычные методы спектроскопии оптического поглощения. Неоднородное уширение оптических полос в спектре поглощения может скрывать многоцентровость, связанную с неэквивалентностью катионных узлов и маскировать взаимодействие между неэквивалентными оптическими центрами. Для преодоления ограничений спектроскопии поглощения необходимо использовать современные методы лазерной селективной спектроскопии и спектроскопии с временным разрешением. Для эффективного прикладного использования когерентных переходных процессов необходима информация о динамике оптических переходов между метастабильными энергетическими уровнями примесного иона. Это, прежде всего, подразумевает знание времен энергетической и фазовой релаксации возбуждений на резонансных оптических переходах и величины дипольных моментов. Поэтому использование методов нелинейной оптической спектроскопии является практически необходимым на современном этапе исследования активированных кристаллов.
Кристаллы У28Ю5, Ы^Юв и Ос^Юв, относящиеся к семейству оксиортосиликатов с общей формулой КБ2(8Ю4)0 (ЯБ- элементыУ,Ба-Би), обладают рядом уникальных свойств. Кристаллы оксиортосиликатов редких земель являются относительно новыми объектами исследования и уже сейчас в этом классе кристаллов найдены эффективные сцинтилляторы. Кристаллы оксиортосиликатов обладают высоким оптическим качеством, широким диапазоном прозрачности, химической и фотохимической стабильностью. Данные по спектроскопии редкоземельных ионов, специально введенных в эти кристаллы, противоречивы и немногочисленны. В зависимости от типа редкоземельного иона, кристаллы оксиортосиликатов принадлежат двум кристаллографическим типам. В обоих случаях, кристаллическая решетка характеризуется двумя неэквивалентными катионными узлами с разной координацией по кислороду. Однако реальная структура поля лигандов в неэквивалентных катионных узлах остаётся не известной. Неизвестна, также, изоморфная емкость этих узлов по отношению к введению примесных редкоземельных ионов.
Ион празеодима чрезвычайно интересен по нескольким причинам. В его энергетическом спектре имеется несколько метастабильных энергетических уровней, что
позволяет рассматривать схемы эффективной ап-конверсии его энергетических уровней под действием низкоэнергетических квантов накачки, а так же выбрать несколько пар резонансных оптических переходов для наблюдения когерентных оптических откликов. Квантовые переходы внутри ¡-оболочки обеспечивают многочастотную лазерную генерацию. Ион Рг3* имеет хорошо сепарированный по энергии от других термов, терм, который может быть использован в качестве зонда для исследования микроструктуры поля лигандов катионных узлов.
Цели и задачи работы.
1.Исследование закономерностей формирования оптических спектров поглощения примесных ионов в кристаллах
2.На основе симметрийного анализа особенностей расщепления терма примесных ионов получить количественную информацию о микроструктуре поля лигандов в катионных
узлах кристаллов
3.Изучить изоморфную ёмкость неэквивалентных катионных узлов кристаллической решетки при вариации концентрации примесных ионов. Выяснить наличие взаимодействия между оптическими центрами Рг3+.
4.Исследовать механизмы разрушения амплитуды двухимпульсного фотонного эха на резонансных оптических переходах примесных ионов в кристалле.
5.Исследовать явление фотостимулированной ап-конверсии энергетических уровней примесных ионов Рг3* в кристаллах под действием нерезонансной когерентной накачки.
Научная новизна.
Впервые установлено наличие двух оптических центров Рг3+, обусловленных замещением примесными ионами неэквивалентных катионных узлов в кристаллических решетках
Обнаружена квазимсимметрия поля лигандов в катионных узлах кристаллов] .В одном типе катионных узлов кристаллов и
для кристаллического поля лигандов наблюдается симметрия искаженного октаэдра, а для другого типа искаженного тетраэдра. Поле лигандов в кристалле для обоих
катионных узлов имеет симметрию искаженного октаэдра. Установлено неравномерное заселение примесными ионами неэквивалентных катионных узлов кристалла Обнаружено взаимодействие только между однотипными оптическими центрами Рг3* в кристалле в интервале температур 1.5-80 К и вариации общей концентрации
примесных ионов в интервале 0.3-1.8 ат. %. Показано, что в пределах катионного узла первого типа в кристалле имеют место термостимулированные туннельные переходы
примесного иона Рг3"1" между минимумами адиабатического потенциала, определены параметры туннелирования. Обнаружено и исследовано явление фотостимулированной ап-конверсии энергетических уровней примесного иона Рг3+ в кристаллах, при нерезонансной оптической накачке.
Практическая ценность.
Полученные результаты могут быть использованы в разработках новых оптических материалов, активных лазерных сред под диодную накачку и эффективных, быстродействующих сцинтилляторов для позитронных томографов и экспериментов по физике высоких энергий. Полученные экспериментальные результаты позволяют вести целенаправленную разработку и создание новых оптических материалов на базе кристаллов оксиортосиликатов.
Достоверность и обоснованность результатов полученных в процессе выполнения диссертационной работы обусловлена неограниченной стабильностью объектов исследования и однозначной воспроизводимостью результатов измерений, использованием современных методов оптической спектроскопии и полной автоматизацией эксперимента, достаточностью экспериментального материала и прозрачностью его интерпретации, интегрированием полученных результатов в современные исследования других научных коллективов.
Автор выносит на защиту.
1.Результаты исследования оптических спектров поглощения примесных ионов Рг в кристаллах при вариации концентрации в интервале температур 1.5-80К.
2.Симметрийных анализ особенностей расщепления терма примесных ионов в неэквивалентных катионных узлах кристаллов
3.Результаты исследования особенностей затухания люминесценции примесных ионов Рг3+ при вариации их концентрации 0,3-1,8 ат.% в кристалле
4.Результаты исследования механизмов дефазировки резонансного оптического перехода примесных ионов Рг3 в кристалле.
5.Результаты исследования фотостимулированной ап-конверсии энергетических уровней примесных ионов в кристаллах при нерезонансной когерентной накачке.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы изложены в 7 статьях научных специализированных журналов и вынесены для обсуждения на следующие международные конференции: XVII Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO 2001) 2001, Минск, Беларусь; IX Международные чтения по квантовой оптике, 2003, С.-Петербург, Россия; XIII ежегодная международная конференция по лазерной физике (LPHYS'04) 2004, Триест, Италия.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Списка цитированной литературы. Диссертация изложена на 117 страницах печатного текста, иллюстрирована 28 рисунками и 2 таблицами. Список цитированной литературы состоит из НИ источника.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении представлено обоснование актуальности темы диссертационной работы на основе всестороннего анализа современного состояния проблем в данной области научных исследований, сформулирована цель диссертационной работы и определены основные задачи исследования, даны основные научные и практические результаты работы, приведены данные по публикациям и апробации работы.
Глава 1 является обзорной. Проанализированы возможности и дана сравнительная характеристика методов традиционной и нелинейной оптической спектроскопии. Рассмотрены основные понятия и модели, используемые в современной спектроскопии примесных центров в широкозонных диэлектрических кристаллах. Изложены необходимые сведения по когерентной спектроскопии примесных центров. Представлены основные тенденции развития в области создания и применения оптических сред для систем хранения и обработки информации. Дан критический анализ работ, посвященных спектроскопии примесных центров в кристаллах оксиортосиликатов редких земель.
Параграф 1.1 содержит сравнительный анализ методов оптической спектроскопии поглощения, люминесценции, селективной лазерной спектроскопии, спектроскопии с временным разрешением и методов нелинейной оптической спектроскопии, основанных на когерентном взаимодействии лазерных импульсных последовательностей с резонансной оптической средой. Указано, какую экспериментальную информацию можно получить, используя методы традиционной и нелинейной оптической спектроскопии. Показано, что только комплексное использование этих методов даёт полную, взаимно дополняющую информацию о энергетическом спектре, каналах релаксации энергии и динамике электронных возбуждений примесных центров.
Параграф 1.2 посвящен описанию современных представлений используемых в спектроскопии примесных центров в широкозонных диэлектриках. Основное внимание уделено спектроскопии редкоземельных ионов. Указаны особенности формирования энергетического спектра редкоземельных ионов в кристаллах и отражена степень влияния кристаллической матрицы на их энергетический спектр. Представлено современное состояние в понимании динамики электронных возбуждений резонансных оптических переходов редкоземельных ионов в кристаллах, проанализированы механизмы релаксации когерентных откликов. Отражена роль неоднородного уширения оптических спектров примесных редкоземельных ионов в кристаллах.
Параграф 13 содержит анализ требований предъявляемых к оптическим средам, которые могут быть использованы в системах обработки и хранения информации. Перечень требований вытекает из необходимости обеспечения ряда технических характеристик реальных оптических устройств. Анализируется спектральный диапазон работы оптических устройств хранения и обработки информации, желательная структура энергетического спектра примесных ионов и возможные каналы энергетической и фазовой релаксации резонансных оптических переходов. Дано сравнительное обсуждение кристаллохимических, структурных и оптических свойств ряда кристаллических матриц с точки зрения конкретного применения в оптических устройствах.
Параграф 1.4 посвящен критическому анализу современного состояния в области спектроскопии примесных редкоземельных ионов в кристаллах оксиортосиликатов. Дан перечень экспериментальных работ, выполненных в этой области, и обсуждены результаты этих работ. Показано, что для ионов празеодима имеются противоречивые данные относительно возможности наблюдения двух типов оптических центров.
Глава 2 содержит описание комплекса экспериментального оборудования, которое использовалось в процессе выполнения диссертационной работы. Обоснован выбор схем и технических решений при построении экспериментальных установок. Представлены параметры используемых экспериментальных систем и их технические характеристики.
Параграф 2.1 посвящен описанию спектрального комплекса для проведения экспериментов по спектроскопии оптического поглощения. Представлены спектральные и технические характеристики основного узла спектрального комплекса - решеточного монохроматора МДР-23. Описана схема управления монохроматором и система регистрации спектров поглощения. Для исследования спектров поглощения в области 0,4-0,8 мкм использовался стандартный источник сплошного спектра — лампа накаливания со стабилизированным током питания. Регистрация спектра поглощения исследуемых кристаллов осуществлялась ФЭУ-100, который работал в режиме счета отдельных фотонов. Этот режим работы ФЭУ обеспечивал предельную чувствительность регистрирующей системы и большой динамический диапазон.
Параграф 2.2 содержит описание узлов экспериментальной установки обеспечивающих проведение экспериментов по селективной лазерной спектроскопии и спектроскопии с временным разрешением. В качестве лазерных источников излучения для возбуждения люминесценции использовались две системы: непрерывный аргоновый лазер с внешней акусто-оптической модуляцией излучения и перестраиваемый по частоте лазер на органических красителях с накачкой от лазера на парах меди. Последняя система использовалась для селективного возбуждения люминесценции. При исследовании затухания люминесценции применялся метод время-коррелированного счета одиночных фотонов. В качестве преобразователя временных интервалов использовался оригинальный программно управляемый стробируемый счетчик импульсов.
Параграф 2.3 содержит обоснование выбора экспериментальной схемы для регистрации двухимпульсного фотонного эха в исследуемых кристаллах. Дано описание экспериментальной схемы и её основных узлов. Двухимпульсное фотонное эхо наблюдалось в коллинеарной схеме и это потребовало создание быстродействующей электрооптической системы стробирования ФЭУ регистрирующего когерентный отклик. Электрооптическая система стробирования была построены на основе трех электрооптических модуляторов МЛ-201, что обеспечивало необходимые быстродействие при переключении и контраст. Для резонансного когерентного возбуждения оптических переходов примесных ионов использовался узкополосный (0,1) лазер на органических красителях с накачкой эксимерным лазером.
Параграф 2.4 содержит описание низкотемпературной техники используемой в эксперименте. Для получения низких температур в интервале 1,5-80 К использовались гелиевые оптические криостаты специально оборудованные системами регулировки температуры.
Параграф 2.5 посвящен описанию технических приёмов получения допированных кристаллов оксиортосиликатов и их подготовки к непосредственному использованию в эксперимента. В работе исследовались образцы кристаллов с
примесью ионов Рг3+ в концентрации 0.3 ат. %, выращенные методом Чохральского. При исследовании концентрационных эффектов и затухания люминесценции использовались кристаллы с примесью ионов Рг3 в трех концентрациях: 0.3, 0.6 и 1.8 ат. %. Все
образцы представляли собой пластинки толщиной до 1 мм.
Глава 3 содержит результаты экспериментального исследования оптических спектров поглощения и селективной люминесценции примесных центров Рг3 в кристаллах
в широком интервале температур. В ней представлен полный анализ полученных экспериментальных результатов.
Параграф 3.1 посвящен описанию систематики термов иона Рг3+. Электронная конфигурация иона Рг3+ порождает четыре синглетных 'во; '04; '16 и девять триплетных 3Н4; 3Н5; 3Н6; 3Р2; 3Р3; 3Р4; 3Ро; 3?1; Рг термов. Основному состоянию иона соответствует терм Зй(. Оптический спектр иона Рг3+ определяется квантовыми переходами с участием термов 3Н4, 'Бг, 3Ро,. Терм ^2 хорошо сепарирован большими интервалами энергии от других термов, поэтому оптические переходы с его участием можно надежно идентифицировать. Аналогичное утверждение справедливо и для терма 3Р<ь Как правило, спектральные линии соответствующие оптическим переходам на штарковские компоненты термов *1б и 3Р] сильно перемешаны и их идентификация затруднена. Кристаллическое поле слабо влияет на 4С-электроны РЗ ионов, поэтому его воздействие сводится лишь к частичному или полному снятию вырождения термов. Так как катионные узлы рассматриваемых кристаллов оксиортосиликатов ¥28105, Ь^Юз, всЬБЮз характеризуются предельно низкой точечной симметрией С1 следует ожидать полного снятия вырождения всех вырожденных термов иона Рг3*.
Параграф 3.2 содержит результаты экспериментального исследования оптических спектров поглощения кристаллов оксиортосиликатов с примесью ионов Рг3"1".
Низкотемпературный спектр поглощения одного из исследуемых кристаллов УгБЮзлг3* представлен на рис.1.
400 420 440 460 480 500 520 540 560 580 600 620 640
пт
Рис.1. Спектр поглощения кристалла УБО.Рг3* в области оптических переходов с основного терма 3Н4 на термы '02. 3Ро, 3Рь3Р2 " Т=1,5К.
Можно надежно идентифицировать группу спектральных линий связанных с оптическими переходами с нижней пггарковской компоненты терма основного состояния Н» примесных ионов Рт3+ на штарковские компоненты терма а так же спектральную
линию связанную с невырожденным термом Ро- Более детальное рассмотрение области спектра связанной с термом позволяет подсчитать число спектральных линий в два раза превосходящее ожидаемое число спектральных линий, связанных с пятью штарковскими компонентами полностью расщепленного терма 'Эг (рис.2). Характер спектров поглощения для кристаллов и 1,и28Ю5:Рг был подобный за исключением разных
спектральных сдвигов. Однако для кристалла принадлежащего другому
кристаллографическому типу, структура спектра поглощения и группировка спектральных линий была иная (рис.2).
Параграф 3.3 посвящен селективной спектроскопии примесных центров в кристаллах У28Ю5:Рг3+, И^К^РЛ СМгвЮ^Рг*.
Для идентификации и интерпретации спектральных линий в спектре поглощения исследуемых кристаллов (рис.2), использовалось селективное возбуждение люминесценции узкополосным, перестраиваемым по частоте лазером. На основе этих экспериментов было установлено, что десять спектральных линий в спектрах поглощения исследуемых кристаллов, которые связаны с термом примесных ионов, можно разбить на две группы. На рис.2 эти группы линий отмечены цифрой и цифрой со звёздочкой. Возбуждение в
любую из линий принадлежащей одной группе, наблюдались идентичные спектры люминесценции. Однако для каждой группы линий в спектре поглощения, спектры люминесценции были различны (рис.3). Основываясь на этих данных можно утверждать, что две группы спектральных линий в спектрах поглощения исследуемых кристаллов связаны с двумя различными оптическими центрами Рг3*.
поглощение
а
люминесценция первого типа
605 610 615 620 пт
Рис.3. Спектры люминесценции кристалла при селективном возбуждении в
выделенные группы спектральных линий.
В верхней части рисунка для сравнения представлен фрагмент спектра поглощения при
Параграф 3.4 содержит результаты экспериментального исследования зависимости спектров поглощения исследуемых кристаллов от температуры и концентрации примесных ионов Рг3+.
При повышении температуры исследуемых кристаллов до 80 К в спектрах поглощения и люминесценции появлялись температурно зависимые спектральные линии (рис.3).
Их появление связано с термическим заселением высших по энергии штарковских компонент терма основного состояния примесных ионов Рг3*. Кроме того, в спектре люминесценции проявлялись спектральные линии связанные с оптическими переходами со второй штарковской компоненты расщепленного терма 'Ог (рис.3). Анализ спектрального совпадения температурно зависимых линий в спектре поглощения кристаллов со спектральными линиями в спектрах люминесценции повышает надежность их интерпретации и дает параметры расщепления терма основного состояния 3Н( примесных ионов Рг*.
Анализ поведения спектров поглощения кристаллов с разной
концентрацией ионов активатора и распределения интенсивности поглощения в
т-» 3+
спектральных линиях двух оптических центров Рг позволили установить неравномерное заселение неэквивалентных катионных узлов в кристалле УгБЮб при увеличении концентрации примесных ионов. При концентрациях 0,6 ат.% и 1,8 ат.% ионов Рг3* в кристалле УгЭЮ; вблизи двух линий резонансных оптических переходов 3Н4(0)<->'02(0) двух оптических центров зарегистрированы дополнительные узкие пики, отсутствующие в спектре люминесценции при селективном возбуждении. С повышением концентрации ионов Рг3* интенсивность пиков возрастала. Этот факт и температурная зависимость концентрационно зависимых спектральных линий позволили приписать последние
3+
поглощению димеров ионов Рг .
Параграф 3.5 посвящен симметрийному анализу оптических спектров поглощения исследуемых кристаллов, которые связаны с переходами на штарковские компоненты расщепленного терма 'Бг примесных ионов Рг3*.
Используя данные, извлеченные из оптических спектров поглощения и люминесценции примесных ионов Рг3* в исследуемых кристаллах, получены численные оценки варьируемых параметров (интегралы Слэтера). Как и следовало ожидать, эти параметры имеют близкие значения: будучи извлеченными из экспериментальных данных для разных кристаллов, они определяют энергетический спектр свободного иона Рг3*.
На основании детального анализа группировки спектральных линий в спектрах поглощения (рис.2) и соответственно штарковских компонент терма 'Б2 примесных ионов можно констатировать, что в катионных узлах сохраняется квазисимметрия поля лигандов. Причём в кристаллах УгЭК^ И ЬигБЮз для одного типа оптических центров проявляется симметрия искаженного октаэдра, а для другого - искаженного тетраэдра. В кристалле (МгЗЮ} для обоих катионных узлов проявляется симметрия искаженного октаэдра. Используя представления групп и принцип последовательного понижения симметрии катионных узлов, из экспериментальных спектров (рис.2) получены параметры кристаллического поля лигандов в катионных узлах различного типа.
Глава 4 посвящена исследованию затухания свечения оптических центров Рг3 в кристаллах УгвЮ}, ЬигБЮз и вс^ЗЮз, а также изучению механизмов миграции энергии электронного возбуждения примесных ионов Рг3 в кристалле Уг8Ю5 при варьировании концентрации ионов активатора.
Параграф 4.1 Представлены результаты экспериментального исследования затухания люминесценции неэквивалентных оптических центров Рг3 в исследуемых кристаллах оксиортосиликатов. В кристаллах УБО.рЛ ЬЭО.-Рг* и 080:Рг3+ с минимальнои концентрацией ионов активатора (0.3 ат.%) затухание люминесценции после импульсного возбуждения описывается экспоненциальнои зависимостью от времени для обоих оптических центров (рис.4). Постоянные затухания люминесценции двух оптических центров различны и не изменяются в интервале температур 1,5-80 К.
Т=80К
\ у44*
Ч 6
люминесценция
1-типа
О 20 40 60 80 100
1.МКС
Рис.4. Кривые затухания люминесценции одного типа оптических центров в кристалле YSO.PT1
а) с минимальной (0,Зат.%) концентрацией примесных ионов,
б) с максимальной (1,8ат.%) концентрацией примесных ионов.
Параграф 4.2 Содержит результаты изучения затухания люминесценции в кристалле при вариации концентрации примесных ионов. Если концентрация примесных ионов достигала 0.6 ат.% форма кривой затухания люминесценции оптических центров первого типа существенно изменялась. Именно, на первый тип оптических центров припадает больший процент от общей концентрации ионов активатора. При 1.8 ат.% ионов активатора изменение кривой затухания люминесценции наблюдалось для обоих оптических центров (рис.4). Для первого типа оптических центров можно было проследить такую закономерность: чем выше была концентрация ионов активатора, тем сильнее затухание люминесценции отклонялось от экспоненциального закона. Причём это отклонение наиболее сильно проявлялось на начальной стадии затухания (рис.4).
Для кристалла с максимальной концентрацией ионов активатора форма кривой затухания люминесценции обоих оптических центров в интервале 1.5-80 К зависела от температуры. В кристалле с промежуточной концентрацией ионов активатора мы наблюдали слабую температурную зависимость только для оптических центров первого типа.
Параграф 4.3 посвящен исследованию взаимодействия между оптическими центрами в кристалле при вариации концентрации примесных ионов.
Сложный не моноэкспоненциальных характер затухания люминесценции примесных центров в кристаллах может быть связан с их взаимодействием между собой, когда имеется прямой и обратный перенос энергии возбуждения между двумя люминесцирующими центрами. Возможно этот случай реализуется в кристалле при большой
концентрации примесных ионов. Для выяснения этого использовалось селективное возбуждение двух типов оптических центров Рг3+ в кристаллах с разной
концентрацией примесных ионов. Перенос энергии возбуждения между разнотипными оптическими центрами Рг3* не обнаружен.
Параграф 4.4 Содержит анализ кривых затухания люминесценции в кристаллах с высокой концентрацией примесных ионов.
Отсутствие взаимодействия между неэквивалентными оптическими центрами в кристалле с большой концентрацией ионов активатора, температурная зависимость
кривых затухания люминесценции, характерный вид начального участка кривых затухания зависящий от концентрации примесных ионов позволяет утверждать, что имеет место одновременное действие двух релаксационных механизмов. Первый-перенос энергии возбуждения примесных ионов на центры тушения, второй-миграция энергии электронного возбуждения по однотипным оптическим центрам. В этом случае кривая затухания свечения примесных ионов описывается зависимостью:
где То -постоянная затухания люминесценции доноров в отсутствии акцепторов; Яо -критический радиус переноса энергии электронного возбуждения; Д -коэффициент диффузии энергии электронного возбуждения; с„ - концентрация ловушек. В табл.1 представлены результаты аппроксимации экспериментальных кривых затухания люминесценции оптических центров Рг+ в кристалле с помощью соотношения (1)
при разной температуре и разной концентрации примесных ионов.
___Таблица 1
т, к 0.3 аХ. % оГ Рг** 0.6 а1. % о[ Рг1* 1.8 а1. % оГ Рг**
1-тип Н-тип 1-тип И-тип 1-тип П-тип
77 то=108-10'6 а=0 р=о игМб-ю-6 а=0 р=0 х=108-10"6 а=0,4 Р=0,19 сл=1,8-1018 0=2,7.10-'° т= 145-10'6 а=0,14 р=о с„=6,3-1017 т=108-10"6 а=2,3 Р=1,24 с„=Ю19 0=3,5-10'10 т=145-10'6 а=1,98 р=0,99 сл=8,9-1018 0=2,2-Ю'10
1.5 )1~ - - т=108-10"6 а=2,3 Р=0,73 Сл=10" 0=1,7-Ю'10 т=145-10"6 а=1,98 р=0,54 с„=8,9-1018 0=0,97-10"10
Размерность параметров: то(сек); с„(см ); 0(см -сек-1)
В соотношении (1) варьировались оба параметра а и Д Для определения концентрации ловушек и коэффициента диффузии электронных возбуждений по однотипным оптическим центрам, была сделана оценка Ко=12Л. Критический радиус переноса энергии возбуждения определялся из экспериментальных данных для кристалла с промежуточной концентрацией примесных ионов 0,6 ат.%. В этом случае отклонение кривой затухания люминесценции наблюдалось только для оптических центров первого типа. вычислялась как среднее расстояний между оптическими центрами обоих типов при общей концентрации 0,6 ат.%.
Глава 5 посвящена нелинейной оптической спектроскопии примесных центров Рг3 в кристалле и исследованию эффекта ап-конверсии электронных состояний примесных
ионов в кристаллах.
Параграф 5.1 Содержит описание эксперимента по наблюдению двухимпульсного фотонного эха в кристалле на резонансном оптическом переходе
примесных ионов.
Параграф 5.2 Посвящен изучению температурных спадов амплитуды двухимпульсного фотонного эха в кристалле.
Эксперименты по исследованию динамики резонансных оптических переходов в кристалле существенно дополняют представления о микроскопической природе
примесных центров. Известно, что изменение амплитуды сигнала двухимпульсного фотонного эхо (ФЭ) описывается выражением:
/ = /0-ехр(-Г(Г)-2-ДО (4)
где амплитуда ФЭ, в которую включен независящий от температуры вклад в дефазировку вектора псевдоимпульса; у(Г)-величина однородного уширения спектральной линии оптического перехода; временной интервал между возбуждающими лазерными импульсами; Г-температура.
Величина однородного уширения является аддитивной функцией соответствующих релаксационных процессов и содержит как не зависящие, так и зависящие от температуры вклады. Для выявления механизмов релаксации когерентных откликов была исследована температурная зависимость амплитуды двухимпульсного фотонного эха (4).
Параграф 5.3 Содержит анализ механизмов разрушения амплитуды когерентного отклика на резонансном оптическом переходе примесных ионов в кристалле
УгБЮ^Рг*.
Для ионов празеодима в других кристаллах для описания температурного изменения однородной ширины линии резонансного оптического перехода обычно используют выражение:
Г(Г) = Г,-ехр(и,/Г) (5)
где у8 - константа электрон-фононного взаимодействия; - фононная частота соответствующая энергетическому расщеплению двух нижних штарковских компонент терма 3И( основного состояния иона Рг3+.
Однако использование соотношения (5) не позволяет описать температурный ход изменения у(Т) в кристалле УгвК^Рг3* (рис.5).
у(Т),Гц
Температура, К
Рис. 5. Температурная зависимость однородной ширины спектральной линии перехода 3Н4<ч?Ро ионов Рг3* в кристалле У80: 1 - экспериментальные данные
2-результат аппроксимации экспериментальных точек соотношением
3 - результат аппроксимации на основании соотношения Г(Т)~е*р(-£)
В работе показано, что учёт термостимулированных туннельных переходов примесных ионов Рг34, в пределах катионного узла локализации позволяет полностью описать температурную зависимость у(Т) в кристалле У28Ю5:Рг3+. Если предположить, что при повышении температуры кристалла У23Ю5:Рг3+ ионы празеодима могут совершать переходы между неэквивалентными положениями, то это приводит к появлению нового, дополнительного механизма дефазировки, известного для аморфных матриц. Элементарные возбуждения, ассоциированные с переходами примесных центров между неэквивалентными положениями, получили название туннелонов. Если рассмотреть взаимодействие резонансного оптического перехода с одним туннелоном, то дополнительная температурная зависимость однородной ширины оптического перехода определяется следующим выражением:
где е - энергия активации туннелона; ущп - константа электрон-туннелонного взаимодействия. Учет (5) совместно с соотношением (6) дает хорошую аппроксимацию экспериментальных точек при 41 = 75 ТГц и у[ип = 14.5 МГц (Е = 0.25 см'1) (рис.5).
Параграф 5.4 Посвящен изучению нелинейного оптического эффекта, ап-конверсии энергетических состояний примесных ионов в кристаллах
при нерезонансной когерентной накачке (АН=532 нм).
Частота лазерного излучения с длинной волны 532 нм попадает в энергетическую щель между термами 'Ог И 3Ро (Д~5000 СМ*1) и поэтому для этого излучения кристаллы прозрачны (рис.1). Разность энергии фотонов лазерного излучения и энергии определяющей положение ближайшего терма 3Ро одного из оптических центров Рг3+ составляет ~ 1700см*1. Расщепление терма основного состояния примесных ионов Рг3+ в среднем составляет ~500 см'1 и даже термическое заселение его штарковских компонент не может обеспечить поглощение исследуемых кристаллов на длине волны 532 нм. Однако, при достижении плотности возбуждающего лазерного излучения определенного порогового значения поглощение кристаллов на длине волны 532 нм резко возрастало. При этом наблюдалась интенсивная люминесценция кристаллов в стоксовой и антистоксовой области по отношению к лазерной линии возбуждения. Интенсивность люминесценции в стоксовой и антистоксовой области неравномерно зависела от температуры кристаллов. При повышении температуры кристаллов относительная интенсивность их
антистоксовой люминесценции возрастала сильнее. Для кристалла эта
закономерность выражена существенно слабее. Интегральная интенсивность антистоксовой люминесценции кристаллов падала по экспоненциальному закону при понижении температуры. При аппроксимации экспериментальных точек законом ехр-(Д/Г) получены следующие энергии активации: 1941 см'1 2581 см'1 и 1310 см'1
В заключении представлены основные положения и выводы диссертационной работы:
В работе исследованы оптические спектры, затухание люминесценции и динамика электронных переходов ионов активатора Рг3+ в кристаллах на
основе анализа и обобщения экспериментальных результатов построена микроскопическая модель центров активации Рг3*.
1. Показано наличие двух типов оптических центров в кристаллах и
возникающих в результате замещения двух неэквивалентных катионных узлов примесными ионами. Примесные ионы Рг3 неравномерно заселяют неэквивалентные катионные узлы;
2. На основе анализа особенностей расщепления терма примесных ионов Рг3 обнаружено сохранение квазисимметрии катионных узлов в кристаллах и
В кристаллах и Lu2Si05, принадлежащих к одному
кристаллографическому типу, в одном сорте катионных узлов наблюдается кристаллическое поле искаженного октаэдра, в другом - искаженного тетраэдра. В кристалле относящемся к другому кристаллографическому типу, оба сорта
катионных узлов имеют кристаллическое поле искаженного октаэдра;
3. При возрастании общей концентрации примесных ионов Рг3 свыше 0,6 ат.% наблюдается • отклонение закона затухания люминесценции примесных ионов в кристалле
от экспоненциального, что вызвано переносом и миграцией энергии электронного возбуждения. Наблюдаемая особенность проявляется для двух оптических центров при разной концентрации, что обусловлено неравномерным заселением неэквивалентных катионных узлов примесными ионами;
4. Миграция энергии электронного возбуждения примесных центров в кристалле
носит характер термостимулированной диффузии. В качестве ловушек энергии электронного возбуждения примесных ионов в кристалле выступают
димеры примесных ионов;
5. Установлено, что при гелиевых температурах примесные ионы в кристалле испытывают термостимулированные туннельные переходы между неэквивалентными положениями в пределах одного катионного узла локализации;
6. Установлено, что высокая изоморфная ёмкость кристаллов
отношению к активации РЗ ионами обусловлена относительной "рыхлостью" катионных узлов;
7. При нерезонансной когерентной лазерной накачке в кристаллах
с примесью ионов празеодима имеет место фотостимулированная ап-конверсия квантовых уровней Рг3.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1.Селективная спектроскопия примесных ионов Рг3+ в кристаллах Y2S1O5, Lu2SiC5 / Малюкин Ю.В., Борисов Р.С., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Гринев Б.В., Знаменский Н.В., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // ФНТ.- 2000.-Т.26,№ 12.-С. 1207-1213.
2.Природа центров активации в кристаллах Знаменский Н.В., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г., Малюкин Ю.В., Борисов Р.С., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Гринев Б.В. //ЖЭТФ.- 2001.- Т. 120, вып. 2 (8).- С. 420-429.
3.Проявление квазисимметрии катионных узлов в спектрах примесного иона Рг3+ / Малюкин Ю.В., Борисов Р.С., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Гринев Б.В., Знаменский Н.В.,. Маныкин Э.А, Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // ФНТ.- 2001.- Т.27, № 7.- С. 780-785.
4.Взаимодействие оптических центров Рг3 в кристалле / Малюкин Ю.В., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Гринев Б.В., Знаменский Н.В., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // ФНТ. - 2002.- Т.28, № 1.- С. 73-78.
5. Echo-spectroscopy of TLS of multi-well adiabatic potential for Pr3+ activator centers in Y2Si05/ Yu.V. Malyukin R.S. Borysov P.N. Zhmurin A.N. Lebedenko B.V. Grinyov G.G. Grigoryan N.V.Znamensky E.A. Manykin Yu.V. Orlov E.A. Petrenko T.G. Yukina.//Proceedings of SPD3.-2002.-v.4748.-p.258-261
6. Yu.V. Malyukin, P.N.Zhmurin, N.V.Znamensky, E.A.Petrenko, T.G. Yukina. Investigations of interaction of optical centers Pr3* in a Y2Si05 crystal.// Proceedings of SPIE, V 5402, pp. 341346,2004
7. Ап-конверсия и перенос энергии возбуждения примесных ионов в кристаллах Y2Si05:Pr3+, Lu2Si05:Pr+ и Gd2Si05:Pr3+/MajnoKHH Ю.В., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н.,Масалов А.А., Знаменский Н.В., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // Квантовая электроника.-2004.-Т.34, № 7.-С-617-622.
Подписано в печать 17.11.2004. Формат 60x90/16 Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 70. Заказ 74
Отпечатано в РНЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова
»22365
РНБ Русский фонд
2005-4 21423
Введение.
Глава 1. Литературный обзор.
§1.1 Сравнительная характеристика методов оптической и нелинейной лазерной спектроскопии примесных центров.
§ 1.2 Основные представления спектроскопии примесных ионов в широкозонных диэлектрических кристаллах.
§1.3 Кристаллические среды для оптической памяти и фурье процессоров (основные требования и характеристики).
§ 1.4 Современное состояние в области спектроскопии редкоземельных ионов в кристаллах оксиортосиликатов.
Глава 2. Техника эксперимента.
§2.1 Приборы и техника спектроскопии оптического поглощения.
§2.2 Техника лазерной селективной спектроскопии и спектроскопии с разрешением во времени.
§2.3 Лазерный комплекс для наблюдения фотонного эха.
§2.4 Низкотемпературная техника эксперимента.
§2.5 Образцы для исследования.
Глава 3. Спектроскопия оптического поглощения примесных ионов
Рг3+ в кристаллах Y2Si05, Lu2Si05, Gd2Si05.
§3.1 Система термов и оптические переходы внутри f-оболочки ионаРг3+.
§3.2 Спектры оптического поглощения кристаллов Y2Si05:Pr3+,
Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+.
§3.3 Температурная и концентрационная зависимость спектров поглощения кристаллов Y2Si05:Pr3+, Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+
§3.4 Селективная спектроскопия примесных центров в кристаллах Y2Si05:Pr3+, Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+.
§3.5 Симметрийный анализ спектров поглощения оптических центров Рг3+ в кристаллах оксиортосиликатов.
Глава 4. Лазерная селективная спектроскопия с временным разре
2 I e в шением примесных ионов Рг в кристаллах Y2S1O5, LU2S1O5, Gd2Si
§4.1 Затухание люминесценции кристаллов Y2Si05:Pr , Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+npH малой концентрации примесных ионов.
§4.2 Особенности затухания люминесценции кристалла
Y2SiOs:Pr при вариации концентрации примесных ионов.
§4.3 Взаимодействие однотипных и неэквивалентных оптических центров Рг3+ в кристалле Y2SiC>5:Pr3+.
§4.4 Анализ экспериментальных кривых затухания люминесценции в модели переноса и захвата на ловушки энергии возбуждения примесных ионов.
Глава 5. Нелинейная лазерная спектроскопия кристаллов Y2Si05:Pr
Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+.
§5.1 Фотонное эхо на резонансных оптических переходах примесных ионов Рг в кристалле Y2Si05.
§5.2 Температурная зависимость амплитуды двухимпульсного фотонного эха в кристалле Y2SiOs:Pr
§5.3 Механизмы разрушения эхо-сигнала в кристалле
Y2Si05:Pr3+.
§5.4 Фотостимулированная ап-конверсия квантовых уровней примесных ионов в кристаллах Y2Si05:Pr3+, Lu2SiC>5:Pr3+,
Gd2Si05:Pr3+.
Актуальность работы. Широкое, разностороннее, постоянно растущее практическое применение люминесцирующих материалов на основе специально активированных ионами переходных металлов и редкоземельными ионами широкозонных диэлектрических кристаллов делает их объектами интенсивных исследований [1-8]. Активированные кристаллы находят широкое применение не только в таких традиционных областях, как квантовая электроника и сцинтиляционная техника. В настоящее время наблюдается значительный интерес к активированным кристаллам, как резонансным оптическим средам для наблюдения когерентных переходных процессов, на основе которых возможно создание принципиально новых оптических запоминающих устройств и процессоров для параллельной обработки больших информационных потоков [9,10].
Несмотря на разные аспекты прикладного использования активированных кристаллов, центральным объектом внимания является примесный ион и его ближайшее кристаллическое окружение. Электронная структура примесного иона и его взаимодействие с кристаллическим окружением полностью определяет основные оптические и люминесцентные свойства примесного кристалла. Важнейшей характеристикой является энергетический спектр примесных ионов, непосредственно зависящий от особенностей структуры поля лигандов в катионных узлах. Для получения исчерпывающей информации о структуре энергетического спектра примесных ионов, наличии метастабильных энергетических уровней недостаточно использовать обычные методы спектроскопии оптического поглощения [11-15]. Неоднородное уширение оптических полос в спектре поглощения может скрывать многоцентровость, связанную с неэквивалентностью катионных узлов, и маскировать взаимодействие между неэквивалентными оптическими центрами [11,12]. Для преодоления ограничений спектроскопии поглощения необходимо использовать современные методы лазерной селективной спектроскопии и спектроскопии с временным разрешением [11-14]. Для эффективного прикладного использования когерентных переходных процессов необходима информация о динамике оптических переходов между метастабильными энергетическими уровнями примесного иона [12,15]. Это, прежде всего, подразумевает знание времен энергетической и фазовой релаксации возбуждений на резонансных оптических переходах и величины дипольных моментов [12,14,15]. Поэтому, использование методов нелинейной оптической спектроскопии является практически необходимым на современном этапе исследования активированных кристаллов [11,12,14].
Кристаллы Y2Si05 (YSO), Lu2Si05 (LSO) и Gd2Si05 (GSO), относящиеся к семейству оксиортосиликатов с общей формулой RE2(Si04)0 (RE - элементы Y, La-Lu) [16], обладают рядом уникальных свойств. Кристаллы оксиортосиликатов редких земель являются относительно новыми объектами исследования и уже сейчас в этом классе кристаллов найдены эффективные сцинтиляторы [17-19]. Кристаллы оксиортосиликатов обладают высоким оптическим качеством, широким диапазоном прозрачности, химической и фотохимической стабильностью. До начала исследований по диссертационной работе, данные по спектроскопии редкоземельных ионов, специально введенных в эти кристаллы были противоречивы и немногочисленны [20-22]. В зависимости от типа редкоземельного иона, кристаллы оксиортосиликатов принадлежат двум кристаллографическим типам [16,23]. В обоих случаях, кристаллическая решетка характеризуется двумя неэквивалентными катионными узлами с разной координацией по кислороду [23]. Однако реальная структура поля лигандов в неэквивалентных катионных узлах остаётся неизвестной. Неизвестна, также, изоморфная ёмкость этих узлов по отношению к введению примесных редкоземельных ионов.
Ион празеодима чрезвычайно интересен по ряду причин. В его энергетическом спектре имеется несколько метастабильных энергетических уровней, что позволяет рассматривать схемы эффективной ап-конверсии его энергетических уровней под действием низкоэнергетических квантов накачки, а так же выбрать несколько пар резонансных оптических переходов для наблюдения когерентных оптических откликов [5,6,7,11,14,15]. Квантовые переходы внутри f-оболочки ионов празеодима обеспечивают многочастотную лазерную генерацию [22,24]. Ион Рг3+ имеет хорошо сепарированный по энергии от других термов, терм JD2 [1,6,7], который может быть использован в качестве зонда для исследования микроструктуры поля лигандов катионных узлов.
Цели и задачи работы. 1 .Исследование закономерностей формирования оптических спектров
5 L поглощения примесных ионов Рг в кристаллах YSO, LSO, GSO.
2.На основе симметрийного анализа особенностей расщепления терма !D2 примесных ионов Рг3+ получить количественную информацию о микроструктуре поля лигандов в катионных узлах кристаллов YSO, LSO, GSO.
3.Изучить изоморфную ёмкость неэквивалентных катионных узлов кристаллической решетки YSO при вариации концентрации примесных ионов Рг3+. Выяснить наличие взаимодействия между оптическими центрами Рг3+.
4.Исследовать механизмы разрушения амплитуды двухимпульсного фотонного эха на резонансных оптических переходах примесных ионов о |
Рг в кристалле YSO.
5.Исследовать явление фотостимулированной ап-конверсии энергетических уровней примесных ионов Рг3+ в кристаллах YSO, LSO и GSO под действием нерезонансной когерентной накачки.
Научная новизна.
Впервые установлено наличие двух оптических центров Рг3+, обусловленных замещением примесными ионами неэквивалентных катионных узлов в кристаллических решетках YSO, LSO и GSO. Обнаружена квазисимметрия поля лигандов в катионных узлах кристаллов YSO, LSO и GSO. В одном типе катионных узлов кристаллов YSO и LSO для кристаллического поля лигандов наблюдается симметрия искаженного октаэдра, а для другого типа искаженного тетраэдра. Поле лигандов в кристалле GSO для обоих катионных узлов имеет симметрию искаженного октаэдра. Установлено неравномерное заселение примесными ионами Рг3+ неэквивалентных катионных узлов кристалла YSO. Обнаружено взаимодействие только между однотипными оптическими центрами Рг3+ в кристалле YSO в интервале температур 1.5-80 К и вариации общей концентрации примесных ионов в интервале 0.3-1.8 ат. %. Показано, что в пределах катионного узла первого типа в кристалле YSO имеют место термостимулированные туннельные переходы примесного иона Рг3+ между минимумами адиабатического потенциала, определены параметры туннелирования. Обнаружено и исследовано явление фотостимулированной ап-конверсии энергетических уровней примесного о » иона Рг в кристаллах YSO, LSO и GSO при нерезонансной оптической накачке.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы в разработках новых оптических материалов, активных лазерных сред под диодную накачку и эффективных, быстродействующих сцинтилляторов для позитронных томографов и экспериментов по физике высоких энергий. Полученные экспериментальные результаты позволяют вести целенаправленную разработку и создание новых оптических материалов на базе кристаллов оксиортосиликатов.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в процессе выполнения диссертационной работы, обусловлена неограниченной стабильностью объектов исследования и однозначной воспроизводимостью результатов измерений, использованием современных методов оптической спектроскопии и полной автоматизацией эксперимента, достаточностью экспериментального материала и прозрачностью его интерпретации, интегрированием полученных результатов в современные исследования других научных коллективов.
Автор выносит на защиту.
1.Результаты исследования оптических спектров поглощения примесных ионов Рг3+ в кристаллах YSO, LSO и GSO при вариации концентрации в интервале температур 1,5-80К.
2.Симметрийных анализ особенностей расщепления терма примесных ионов Рг3+ в неэквивалентных катионных узлах кристаллов YSO, LSO и GSO.
3.Результаты исследования особенностей затухания люминесценции примесных ионов Рг3+ при вариации их концентрации 0,3-1,8 ат.% в кристалле YSO.
4.Результаты исследования механизмов дефазировки резонансного оптического перехода 3Н4<н>3Ро примесных ионов Рг3+ в кристалле YSO.
5.Результаты исследования фотостимулированной ап-конверсии энергетических уровней примесных ионов Рг3+ в кристаллах YSO, LSO и GSO при нерезонансной когерентной накачке.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы изложены в 7 статьях научных специализированных журналов и вынесены для обсуждения на следующие международные конференции: XVII Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO 2001) 2001, Минск, Беларусь; IX Международные чтения по квантовой оптике, 2003, С.-Петербург, Россия; XIII ежегодная международная конференция по лазерной физике (LPHYS'04) 2004, Триест, Италия.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Списка цитированной литературы. Диссертация изложена на 117 страницах печатного текста, иллюстрирована 28 рисунками и 2 таблицами. Список цитированной литературы состоит из 101 источника.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе исследованы оптические спектры, затухание люминесценции и динамика электронных переходов ионов активатора Рг3+ в кристаллах Y2Si05, LU2S1O5 и Gd2Si05, на основе анализа и обобщения экспериментальных результатов построена микроскопическая модель центров активации Рг3+.
-5 I
1. Показано наличие двух типов оптических центров Рг в кристаллах Y2Si05, Lu2Si05 и Gd2Si05, возникающих в результате замещения двух неэквивалентных катионных узлов примесными ионами. Примесные ионы Рг3+ неравномерно заселяют неэквивалентные катионные узлы;
2. На основе анализа особенностей расщепления терма 'Ог примесных
1 I ионов Рг обнаружено сохранение квазисимметрии катионных узлов в кристаллах Y2Si05, Lu2SiOs и Gd2SiC>5. В кристаллах Y2Si05 и Lu2Si05, принадлежащих к одному кристаллографическому типу, в одном сорте катионных узлов наблюдается кристаллическое поле искаженного октаэдра, в другом - искаженного тетраэдра. В кристалле Gd2Si05, относящемся к другому кристаллографическому типу, оба сорта катионных узлов имеют кристаллическое поле искаженного октаэдра; о I
3. При возрастании общей концентрации примесных ионов Рг свыше 0,6 ат.% наблюдается отклонение закона затухания люминесценции
1 I примесных ионов в кристалле Y2Si05:Pr от экспоненциального, что вызвано переносом и миграцией энергии электронного возбуждения. Наблюдаемая особенность проявляется для двух оптических центров при разной концентрации, что обусловлено неравномерным заселением неэквивалентных катионных узлов примесными ионами;
4. Миграция энергии электронного возбуждения примесных центров в л I кристалле Y2SiC>5:Pr носит характер термостимулированной диффузии. В качестве ловушек энергии электронного возбуждения примесных ионов в кристалле Y2Si05:Pr3+ выступают димеры примесных ионов;
Установлено, что при гелиевых температурах примесные ионы в кристалле Y2SiC>5:Pr3+ испытывают термостимулированные туннельные переходы между неэквивалентными положениями в пределах одного катионного узла локализации;
Установлено, что высокая изоморфная ёмкость кристаллов Y2Si05, Lu2SiC>5 и Gd2Si05 по отношению к активации РЗ ионами обусловлена относительной "рыхлостью" катионных узлов;
При нерезонансной когерентной лазерной накачке в кристаллах Y2Si05, Lu2Si05, Gd2Si05 с примесью ионов празеодима имеет место фотостимулированная ап-конверсия квантовых уровней Рг .
1.C.W.Thiel, H.Cruguel, Y.Sun, G.J.Lapeyre, R.M.Macfarlane, R.W.Equall, and R.L.Cone, Systematics of 4f electron energies relative to host bands by resonant photoemission of rare earth doped optical materials//J.Luminescence.-2001.-v.94&95.-p.l-6.
2. R.P.Rao, and D.J.Devine, RE-activated lanthanide phosphate phosphors for PDP applications// J.Luminescence.-2000.-v.87&89.-p.l260-1263.
3. A.J.Wojtowicz, Rare-earth-activated wide bandgap materials for scintillators//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research.-2002.-v.A486.-p.201-207.
4. G.Blasse, The luminescence efficiency of scintillators for several applications: State-of-the-art// J.Luminescence.-1994.-v.60&61.-p.930-935.
5. W.Lenth, and RM.Macfarlane, Exitation mechanisms for upconvertion laser// J.Luminescence.-1990.-v.60.-p.346-350.
6. А.А.Каминский, Физика и спектроскопия кристаллов. М.: Наука, 1986. -271 с.
7. Spectroscopy of Solids Containing Rare Earth ions / Ed. by A.A.Kaplyanskii and RM.Macfarlane. Amsterdam: North-Holland, 1987. - 365 p.
8. М.Е.Глобус, Б.В.Гринев, Неорганические сцинтилляторы. — Харьков: АКТА, 2000. 402 с.
9. E.A.Manykin, N.V.Znamensky, D.V.Marchenko, E.A.Petrenko, and M.A.Selivanov, Elaboration of rapid Mathods in an Optical Storage Device Based on the Photon Echo Effect//Optical Memory and Neural Networks.-1992.-v.l.-p.239-255.
10. M.K.Kim, and RKachru, Many-bit optical data storage using stimulated achoes//Appl. Opt.-1989.-v.28.-p.2185-2189.
11. Сверхчувствительная лазерная спектроскопия / под редакцией Д.Клайджера. М.: Мир, 1986. - 519 с.
12. Набойкин Ю.В. Когерентная спектроскопия молекулярных кристаллов.- К.: Наукова думка, 1986. 248 с.
13. Маныкин Э.А., Самарцев В.В. Оптическая эхо-спектроскопия. М.: Наука, 1984.-272 с.
14. Бондарь И. А., Виноградов Н.В., Демьянец JI.H. Соединения редкоземельных элементов. Силикаты, германаты, фосфаты, арсенаты, ванадаты. JL: Наука, 1983. - 268 с.
15. Chochralski growth of rare earth oxyorthosilicate single cryatals / C.L.Melcher, R.A.Manete, C.A.Peterson, and J.S.Schweizer // J.Crystal Growth.- 1993. Vol.128. - P.1001 - 1007.
16. Melcher C.L. and Schweizer J.S. Cerium-doped lutethium oxyorthosilicate: a fast efficient new scintillator // IEEE Trans. Nucl. Sci. 1992. - Vol.39. - P. 502 -513.
17. Спектрально-люминесцентные и абсорбционные характеристики иона1. О I
18. Ju J.J., Ro J.H., and Cha M. Up-conversion mechanisms in Pr -doped Bi4Ge3Oi2 crystal // J. Luminescence. 2000. -Vol.87-89. - P. 1045-1048.
19. Бальхаузен К. Введение в теорию поля лигандов. М.: Мир, 1964. — 360 с.
20. Берсукер И.Б. Электронное строение и свойства координационных соединений. Ленинград: Химия, 1986. - 286 с.
21. Кулагин Н.А., Свиридов Д.Т. Введение в физику активированных кристаллов. — Харьков: Выща школа, 1990. 319 с.
22. Стоунхем A.M. Теория дефектов в твердых телах. Т.1. М.: Мир, 1978. - 569 с.
23. Демтредер В. Лазерная спектроскопия. Основные принципы и техника эксперимента. М.: Наука, 1985.- 608с.
24. J.L.Skiner, В.В.Laird, and L.Root, Inhomogeneous broadening in solids: progress towards a microscopic understanding//J.Luminescence.-1990.-v.45.-p.6-8.
25. Л.Аллен, Дж.Эберли, Оптический резонанс и двухуровневые атомы.-М.: Мир, 1978.-222 с.
26. Дж.Макомбер, Динамика спектроскопических переходов.- М.: Мир, 1978.-287 с.
27. Спектроскопия и динамика возбуждений в конденсированных молекулярных системах // под ред. В.М.Аграновича и Р.М.Хохштрассера.-М.: Наука, 1987.
28. У.Х.Копвилем, В.Р.Нагибаров, Световое эхо на парамагнитных кристаллах// ФММ.-1963 .-т. 15 .-с.313-315.
29. Dorembos P. Predictability of 5d level positions of the triply ionized lanthanides in halogenides and chalcogenides // J.Luminescence. 2000. -Vol.87-89. - P. 970-972.
30. F.Auzel, Up-coversion processes in coupled ion systems//J.Luminescence.-1990.-v.45.-p.341-345.
31. Н.Л.Погребняк, П.Н.Жмурин, Б.И.Минков, Ю.В.Малюкин, Низкотемпературная спектрскопия кристаллов Y2SiOs:Pr и Gd2Si05 :Рг3+//У ФЖ,-1995 .-т.40.-с. 178-181.
32. Низкотемпературная спектроскопия неэквивалентных оптическихл Iцентров Рг в кристалле Y2Si05 / Ю.В.Малюкин, Б.И.Минков, Р.С.Борисов, В.П.Семиноженко и д.р. // ФНТ. 1998. - Т. 24, № 6 . - С. 571-576.-> I
33. Spectral hole-burning and holography in a
34. Y2Si05:Pr crystal / K.Holliday, M.Croci, E.Vauthey, and U.P.Wild // Phys.Rev. 1993. - Vol.47, P.14741-14752.
35. А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Ю.И.Островский, Техника и практика спектрскопии.-М.: Наука, 1976.- с.392.
36. Дж.Лакович, Основы флуоресцентной спектроскопии.-М.: Мир, 1986.-с.496.
37. D.V.O'Connor, and D.Phillipe, Time-correlated single Photon Counting.-New York: Academi Press, 1984.-p.102.
38. В.Н.Задков, Ю.В.Пономарев, Компьютер в эксперименте.-М.: Наука, 1988.-c.376.45.NIM460.3велто, Физика лазеров.-М.: Мир, 1979.-c.373.
39. N.Kurnit, and S.R.Hartmann, Stimulated photon echoes//Bull.Am.Phys.Soc., 1966.-v.ll.-p.112.
40. Y.C.Chen, K.P.Chaig, and S.R.Hartmann, Spectroscopic and relaxation character of the H4- P0 transition in LaF3:Pr mesured by photon echoes.-Phys.Rev.B., 1980.-v.21 .-p.40-47.
41. Y.C.Chen, and S.R.Hartmann, Photon echo modulation in LaF3:Pr3+.-Phys.Lett., 1976.-v.A58.-p.201-202.
42. Р.Лодиз, Р.Паркер, Рост монокристаллов.-М.: Мир, 1974.-c.357.
43. Yen W.M., Scott W.C., and Schawlow A.L. Photon-induced relaxation in excited optical states in trivalent praseodymium in LaF3 // Phys.Rev. 1964. -Vol.136.-P.271-283.-> I
44. Wensky D.A., and Moulton W.G. Energy levels of Pr in various crystal hosts // J.Chem.Phys. 1970. - Vol.53. - P. 3957-3968.
45. Hargreaves W.A. Energy levels of tetragonally site
46. Pr3+ ions in calcium fluoride crystals // Phys.Rev.B. 1972.- Vol.6. - P.3417-3422.
47. Caspers H.H., and Rast H.E. // Electronic and vibronic spectra of Pr3+ in LiYF4// J.Luminescence. 1975. - Vol.10. - P. 347-369.
48. Взаимодействие оптических центров Рг3+ в кристалле Y2Si05 / Малюкин Ю.В., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Шолкина М.А., Гринев Б.В., Знаменский Н.В., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // ФНТ. 2002.- Т.28, № 1.- С. 73-78.
49. Природа центров активации в кристаллах Y2Si05, Gd2Si05 и Lu2Si05 / Знаменский Н.В., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г.,
50. Малюкин Ю.В., Борисов Р.С., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Гринев Б.В. // ЖЭТФ.- 2001.- Т.120, вып. 2 (8).- С. 420-429.-у .
51. Spectroscopy of Ti :А1203 / A.Lupei, V.Lupei, C.Ionescu, H.G.Tang, and M.L.Chen // Optics Communication. 1986. - Vol.59. - P. 36-38.
52. Byvik C.E., and Buoncristiani A.M. Analasis of Vibronic transition in titanum doped sapphire using the temperature of fluorescence spectra // IEEE Quantum Electronic. 1985. -Vol.21. - P. 1619-1624.
53. Lacovara P., Esterovich L., and Kokta M. Growth, spectroscopy, and lasing of titanium-doped sapphire // IEEE J.Quantum Electronic. 1985. - Vol.21.-P.1614-1618
54. Р.Хохштрассер, Молекулярные аспекты симметрии.-М.: Мир, 1980. -315 с.
55. Yu.V.Malyukin, R.S.Borisov, A.N.Lebedenko, N.I. Leonyuk, and M.Roth,о I
56. Feutures of luminescence decay kinetics for Pr ions in a Y2Si05 crystal.- Low Temperature Physics.-2000.- v.26.- p.363-366
57. Р.Нокс, А.Голд, Симметрия в твердом теле.-М.: Наука, 1970.-c.424
58. Юдис А.П., Савукинас А.Ю. Математические методы теории атома. — Вильнюс: Миншис, 1973. 479 с.
59. В.Л.Ермолаев, Е.Н.Бодунов, Е.Б.свешникова, Т.А.Шахвердов, Безызлучательный перенос энергии электронного возбуждения.-Л.: Наука, 1977.-c.310.
60. A.Oppenlander, C.Rambaud, H.P.Trommsdorff, and J.C.Vial, Translational Tunneling of Protons in Benzoic-acid crystals, Phys.Rev.Lett., 1989.-v.63.-p.1432-1435.
61. R.Illigworth, Luminescence decay of KI(T1), KBr(Tl), and KCl(Tl)// Phys.Rev.-1964.-v.l3.-p.508-517/
62. Soules T.F., and Duke C.B. Resonant energy transfer between localized electronic states in a crystal // Phy.Rev.B. -1971. Vol.3.- P. 262-273.
63. Аграновач B.M., Галанин М.Д. Перенос энергии электронного возбуждения в конденсированных средах.-М.: Наука, 1978.-c.384.
64. Малюкин Ю.В., Лебеденко А.Н. Люминесцентная динамика примесного центра с двухямным адиабатическим потенциалом // Письма ЖЭТФ. -1993.-Т.58. С.20-22.
65. Малюкин Ю.В., Погребняк Н.Л., Семиноженко В.П. Особенности низкотемпературной спектроскопии примесных центров с многоямным адиабатическим потенциалом // ФНТ. 1995. - Т.21. - С. 1236-1240.
66. Авдеенко А.А., Еременко В.В., Карачевцев В.А., Особенности миграции триплетных экситонов в квазиодномерных кристаллах.// ЖЭТФ.-1988.-т.94.-с.281-290.
67. Burshtein A.I., Energy quenching kinetics beyong the rate concept, J.Luminescence.-2001 .-v.93 .-p.229-241.
68. KenkreV.M., and ParrisP.E., Exiton trapping and sensitized luminescence: a generalized theory for all trap concetrations., Phys.rev.B., 1983.-v.27.-p.3221-3234.
69. Danielmer H.G., and Weber H.P., Fluorescence in Neodymium Ultraphosphate, J.Quantum Electronics.-1972.-v.QE-8.-p.805-808. , 81 .Kallendonk F., and Blasse G., Luminescence and energy transfer in EuAl3B40i2, J.Chem.Phys., 1981.-v.75.-p.561-571.
70. Flaherty J.M., and Powell R.C., Concentration quenching in NdxY^PsO^ crystals, Phys.Rev.B., 1979.-v.l9.-p.32-42.
71. Chua M., Tanner P.A., and Reid M.F. Phonon-assisted energy transfer // J.Luminescence. 1994. - Vol.60-61. - P.83 8-841.
72. Kirkpatrick S.M., Denis W.M., and Yen W.M. Phonon-assisted stimulated energy transfer in LaF3:Pr3+ //J.Luminescence. 1994. - Vol.60-61. - P.857-859.
73. Equall R.W., Cone R.L., and Macfarlane R.M. Homogeneous broadening-j iand hyperfine structure of optical transition in Pr :Y2Si05 // Phys.Rev.B. -1995. -Vol.52. P. 3963-3969.
74. Kurnit N.A.,Abella I.D., and Hartmann S.R., Observation of photon echoes.-Phys.Rev.Lett., 1964.-v.6.-p.567-570.
75. Abella I.D., Kurnit N.A., and Hartmann S.R., Photon echoes, Phys.Rev., 1966.-v.l41.-p.391-411.
76. Kohmoto Т., Nakatsuka H., and Matsuoka M., Phonon-Induced Relaxation in7 ш
77. F3:Pr Measured by Photon Echoes.-Japanese Journal of Applied Physics, 1983.-v.22.-p.571-573.
78. Morsink J.B.W., Wiersma D.A., Photon Echoes in the 3P0-3H4 Transition of LaF3:Pr3+, Chem.Phys.Lett., 1979.-v.65.-p.l05-108.
79. Compaan A., Concentration-dependent photon-echo decay in raby, Phys.Rev., 1972.-v.5.-p.4450-4465.
80. Glasser S., and Wackerle G., High-resolution spectroscopy of YA103:Pr3+by stimulated photon-echo envelope modulation, Chem.Phys.Lett., 1984 v. 121.-p.267-271.
81. Macfarlane R.M., and Meixner A.J., Electric-field-modulation photon echoes in YA103:Pr3+, Chem.Phys., 1994 v.l9.-p.987-989.
82. Takeuchi N., Mesurmant of the relaxation time in LaF3:Pr3+ by photon echo, J.Luminescence, 1976,-v. 12/13 .-p.743-747.
83. Chen Y.C., Chaing K.P., and Hartmann S.R., photon-echo relaxation in LaF3:Pr3+, Opt.Commun., 1979.-v.29.-p.l81-185.
84. Takeuchi N., Photon-echo behavior in the presence of extreme inhomogeneous broading, IEEE J. Quant. Electronics, 1975.-v.ll.-p.230-235.
85. Meijers H.C., and Wiersma D.A., Low temperature dynamics in amorphous solids: A photon echo study, J. Chem. Phys., 1994.-v.l01.-p.6927-6943.
86. Jankoviak R., and Smoll G.J., spectral diffusion of molecular electronic transition in amorphous solids: weak and strong tow-level-system phonon caupling, Phys. Rev.B., 1993.-v.47.-p.l4805-14812.
87. Малюкин Ю.В., Погребняк h.ji. и др., Особенности дефазировки резонансных оптических переходов иона Рг в кристалле Y2Si05, ЖЭТФ, 1995.-Т.108.-С.485-492.
88. Huber G., Bar S., Heumann E., Kuck S., and Scheife H. In: 2nd International Symposium on Laser, Scintillator and Nonlinear Optical Materials (Lyon, France, 2000, Session 3, talk 2).
89. Formaliero V., Mix E., Peters V., Petermann K, and Huber G., Crystal Research and Technology, 1990.-v.31.-p.255-247.
90. Lenth W., and Macfarlane R.M., Exitation mechanisms for upconvertion lasers, J. Luminescence, 1990.-v.45.-p. 346-348.
