Оптические свойства четырехвалентного иона марганца в гадолиний-галлиевом гранате

Приходько, Виктор Владимирович

Оптические свойства четырехвалентного иона марганца в гадолиний-галлиевом гранате тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Приходько, Виктор Владимирович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Ульяновск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2000 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Оптические свойства четырехвалентного иона марганца в гадолиний-галлиевом гранате»

Автореферат диссертации на тему "Оптические свойства четырехвалентного иона марганца в гадолиний-галлиевом гранате"

На прм^х_рукот1|и

СЕН 2000

Приходько Виктор Владимирович

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕТЫРЕХВАЛЕНТНОГО ИОНА МЛРГАНПА В ГЛДОЛ1ШИЙ-ГАЛЛИЕВОМ ГРАНАТЕ

Специальность: 01,04.05 — Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ульяновск - 2000

Работа выполнена в Ульяновском государственном университете

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

действ, чл. РАЕН, чл.-корр. All Татарстана, профессор С.В.Булярский

доктор физико-математических наук, действ, чл. РАЕН, профессор В.С.Горелик

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

_____1.А \ Г1,,^.

1П-Г\.,Х V I IV

доктор физико-математических наук, доцент Н.С.Грушко

Ведущая организация: Мордовский государственный

университет

Защита состоится 22 сентября 2000 года в 14 часов на заседании *

диссертационного совета Д 053.37.01 Ульяновского государственного университета по адресу: Набережная р. Свияги, ауд. 701

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета

Автореферат разослан « 2./ » ¿}<£сл*Г2г<а 2000 г.

Отзывы на автореферат просим присылать по адресу:

432700, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, УлГУ, научная часть

Ученый секретарь диссертационного совета

ВЗУ-1/.

В.Б.Тулвинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оптическая спектроскопия активированных кристаллов имеет длительную историю, однако основные направления, возникшие на начальном этапе ее развития, остаются актуальными и в наше время. Развитие оптической спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов и металлов переходных групп, было стимулировано в начале 60-х годов использованием этих кристаллов в твердотельных лазерах.

В настоящее время интерес к этой области обусловлен интенсивным поиском новых перспективных материалов для квантовой электроники. Благодаря уникальным оптическим и другими физическим свойствам, таким как: высокая температура плавления, твердость, широкое окно прозрачности, наличие нескольких типов лигандного окружения для замещающей примеси, - все больший интерес исследователей вызывают кристаллы со структурой граната. На кристаллах алюминиевых и галлиевых гранатов с примесями редкоземельных элементов был сконструирован целый ряд лазеров с различными спектрально-генерационными и физическими характеристиками. Для повышения эффективности подобных лазеров в кристалл могут вводиться ионы с конфигурацией последней электронной оболочки Зс/3, такие как используемые в качестве сенсибилизаторов. Кроме того, эти ионы сами могут являться активными излучающими центрами.

Одинаковое строение электронной оболочки предполагает схожесть оптических свойств ионов Сг3+ и Мп4", однако спектры иона четырехвалентного марганца демонстрируют индивидуальные особенности, что может быть обусловлено несколькими факторами, вероятнее всего, большим значением параметра кристаллического поля и большим зарядом: +4. Такая величина заряда приводит к необходимости его компенсации, что может сказаться на оптических свойствах исследуемого центра. Кроме того, ион Мп4+ в гадолиний-галлиевом гранате (ГГГ) проявляет такие необычные свойства, как аномальная ширина И-линии и большой стоксов сдвиг спектров люминесценции по отношению к спектрам возбуждения.

Таким образом, исследование оптических свойств ГГГ:Мп4+ сохраняет значительный интерес как в теоретическом, так и в

практическом отношении, и поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы - выяснение механизмов, определяющих особенности спектра люминесценции четырехвалентного марганца в гадолиний-галлиевом гранате.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

-детально исследуются спектры люминесценции ГГТ:Мп4+ при различных уровнях лазерного возбуждения;

- разрабатываются алгоритмы расчета характеристик излучательных и безызлучательных переходов 2Е—>4А2 и 4Т2—>4Аг;

-анализируются причины аномального уширения Я-линии и большого стоксового сдвига спектра излучения по отношению к спектру возбуждения фотолюминесценции ПТ:Мп4+;

-на основе анализа спектра люминесценции теоретически обосновывается и экспериментально осуществляется определение плотности фононных состояний, участвующих в оптических переходах;

- проводится модельный расчет формы спектральной линии люминесценции ГГПМп4'".

Научная новизна

1. Впервые обнаружена и исследована полоса в спектре фотолюминесценции ГГГ:Мп4+, соответствующая переходу 4Тг—¿А.%. Усиление относительной интенсивности этой полосы наблюдается при высоком уровне лазерной накачки.

2. Теоретически обоснованы и выполнены расчеты скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации с термов 4Тз и 2Е на основной, а также параметров электрон-фононного взаимодействия для системы ГГГ:Мп4+.

3. Развита теория уширения Я-линии в 1ТГ:Мп4+, базирующаяся на гамильтониане изотропного спин-спинового взаимодействия. Теория позволяет объяснить аномально большую ширину Ы-лиши, а также значительный стоксовский сдвиг Я-линии в спектрах люминесценции по отношению к спектрам возбуждения фотолюминесценции.

4. Разработан метод определения плотности фононных состояний, участвующих в оптическом переходе, из анализа формы полосы люминесценции.

Практическая ценность работы

1. Предложен алгоритм определения скоростей излучательной и безызлучательной релаксации из температурных зависимостей времени жизни на терме 2Е и вероятностей оптических переходов 4Т2-+4А2и2Е-*4А2.

2. Предложен алгоритм определения плотности фононных состояний, участвующих в оптическом переходе, из спектра фотолюминесценции.

3. На основании вычисленных скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации делается вывод о возможности использования ГТТ:Мп4+ в качестве рабочего материала твердотельных лазеров с непрерывной перестройкой частоты.

4. Предложена методика контроля температуры объема кристалла ГГГ по отношению интенсивностей люминесценции, измеренных в двух точках спектра Мп4+.

5. Разработан новый метод сглаживания данных, искаженных случайными шумами, позволяющий сократить продолжительность эксперимента за счет выбора меньшего значения времени интегрирования, что важно при экспрессных измерениях.

Положения, выносимые на защиту

1. В спектрах люминесценции ГГГ:Мп4+ при высоком уровне лазерного возбуждения возрастает относительная интенсивность перехода 4Т2-+4А2, что обусловлено двумя основными факторами: различием температурных зависимостей вероятностей оптических переходов 4Т2—>4А2 и 2Е—>4А2, а также усилением индуцированного излучения.

2. Скорости излучательной и безызлучательной рекомбинации в ГГГ:Мп4+ сравнимы по величине с соответствующими параметрами с?3-ионов в других кристаллах, в частности, в рубине, что даст основание использовать изучаемый материал для создания лазеров с непрерывной перестройкой частоты генерации.

3. Аномальное уширение Л-линии и ее большой стоксов сдвиг в спектрах фотолюминесценции ГГГ:Мп4+ обусловлено главным образом расщеплением уровня основного терма в результате спин-спинового взаимодействия иона Мп4+ с окружающими ионами вс13+.

4. Спектр фононных состояний, участвующих в оптическом переходе 2Е->4А2 в ГГГ:Мп4+, хорошо моделируется четырьмя стоксовыми модами, включающими как четные, так и нечетные компоненты.

Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997), конференции «Комбинационное рассеяние - 70 лет исследований», (Москва, ФИАН, 1998), семинаре Оптического отдела им. Г. С. Ландсберга ФИАН (8.06.2000, Москва), Международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 2000).

Личное участие автора. Основные теоретические положения главы 3 разработаны совместно с профессором Булярским C.B. и профессором Гореликом B.C. Постановка экспериментов, разработка моделей, предлагаемых в главах 2 и 4, а также конкретные расчеты выполнены автором самостоятельно.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 10 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 129 страницах, содержит 36 рисунков, 7 таблиц, 119 наименований в списке цитированной литературы, состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена обзору данных литературы. Рассматриваются особенности кристаллической структуры и оптических характеристик гранатов, влияние дефектов решетки на свойства гранатов. Подробно анализируются механизмы компенсации избыточного заряда примеси и показывается, что в настоящий момент не существует единой точки зрения по данному вопросу.

Особое внимание уделяется анализу спектроскопических свойств примесей с незаполненной Зс^-оболочкой в кристаллах со структурой граната. Приводятся сведения из теории кристаллического поля, необходимые для интерпретации получаемых в диссертационной работе результатов. Ион Мп4+ имеет такое же строение электронной оболочки, что

и ион Сг3+, однако поскольку последний является более изученным, данные, полученные для иона марганца, сопоставляются в работе с данными для иона хрома. Показывается, что, несмотря на предполагаемую схожесть оптических свойств ионов Сг3+ и Мп4+, спектры последнего демонстрируют ряд особенностей, до конца не изученных. В частности, для иона Мп4+ характерно более сильное электрон-фононное взаимодействие, проявляющееся в том, что вибронный «хвост» в спектрах люминесценции является сравнимым по интенсивности с Я-л или ей. Кроме того, для четырехвалентного иона марганца характерно большее неоднородное уширение спектральных линий, что связано с необходимостью компенсации его большого заряда, а в гадолиниевых гранатах ширина II-линии и величина ее стоксового сдвига по отношению к спектру возбуждения фотолюминесценции являются аномально большими.

В данной главе также рассматривается влияние различных типов полей на спектральные характеристики ¿/-ионов. Отмечается необычный характер фотопроводимости гадолиний-галлиевого граната, механизмы которой полностью не исследованы.

Во второй главе описываются экспериментальное оборудование, используемое в работе, и методика эксперимента. Для возбуждения люминесценции используется, в основном, два типа лазеров: непрерывный лазер УАО:Ш с длиной волны излучения X = 532 им и мощностью 100 мВт, а также непрерывно-периодический лазер на парах меди со средней мощностью 1 Вт в зеленой линии генерации (А,=510.5 нм), длительностью лазерных импульсов 20 не и частотой их следования 8 кГц. Длины волн обоих лазеров попадают в полосу поглощения, связанную с переходом 4А2-ИТ2 иона Мп4+ в ГГГ.

Разрабатывается новый метод сглаживания экспериментально полученных спектров, искаженных случайными шумами. Метод основан на идее регуляризации. Предлагается регуляризирующий функционал следующего вида, благодаря которому метод получил название «метод минимизации энергии»:

о)

ы сг, ы

где Хо - экспериментальный вектор данных, Х - искомый вектор данных; а; - среднеквадратичное отклонение шума, измеряемое аппаратно в каждой точке; а - параметр регуляризации, п - число точек. Реализация метода производится в соответствии со следующим алгоритмом:

1. Значения X приравниваются к экспериментальным значениям Хй.

2. Выбирается некоторое значение а.

3. Минимизируется функционал (1) и вычисляются соответствующие значения Х\ и %2. Минимизация проводится методом скорейшего спуска.

4. Проверяется, лежит ли значение %2 в пределах п±Дп (значение Дп выбиралось в пределах 3-5% от п). Если нет, то следующее значение

а получается умножением предыдущего значения на Х2/п и происходит переход к пункту 3. Если да, то результаты распечатываются и вычисления на этом заканчиваются. Показывается, что использование предлагаемого метода сглаживания позволяет сократить продолжительность эксперимента, поскольку измерения можно проводить при меньших значениях времени интегрирования, что актуально при проведении серии непрерывных экспериментов, таких, например, как температурные измерения, описываемые в третьей главе. В тех случаях, когда о не может быть измерена аппаратно, эта величина может служить параметром, задающим степень сглаживания. В этом случае степень восстановления спектра определяется субъективно.

В этой главе также дается обоснование выбора образцов и приводится оценка погрешностей, возникающих в ходе эксперимента. С учетом этого обосновывается методика измерений, проводимых на установках ДФС-52 и СДЛ-2М. Отмечается, что применение предлагаемого метода сглаживания позволяет уменьшить погрешность измерений.

Третья глава посвящена спектроскопическим исследованиям гадолиний-галлиевого граната, легированного ионами Мп4+. Впервые удается наблюдать полосу в спектрах фотолюминесценции, связанную с переходом 4Т2—>4А2, что стало возможным благодаря высокому уровню лазерного возбуждения. Для выяснения причин усиления относительной интенсивности нового перехода измерения были выполнены при

различных температурах в интервале 100-390 К. Как видно из рис. 1 и 2, интегральные интенсивности полос, соответствующих излучательным переходам 2Е—>4Лг и 4Т3—+4А2, испытывают крутой спад в области температур 200-300 К.

..-Л''

та 2с*7

Л Л

С 100 200 300 40 О 1DO 200 300 АС

Температур а, К Температура, к

Рис. 1. Расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (треугольники) зависимости интенсивности оптического перехода 2Е—>4Аг в ГГГ:Мп4+.

Рис. 2. Расчетная (сплошная линия) и экспериментальная (треугольники) зависимости интенсивности оптического перехода 4Т2—>4А2 в ПТ:Мп4т.

Зависимости, приведенные на рис. 1 ■ и рис. 2, несмотря на внешнее сходство, не являются идентичными. Это приводит j j

к тому, что при изменении температуры 5

кристалла в результате воздействия | ш лазерного луча происходит "

перераспределение интенсивностеи

полос, отвечающим переходам 2Е—и

4Т2—>4А2, в спектре фотолюминесценции.

В работе предлагается эмпирическое Рис> 3ависимость

температуры

выражение, связывающее локальную образца от отношения температуру кристалла и мощности лазерной накачки.

Отношение ».нтенсийиостей Е-АЯ-А

Плотность интенсивностеи переходов 2Е-»4А2 и 4Тг->4А2, измеренных на длинах

Факт различия температурных

волн 682 и? соответственно.

714 нм,

зависимостей указанных оптических переходов, особенно заметного в области комнатных температур и выше, позволил разработать методику контроля разогрева объема кристалла гадолиний-галлиевого граната. На рис. 3 показана зависимость отношения

интенсивностей в максимумах полос двух переходов, расположенных при длинах волн 682 нм и 714 нм, от температуры. По этой зависимости можно легко определить температуру образца, зная отношение интенсивностей в указанных точках спектра. На практике предлагается добавлять небольшое количество ионов Мп4+ в шихту выращиваемого лазерного кристалла (например, ПТ:Ш3+) с тем, чтобы в дальнейшем можно было контролировать локальный разогрев активного элемента лазера, работающего при комнатной температуре. Контроль может производиться на расстоянии с применением фотодиодов и интерференционных фильтров, настроенных на длины волн 682 и 714 нм.

С использованием измеренных температурных зависимостей оптических переходов 2Е—*4А2 и 4Т2—>4А2, а также температурной зависимости времени жизни на терме 2Е, взятой из работы []], производится расчет скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации между термами 4Г2, 2Е и 4А2. Расчет основан на решении системы уравнений:

= -(»•„ + Сеа + К + {с и + Щ, К.

Т = + с>* + ** )я» + е«'п" + е«п'' №

па +пе+п,=М,

где па, пе, п, - концентрации ионов Мп4+ в состояниях 4А2, 2Е и 4Т2, соответственно; N - концентрация ионов марганца; сеа, с,а, с,е -коэффициенты захвата для безызлучательных переходов 2Е-»4А2,4Т2-»4А2 и ,Т2~>2Е, соответственно; геа и г,а - соответствующие коэффициенты для излучательных переходов; - скорость туннелирования через барьер между термами 4Т2 и 2Е; ее, - скорость эмиссии электронов с уровня 2Е на уровень 4Т2, еа, - скорость эмиссии с основного уровня на уровень 4Т2, пропорциональная интенсивности накачки. N является нормирующим параметром и его абсолютное значение не играет роли в расчетах.

Для скоростей безызлучательной рекомбинации используется температурная зависимость вида:

С(/(Г) = садехр(-Я„/*Г), (3)

где Еу - энергия термической активации перехода. Вид коэффициента ее[ нетрудно получить из принципа детального равновесия:

еР( = (с0» ехр(~Е1е/кТ)+ )ехр(-£„ /кТ). (4)

Для скоростей излучательной рекомбинации применяется выражение, учитывающее запрет по четности, который имеет место для рассматриваемых переходов:

гц{Т) = гщс1Н{Тшц1Ш), (5)

где со,у - частота фонона, снимающего запрет по четности. С учетом (2) - (5), а также выражений: 1е ~ геапг, I, ~ г1ап,, т = У(геа + сеа) (6)

производится численный расчет температурных зависимостей интегральных интенсивностей полос, отвечающих оптическим переходам 2Е-»4А2 и 4Т2-»4А2, а также зависимости времени жизни на терме 2Е. В ходе расчета достигалось наилучшее согласие расчетных кривых (сплошные линии на рис. 1, 2) с экспериментально измеренными. Параметры, входящие в систему (2), определяются поэтапно. В первую очередь рассчитывается зависимость времени жизни, по низкотемпературному участку которой находится величина геа, по высокотемпературному - сеа, а по участку в области 200 К - энергия фонона олеа. Остальные коэффициенты определяются из кривых интегральных интенсивностей. Параметры, найденные в ходе расчета, представлены в табл. 1:

Таблица 1. Параметры переходов 2Е->4Аг, 4Т2->4Аг и 4Т2~»2Е.

Параметры Переход 2Е-УА2 Переход 4Т2->4Аг Переход 4Т2->2Е

Коэффициент безызлучагельного перехода, с о, с'1 0.9-1013 0.6-1014 1.1-109

Коэффициент излучательного перехода, го, с" 0.79-103 0.4-10' —

Скорость туннелирования, к,е> с"' — — 3.3-107

Энергия термической активации перехода, Еа, эВ 0.53 0.31 0.07

Частота фонона, ш, см*' 210 210 —

В данной главе также показывается, что второй причиной, определяющей усиление относительной интенсивности полосы перехода 4Тг—>4Аг, и в особенности ее бесфононной линии, расположенной на длине волны 694 нм, является повышение роли индуцированного излучения. Этот вывод делается на основе измерений интенсивности спектра фотолюминесценции в зависимости от плотности мощности накачки. Показывается, что полученная зависимость для интенсивности перехода

4Т2—>4А2 является нелинейной, а для бесфононной линии этого перехода зависимость еще в большей степени отклоняется от линейной, причем наблюдаемый эффект невозможно объяснить нагревом образца лазерным лучом. Высказывается предположение, что в результате пересечения полос, соответствующим переходам 2Е—»4А2 и 4Т2—>4А2, особенно сильного в области бесфононной линии последнего, имеют место вынужденные переходы 4Т2—>4А2, индуцированные переходами 2Е—>4А2. В этом приближении в системе (2) появляется член вида:

=-aIent=-bnent, (7)

где а - постоянная, b = агш. Решение системы (2) с учетом дополнительного члена (7) подтверждает существование участка с положительной второй производной в зависимости интенсивности перехода 4Т2—>4А2 от интенсивности накачки.

В четвертой главе проводится теоретический анализ и численный расчет формы полосы люминесценции ГТТ:Мп4+.

На основе теоретического рассмотрения спин-спинового взаимодействия примесного иона марганца с ионами гадолиния рассчитывается расщепление термов 4А2 и 2Е. Рассматривается гамильтониан вида:

H = -JSMnSCd, (8)

где J - интеграл перекрытия, Sy„ и Sad — спин иона марганца и полный спин окружающих его ионов гадолиния, соответственно. Интеграл перекрытия для Мп4+ в ГГТ был рассчитан в [2] на основе анализа эффекта Зеемана, он равен J= 1.9 см-1.

Полный спин So/ представляет собой векторную сумму шести спинов S^cd- При температурах выше примерно 3 К спины можно считать независимыми [3], и тогда гамильтониан (8) распадается на шесть независимых слагаемых вида: Я Собственные значения этих

операторов равны:

Ek=-{JI2)[Sk{Sk +1 )-SUsb +1 )~SMn(SUn +1)], (9) где - собственное значение оператора (Si)2=(SM„+Sl:Gd)2-

Поскольку $а<г-112, а спин иона марганца в состоянии 4А2 равен S.v„(4A2) = 3/2, а в состоянии 2Е - Sun{2E) = 1/2, то £\4А2) может принимать значения 2, 3, 4 или 5, a - соответственно 3 или 4.

Суммирование шести Е дает набор возможных значений энергии подуровней термов 4Аг и 2Е. Статистический вес каждого значения энергии неодинаков и для его нахождения каждой паре 0<1-Мп ставится в соответствие случайная величина распределенная равномерно и принимающая четыре дискретных значения в случае терма 4Т2 и два - в случает терма 2Е. Плотность вероятности случайной величины, равной сумме шести величин с,, равна шестикратной свертке их плотностей. Эту задачу можно свести к задаче нахождения степеней и коэффициентов полинома специального вида, что доказывается в приложении.

По найденному расщеплению уровней термов 2Е и 4Т2 рассчитывается форма полосы оптического перехода между ними в соответствии с выражением:

/(йо) = Ь№1ус1смгмы-Е1 +Е,), (10)

где г нумерует подуровни начального состояния,_/ - конечного; С„ С) ~ статистические веса соответствующих подуровней; р(£) - распределение Больцмана; Му - матричный элемент перехода /—у. На рис. 4 показана 12 _

расчетная полоса в сравнении с экспериментальными данными. Кривая 1 построена в предположении, что подуровни, образованные в результате расщепления, имеют форму 8-пиков. Однако в реальных кристаллах всегда существует неоднородное уширение

подуровней. Кривая 2 на рис. 4 ( построена с учетом данного эффекта. При этом требуется рис.

- //,1 \

\г

665

Длина волны, нм

4. Рассчитанная форма Я-линии

значение ширины а ~ 20 см-1 для ГГГ:Мп4+ при а = 0 см-1 (1) и а = 20 см"1 (2), а

с также экспериментально измеренный спектр люминесценции (3) при температуре 100 К.

согласия

достижения экспериментом.

Анализируется влияние неоднородного уширения подуровней, обусловленного колебаниями решетки и дефектами кристалла, на ширину К-линии и предлагается метод определения константы обменного

670

Б75

взаимодействия. Показывается, что зависимость ширины Л-линии Д от уширения подуровней о в ГГТ:Мп4+ можно описать следующим выражением:

а(Г) = О.Зд/[Д(Г)]2-До, (11)

где величину До в широком интервале температур можно считать равной 50 см"1. При известных значениях о и Д возможно определение константы обменного взаимодействия. Так, для ГТТ:Сг3+ было получено значение 0.24 см-1, что хорошо согласуется со значениями этой константы, известными для иона хрома в других гадолиниевых гранатах.

С учетом найденной формы К-линии проводится моделирование спектра люминесценции ГТТ:Мп4+. В основу расчетов матричного элемента перехода положена теория, развитая в [4] для формы полосы люминесценции иона Сг3+ в кристаллах со структурой граната. Для расчета необходимо знать плотность фотонных состояний, с которыми осуществляется взаимодействие при оптических переходах. Широко используемое в литературе для этих целей сопоставление со спектром комбинационного рассеяния представляется недостаточным.

Нами предлагается метод определения плотности фотонных состояний из экспериментального спектра люминесценции. При многофононном процессе излучателыюй рекомбинации форма спектральной линии описывается выражением:

СО ггяг

/(Е) = /0£ехр(-5£)-^Лт(Е), (12)

где ¿£ - фактор Хуанга-Риса, В„,(Е) - форма полосы люминесценции при от-фононном процессе, получающаяся в результате «г-кратной свертки бесфононнон лиши Бо(Е) с плотностью фононных состояний.

После преобразования Фурье ряд в правой части (12) сходится: ДА)=*(*)еф{5г0>(А)-1)}, (13)

где Дк) - Фурье-образ функции 1{Е), #(к) - образ бесфононной линии В0 (ее спектральная форма была определена выше), а р(к) - образ плотности фононных состояний. Функция нормирована следующим образом: Е{к)=10^к). Из выражения (13) легко находится Фурье-образ плотности фононных состояний:

Кроме того, пренебрегая всеми слагаемыми ряда (12), кроме нулевого и первого, можно найти плотность фононных состояний в пределе малого злектрон-фононного взаимодействия (^ —» 0):

Показывается, что для перехода 2Е—>4А2 фононный спектр может быть аппроксимирован четырьмя стоксовыми фононными модами и одной антистоксовой, среди которых присутствуют как четные, гак и нечетные моды.

Завершается четвертая глава численным расчетом формы спектральной полосы люминесценции ГГГ:Мп4+. Плотность фононных

состояний в случае перехода 2Е—>4А2 моделируется четырьмя компонентами, найденными выше, а в случае перехода 4Т2—>4А2 - одной компонентой с частотой со = 210 см'1 (см. табл. 1). Форма спектральной линии рассчитывается для нескольких температур. Результаты

моделирования спектра

люминесценции при комнатной температуре показаны на рис. 5.

В ходе расчетов определяются параметры электрон-фононного взаимодействия, представленные в таблице 2: Табл. 2. Параметры оптических переходов 2Е—>4А2 и 4Т2—»4А2.

Параметры ZE—>4А2

Положение бесфононной линии, нм 663 694

Ширина бесфононной линии при 100 К, см'1 85 85

Частоты фононов, см-1 131,256,380,509 210

Фактор Хуанга-Риса 0.2 2.9

Параметр смешивания волн, функций а§ 0.0087

Параметр туннельного расщепления аг 0.002

Здесь а0 и а - параметры теории [4].

0Е»0 - г -

ii i

I 1

/ t ! i' i

tf i"

а f\

600 650 700 750 800 S50

Длина волны, нм

Рис. 5. Экспериментальный спектр люминесценции (пунктир) и расчетные спектры переходов 2Е—>4А2 (левая кривая) и 4Т2—>4А2 (правая кривая).

4Е-4

В заключении дается общий анализ полученных в работе результатов. В частности, делается вывод о том, что ион Мп4+ в гадолиний-галлиевом гранате может, в принципе, использоваться в качестве активного лазерного центра, что объясняется тем, что параметры оптических и безызлучательных переходов близки к соответствующим значениям одного из наиболее эффективных лазерных кристаллов -рубина. Кроме того, можно надеяться, что аномально большое однородное уширение Л-линии и интенсивный фононный «хвост» позволят осуществлять непрерывную перестройку частоты генерации.

Также показывается, что значение частоты фонона, способствующего запрещенному по четности переходу 2Е—*4А2, V = 210 см"1, полученное в главе 3, является усредненным (эффективным), поскольку среднее приведенных в табл. 2 значений (с учетом их интенсивностей) равно 201.2 см-1.

В приложении приводится доказательство возможности сведения задачи вычисления статистических весов при многократной сйертке к задаче нахождения коэффициентов полиномов определенного вида, что используется при расчете расщепления термов в главе 4.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Развита теория формы Л-линии ГГГ:Мп4+, основанная на гамильтониане изотропного спин-спинового взаимодействия ионов Мп4+ с ионами Ос13'. Предложенная модель объясняет аномальное уширение Л-линии и ее большой стохсов сдвиг в спектрах люминесценции по отношению к спектрам возбуждения фотолюминесценции. Кроме того, при известных ширине Л-линии и константе обменного взаимодействия теория позволяет оценить величину уширения отдельных подуровней, вызванного неоднородностями кристалла и колебаниями решетки.

2. Теоретически разработан и практически реализован метод определения плотности состояний фононов, участвующих в оптическом переходе, из анализа спектра фотолюминесценции. Показано, что спектр фононных состояний, участвующих в оптическом переходе 2Е—>4А2, в ГГТ:Мп4+ может быть аппроксимирован четырьмя стоксовыми компонентами, включающими как четные, так и нечетные моды.

3. Впервые экспериментально исследован спектр фотолюминесценции ГГГ:Мп4+ при различных уровнях лазерного возбуждения. Показано, что при высоком уровне возбуждения в спектрах люминесценции усиливается относительная интенсивность полосы, соответствующей переходу 4Т2—>4А2. Этот эффект обусловлен двумя основными причинами: локальным нагревом образца лазерным лучом, что при различных температурных зависимостях оптических переходов 2Е—>4А2 и Т2—> А2 приводит к перераспределению их интенсивностеи, и, кроме того, усилением индуцированного излучения с терма *Т2 в результате перекрытия полос 2Е—>4А2 и 4Т2-*4А2 в спектре фотолюминесценции.

4. По экспериментальным данным проведенных температурных измерений спектра люминесценции выполнен расчет скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации с участием термов 4Т2, 2Е, 4А2 иона Мп4+ в ГГГ. Найденные параметры близки к соответствующим параметрам рубина, что делает принципиально возможным использование ГГГ:Мп4+ в качестве активного элемента лазера с непрерывной перестройкой частоты.

5. Предложена методика контроля разогрева объема кристалла, в основе которой используется факт различия температурных зависимостей вероятностей оптических переходов 2Е—>4А2 и 4Т2—»4А2 в ГГТ:Мп4+.

6. Проведен численный расчет формы полосы спектра люминесценции ГГГ:Мп4+, в ходе которого определены параметры электрон-фононного взаимодействия.

7. Разработан новый метод сглаживания экспериментальных данных, искаженных случайными шумами, к достоинствам которого можно отнести отсутствие зависимости от формы спектра и быструю сходимость. Метод позволяет сократить время измерения спектров, что актуально при проведении серии непрерывных измерений.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Brenier A., Suchocki A., Pedrini С., et al. Spectroscopy of Mn4+-doped gadolinium gallium garnet II Phys. Rev. B, 1992. V.46. No. 6. P. 3219-3227.

2. Suchocki A., Potemski M., Brenier A., et al. Fluorescence line narrowing in GGG:Mn4+ in high magnetic field // J. Appl. Spectr., 1995. V. 62. No. 5. P. 181-188.

3. Petrenko О. A., McK Paul D., Ritter С., et al. Magnetic frustration and order in gadolinium gallium garnet // Physica B, 1999. V. 266. P. 41-48.

4. Yamaga M., Henderson В., and O'Donnell K. P. Line shape of the Cr3+ luminescence in garnet crystals // Phys. Rev. B, 1992. V. 46. No. 6. P. 32733282.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Горелик В. С., Приходько В. В., Рахматуллаев И. А.. Двухфотонно-возбуждаемая флуоресценция в кристаллах сульфида, селенида и оксида цинка при непрерывно-периодическом лазерном возбуждении // Труды междунар. конф. "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах", Ульяновск, 1997. С. 143-144.

2. Горелик В. С., Приходько В. В.. Кинетика затухания двухфотонно-возбуждаемой люминесценции в селениде цинка // Ученые записки УлГУ, сер. физ., 1998. Вып. 2(5). С. 35-39.

3. Горелик В. С., Приходько В. В. Исследование кинетики затухания двухфотонно-возбуждаемой люминесценции // Сб. «Комбинационное рассеяние - 70 лет исследований», Москва, ФИАН, 1998. С. 340-345.

4. Приходько В. В.. Сглаживание спектров методом минимизации энергии // Ученые записки УлГУ, сер. физ., 1998. Вып. 2(5). С. 24-29.

5. Булярский С. В., Горелик В. С., Зюзин А. М., Приходько В. В. Проявление перехода 4Т2->4А2 в спектре люминесценции иона Мп4+ в гадолиний-галлиевом гранате // Кр. сооб. по физике ФИАН. 2000. Вып. 7. С. 17-23.

6. Булярский С. В., Горелик В. С., Зюзин А. М., Приходько В. В. Наблюдение перехода 4Т2-»4А2 в спектре люминесценции иона Мп4+ в гадолиний-галлиевом фанате // Ученые записки УлГУ, сер. физ., 2000. Вып. 1.С. 52-55,

7. Булярский С. В., Горелик В. С., Зюзин А. М., Приходько В. В. Расчет формы линии перехода иона Мп4+ в гадолиний-галлиевом гранате // Ученые записки УлГУ, сер. физ., 2000. Вып. 1. С. 56-59.

8. Bulyarskii S. V., Kozhevin А. Е., Mikov S. N., Prikhodko V. V. Anomalous R-line behaviour in nanocrystalline Al203:Cr3+ // Phys. Stat. Sol (a). 2000. V. 180. No. 2. P. 408-413.

9. Булярский С. В., Приходько В. В. Определение температуры кристалла по отношению интенсивностей переходов 2Е~»4А2 и "Тг—ИАг в спектре люминесценции ГТТ:Мп4+ // Труды междунар. конф. «Оптика полупроводников - 2000», Ульяновск, 19-23 июня 2000. С. 56.

10.Булярский С, В., Приходько В. В. Нахождение плотности фононных состояний из спектра люминесценции // Труды междунар. конф. «Оптика полупроводников - 2000», Ульяновск, 19-23 июня 2000. С.55.

Подписано в печать 14.08.2000. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 укз. Заказ №88/^^?

Отпечатано с оригинал-макета в лаборатории оперативной полиграфии Ульяновского государственного университета 432700, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Приходько, Виктор Владимирович

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1. Кристаллическая структура граната

1.2. Дефекты в решетке граната

1.3. Механизмы компенсации заряда

1.4. Оптические свойства ЗсГ -примесеи в решетке граната

1.4.1. Элементы теории кристаллического поля

1.4.2. Оптические переходы -ионов

1.4.3. Люминесцентные свойства,

-ионов

1.5. Влияние полей на оптические свойства 3-примесей

1.5.1. Электрическое поле

1.5.2. Магнитное пол?: у , ,.,

1.5.3. Давление

1.6. Выводы

Глава 2. Методика оптической спектроскопии ГГГ:Мп4+

2.1. Техника эксперимента

2.2. Метод сглаживания спектров - "Метод минимизации энергии"

2.3. Выбор объектов исследования

2.4. Погрешности измерения

2.5. Выводы

Глава 3. Оптические и безызлучательные переходы в ГГГ:Мп4+

3.1. Проявление перехода 4Т2-^4А2 в спектрах люминесценции ГГГ:Мп4+ при интенсивной лазерной накачке

3.2. Измерение температурной зависимости спектра люминесценции ГТГ:Мп4+

3.3. Определение температуры образца по отношению интенсивностей линий 2Е->4А2 и 4Т2->4А

3.4. Расчет характеристик излучательных и 'безизлучательных переходов в ГГГ:Мп4+

3.5. Исследование зависимости линий 2Е—>4А2 и 4Т2—>4А2 от интенсивности накачки

3.6. Проявление индуцированного излучения при интенсивной лазерной накачке

3.7. Выводы

Глава 4. Моделирование спектра люминесценции ПТ:МгГ

4.1. Моделирование Я-линии

4.2. Расчет формы спектральной линии ГГГ:Мп4+ , 4.2.1. Теоретическая модель

4.2.2. Расчет формы полосы перехода Е—» А

4.2.3. Расчет формы полосы перехода 4Т2-»4А

4.3. Выводы Заключение Приложение Литература

Введение диссертация по физике, на тему "Оптические свойства четырехвалентного иона марганца в гадолиний-галлиевом гранате"

Развитие оптической спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов и металлов переходных групп, было пользованием этих кристаллов в году лазера на рубине, а затем и стимулировано в начале 60-х годов иа твердотельных лазерах. Создание в 196С на других активированных кристаллах дало мощный импульс ее развитию.

Основные направления, возникшие на начальном этапе развития спектроскопии активированных кристаллов, остаются актуальными и в наше время. Это - исследование: 1) структуры активаторных центров и физико-химических условий их образования в кристаллах; 2) энергетической схемы активирующих ионов в кристаллах; 3) процессов, протекающих в возбужденных состояниях активированной системы. В последнем случае центральными являются вопросы о соотношении вероятностей излучательных и безызлучательных переходов между термами, о механизме и скоростях колебательной релаксации, о межчастичном переносе энергии возбуждения, о взаимодействии возбужденных состояний.

Актуальность вышеперечисленных направлений обусловлена интенсивным поиском новых перспективных материалов для квантовой электроники. Благодаря таким уникальным оптическим и физическим характеристикам, как: высокая температура плавления, твердость, широкое окно прозрачности, наличие нескольких типов лигандного окружения для замещающей примеси, - все больший интерес исследователей вызывают кристаллы со структурой граната. Кристаллы со структурой граната приобрели широкое распространение в связи с созданием оптического I квантового генератора на иттрий-алюминиевом гранате с N(1 , обладающего уникальными генерационными параметрами. В дальнейшем на кристаллах алюминиевых и галлиевых гранатов с примесями редкоземельных элементов был сконструирован целый ряд лазеров с различными спектрально-генерационными и физическими характеристиками [1, 2].

Область применения соединений со структурой типа граната со временем еще более расширилась. Так, в напщ дни кристаллы галлиевых гранатов активно используются в качестве подложек для выращивания кристаллических магнитных пленок [3]. о

Ионы с конфигурации последней электронной оболочки Ъс1, такие как до сих пор являются объектом пристального внимания [4

15] несмотря на длительную историю исследования [16-25]. В кристаллах со структурой граната эти ионы могут использоваться либо как активные излучающие центры, либо как сенсибилизаторы для редкоземельных t , ионов.

Одинаковое строение электронной оболочки предполагает схожесть оптических свойств ионов Сг3+ и Мп4+, однако спектры иона четырехвалентного марганца демонстрируют индивидуальные особенности, что может быть обусловлено несколькими факторами, такими как большее значение параметра кристаллического поля и больший заряд: +4. Такая величина заряда приводит к необходимости его компенсации, что также может сказываться на оптических свойствах исследуемого центра.

В литературе последних лет активно обсуждаются такие необычные свойства Зс/3-примесей в гадолиниевых гранатах, как аномальная ширина Я-линии и большой стоксовый сдвиг спектров люминесценции по отношению к спектрам возбуждения [6, 11-13].

Таким образом, исследование оптических свойств

ГГГ:Мп4+ сохраняет значительный интерес как в теоретическом, так и в практическом отношении, и поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.

Цель работы - выяснение механизмов, определяющих особенности спектра люминесценции четырехвалентного марганца в гадолиний-галлиевом гранате. <

Для достижения поставленной цели в работе решаю задачи: гея следующие

-детально исследуются спектры люминесценции ГТГ:Мп4+ при различных уровнях лазерного возбуждения;

- разрабатываются алгоритмы расчета характеристик излучательных и безызлучательных переходов 2Е—>4А2 и 4Т2—>4А2;

- анализируются причины аномального уширения Я-линии и большого стоксового сдвига спектра излучения по отношению к спектру возбуждения фотолюминесценции ГГГ:Мп4+; »

- на основе анализа спектра люминесценции теоретически обосновывается и экспериментально осуществляется определение плотности фононных состояний, участвующих в оптических переходах;

- проводится модельный расчет формы спектральной линии люминесценции ГГГ:Мп4+.

Научная новизна

1. Впервые обнаружена и исследована полоса в спектре фотолюминесценции ГГГ:Мп4+, соответствующая переходу 4Т2—>4А2. Усиление относительной интенсивности этой полосы наблюдается при высоком уровне лазерной накачки.

2. Теоретически обоснованы и выполнены расчеты скоростей

4 2 излучательной и безызлучательной рекомбинации с термов Т2 и Е на основной, а также параметров электрон-фононного взаимодействия для системы ГГГ:Мп4+.

7 )

3. Развита теория уширения Я-линии в ГГГ:Мп4+, базирующаяся на гамильтониане изотропного спин-спинового взаимодействия. Теория позволяет объяснить аномально большую ширину Я-линии, а также значительный стоксовский сдвиг Я-линии в спектрах люминесценции по отношению к спектрам возбуждения фотолюминесценции. !

4. Разработан метод определения плотности фононных состояний, участвующих в ощическом переходе, из анализа формы полосы люминесценции.

Практическая ценность работы

3. На основании вычисленных скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации делается вывод о возможности использования ГГГ:Мп4+ в качестве рабочего материала твердотельных лазеров с непрерывной перестройкой частоты.

Положения, выносимые на защиту

1. В спектрах люминесценции ГГГ:Мп4+ при высоком уровне лазерного возбуждения возрастает относительная интенсивность перехода

4Т2—>4А2, что обусловлено двумя основными факторами: различием температурных зависимостей вероятностей оптических переходов 4Т2—>4А2 и 2Е—>4А2, а также усилением индуцированного излучения.

2. Скорости излучательной и безызлучательной рекомбинации в ГГГ:Мп4+ сравнимы по величине с соответствующими параметрами ¿/3-ионов в ' i i других кристаллах, в частности, в рубине, что дает основание использовать изучаемый матфиал для создания лазеров с непрерывной перестройкой частоты генерации.

3. Аномальное уширение R-линии и ее большой стоксов сдвиг в спектрах фотолюминесценции ГГГ:Мп4+ обусловлено главным образом расщеплением уровня основного терма в результате спин-спинового взаимодействия иона Мп4+ с окружающими ионами Gd3+.

4. Спектр фононных состояний, участвующих в оптическом переходе 2Е—>4А2 в ГГГ:Мп4+, хорошо моделируется четырьмя стоксовыми модами, включающими как четные, так и нечетные компоненты.

Публикации. Основные результаты исследований отражены в 10 печатных работах, список которых приведен в заключении.

Заключение диссертации по теме "Оптика"

Основные результаты работы можно сформулировать следующим образом:

1. Развита теория формы Л-линии ГГГ:Мп4+, основанная на

4 4 гамильтониане изотропного | спин-спинового взаимодействия ионов \ Мп с ионами Пред|1 оженная модель объясняет аномальное I уширение II-линии и ее ! большой стоксов сдвиг в спектрах люминесценции по отношению к спектрам возбуждения фотолюминесценции. Кроме того, при известных ширине Я-линии и константе обменного взаимодействия теория позволяет оценить величину уширения отдельных подуровней, вызванного I неоднородностями кристалла и колебаниями решетки.

2. Теоретически разработан и практически реализован метод определения плотности состояний фононов, участвующих в оптическом переходе, из » анализа спектра фотолюминесценции. Показано, что спектр фононных состояний, участвующих в оптическом переходе 2Е—>4А2, в ГГГ:Мп4+ может быть аппроксимирован четырьмя стоксовыми компонентами, включающими как четные, так и нечетные моды.

3. Впервые экспериментально исследован спектр фотолюминесценции ГГГ:Мп4+ при различных уровнях лазерного возбуждения. Показано, что при высоком уровне возбуждения в спектрах люминесценции усиливается относительная интенсивность полосы, соответствующей переходу 4Т2—»4А2. Этот эффект обусловлен двумя основными причинами: локальным нагревом образца лазерным лучом, что при различных температурных зависимостях оптических переходов 2Е-^4А2 и 4Т2—>4А2 приводит к перераспределению их интенсивностей, и, кроме того, усилением индуцированного излучения с терма 4Т2 в результате перекрытия полос 2Е—>4А2 и 4Т2—>4А2 в спектре фотолюминесценции.

4. По экспериментальным данным проведенных температурных измерений спектра люминесценции выполнен расчет скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации с участием термов 4Т2, 2е, 4а2 иона Мп4+ в ГГГ. Найденные параметры близки к соответствующим параметрам рубина, что делает принципиально

I I возможным использование ГГГ:Мп4+ в качестве активного элемента лазера с непрерывной перестройкой частоты.

5. Предложена методика контроля разогрева объема ki эисталла, в основе которой используется факт различия температурных зависимостей вероятностей оптических переходов 2Е—>4А2 и 4т2—>4а2 в ГГГ:Мп4+.

6. Проведен численный расчет формы полосы спектра люминесценции

I i

ГГГ:Мп4+, в ходе которого определены параметры электрон-фононного взаимодействия.

7. Разработан новый метод сглаживания экспериментальных данных, ? искаженных случайными шумами, к достоинствам которого можно отнести отсутствие зависимости от формы спектра и быструю сходимость. Метод позволяет сократить время измерения спектров, что актуально при проведении серии непрерывных измерений. В заключение можно сделать следующие замечания: 1. Ширина R-линии иона хрома в гадолиний-галлиевом гранате аномально велика: и^б.Бсм^1 при гелиевой температуре [11], однако у иона марганца она в несколько раз больше (~ 45 см""1 при такой же температуре [13]). Это обусловлено, в основном, различием констант обменного взаимодействия, причем наблюдается приблизительная пропорциональность: wCr:wMn ~ ^сг-Л^п- Тем не менее, это не единственная причина различия степени уширения. Расчеты показывают, что неоднородное уширейие отдельных подуровней расщепления термов в ионе Мп4+ также больше, чем в ионе Cr3+: wqt = 0.8 см"1, wMn ~ 4 см"1, что свидетельствует о гораздо более сильных неоднородностях окружения ионов марганца. Это может быть связано с необходимостью компенсации его большого заряда +4 по сравнению с +3 у хрома. Таким образом, дефекты решетки в окружении иона Мп4+ являются естественным следствием его большого заряда.

2. Значительное однородное уширение Я-линии позволяет использовать ГГГ:Мп4+ в качестве рабочего элемента лазеров с непрерывной перестройкой частоты. Этому способствует также то I обстоятельство, что рассчитанные значения скоростей оптических и безызлучательных переходов (табл. 3.1) близки по величине к соответствующим параметрам иона хрома в рубине, лазер на основе которого до сих пор остается одним из наиболее эффективных.

Кроме того, большая ширина Я-лини и марганца благоприятствует более эффективной передаче энергии другим излучающим ионам, например - иону N(1 , полосы поглощения которого лежат в области излучения иона Мп4+. Это позволяет использовать ион марганца в качестве сенсибилизатора.

3. Частота фонона, снимающего запрет по четности для оптического перехода 4Т2—>4А2, у = 210см~1, рассчитанная в разделе 3.5, как уже отмечалось выше, соответствует расстоянию между эквидистантными пиками, различимыми в структуре широкой полосы люминесценции. В то же время, такое же значение, полученное для перехода 2Е-^4А2, на первый взгляд не соответствует результатам раздела 4.2.2, в котором показано, что плотность фононных состояний состоит из четырех фононных мод, причем частота 210 см"1 среди них не присутствует. Однако нетрудно убедиться, что усреднение по формуле г где у, - частоты фононных мод, а А,- - их амплитуды (см. табл. 4.2), дает величину у = 201.2 см-1, которая достаточно близка к у = 210 см-1. Таким образом, значение, рассчитанное в разделе 3.5, представляет собой частоту так называемого эффективного фонона. Вполне вероятно, что частота, фонона, участвующего в оптическом переходе 4Т2—>4А2, также является усредненным значением, однако используемые в работе методы исследования не позволяют найти истинную плотность -фононных состояний из анализк формы сильно сглаженной полосы. |

4. Для определения симметрии найденных колебательны^ мод, как четных, так и нечетных, также необходимы дальнейшие исследования.

Относительно фононов, участвующих в переходе 4Т2—>4А2, можно высказать следующие соображения. Электронная конфигурация термов 4Т2 и 4Т1 в Мп4+ есть [52]. Поскольку пространственная структура е ! орбитали ориентирована по направлению к окружающим лигандам, эти состояния должны испытывать сильное Ян-Теллеровское взаимодействие с колебательной Её-модой. С другой стороны, вибронное взаимодействие с

2 2 2

Ей-модой для состояний Е, zTj и Т2, электронная конфигурация которых л t, очень слабое, что подтверждается относительно узкой (если сделать поправку на спин-спиновое взаимодействие) Я-линией.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. В. С. Горелик, В. В. Приходько, И. А. Рахматуллаев. Двухфотонно-возбуждаемая флуоресценция в кристаллах сульфида, селенида и оксида цинка при непрерывно-периодическом лазерном возбуждении // Труды междунар. конф. "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах", Ульяновск, 3 997. С. 143-144.

2. В. С. Горелик, В. В. Приходько. Кинетика затухания двухфотонно-возбуждаемой люминесценции в селениде цинка // Ученые записки УлГУ, 1998. Вып. 2(5). С. 35-39. lit

3. В. С. Горелик, В. В. Приходько. Исследование кинетики затухания дфухфотонно-возбуждаемой люминесценции // Сб. «Комбинационное рассеяние - 70 лет исследований», Москва, ФИАН, 1998. С. 340-345;

4. В. В. Приходько. Сглаживание спектров методом минимизации энергии // Ученые записки УлГУ, 1998. Вып. 2(5). С. 24-29.

5. С. В. Булярский, В. С. Горелик, А. М. Зюзин, В. В. Приходько. Проявление перехода 4Т2—>4А2 в спектре люминесценции иона Мп4+ в гадолиний-галлиевом гранате //Кр. сооб. по физике ФИАН. 2000. Вып. 7. С. 17-23.

6. С. В. Булярский, В. С. Горелик, А. М. Зюзин, В. В. Приходько. Наблюдение перехода 4Т2—>4А2 в спектре люминесценции иона Мп4+ в гадолиний-галлиевом гранате // Уче«ые записки УлГУ, 2000. Вып. 1. С. 52-55.

7. С. В. Булярский, В. С. Горелик, А. М. Зюзин, В. В. Приходько. Расчет формы линии перехода иона Мп4+ в гадолиний-галлиевом гранате // Ученые записки УлГУ, 2000. Вып. 1. С. 56-59.

8. S. V. Bulyarskii, А. Е. Kozhevin, S. N. Mikov, V. V. Prikhodko. Anomalous R-line behaviour in nanocrystalline Al203:Cr3+ // Phys. Stat. Sol (a). 2000. V. 180. No. 2. P. 555-560.

9. С. В. Булярский, В. В. Приходько. Определение температуры кристалла по отношению интенсивностей переходов 2Е->4А2 И 4Т2->4А2 в спектре люминесценции ГГГ:Мп4+ // Труды междунар. конф. «Оптика полупроводников - 2000», Ульяновск, 19-23 июня 2000. С. 56.

10.С. В. Булярский, В. В. Приходько. Нахождение плотности фононных состояний из спектра люминесценции // Труды междунар. конф. «Оптика полупроводников - 2000», Ульяновск, 19-23 июня 2000. С.55.

Заключение

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Приходько, Виктор Владимирович, Ульяновск

1. Каминский A.A. Лазерные кристаллы. - М.: Наука, 1975. — 256 с.

2. Каминский А.А. // Спектроскопия кристаллов. М, 1975. / *3\ Bobeck А.Н., Spencer E.G., Van Uitert L.G., et al. Uniaxial magnetic garnets for domain wall "bubble" devices // Appl. ijhys. Lett., 1970. V. 17. No. 3 P. 131-134.

3. Yamaga M., Henderson В., and O'Donnell K. P. Line shape of the Cr3+ luminescence in garnet crystals //Phys. Rev. B, 1992. V. 46. No. 6. P. 32733282.5| Yamaga M., Henderson В., and O'Donnell K. iP. Polarization spectroscopy of3+

4. Yamaga M., Henderson В., O'Donnell K. P., et al. Temperature dependence of the lifetime of Cr3+ luminescence in garnet crystals I // Appl. Phys. B, 1990. V. 90. P. 425-431.

5. Yamaga M., Henderson В., O'Donnell K. P., et al. Temperature dependence of the lifetime of Cr3+ luminescence in garnet crystals II. The case of YGG // Appl. Phys. B, 1990. V. 51. P. 132-136.

6. Padlyak В. V., Koepke Cz., Wisniewski K., et al. Spectroscopic evaluation of the CGG (Ca0-Ga203-Ge02) glass doped with chromium // J. Lumin. 1998. V. 79. P. 1-8.renier A., Suchocki A., Pedrini C., et al. Spectroscopy of Mn4+-doped

7. Hoemmerich U. and Bray К. L. High-pressure laser spectroscopy of Cr3+:Gd3Sc2Ga3012 and Cr3+:Gd3Ga5Oi2 // Phys. Rev. B, 1995. V. 51. No. 18. P. 12133-12140.

8. Jovanic B. R. Shift under pressure of the luminescent transitions of• rcorundum doped with Mn4+ // J. Lumin. 1997. V. 75. P. 171-174.

9. Taylor M. J. An experimental study of the efficiency of optical energy transfer between Cr and Nd ions in yttrium aluminium garnet // Proc. Phys. Soc. 1967. V. 90. P. 487-494.

10. Henderson B. and Hall T. P. P. Some studies of Cr3+ ions and Mn4+ ions in magnesium oxide//Proc. Phys. Soc. 1967. V. 90. P. 511-518.

11. Riseberg L. A. and Weber M. J. Spectrum and anomalous temperature dependence of the 2E—>4A2 emission of Y3AI5O12:1. Mn4+ // Solid State

12. Commun. 1971. V. 9. P. 791-794.

13. Kemeny G., Haake С. H. Activator center in magnesium fluorogermanate phosphors // J. Chem. Phys., 1960. V. 33. No. 3. P. 783-789.

14. Валяшко Е.Г., Грум-Гржимайло С.В., Кутовой И.М. и др. Спектры кристаллов, содержащих ионы марганца. В сб. Спектроскопия кристаллов. М., Наука, 1966.

15. Geschwind S., Kisluk P., Klein P., et al. Sharp-line fluorescence, electron paramagnetic resonance, and thermoluminescence of Mn4+ in C1-AI2O3 // Phys. Rev., 1962. V. 126. No. 5. P. 1684-1686.

16. Jorgensen C.K. // Acta ehem. scand., 1958. V. 12. P. 1539.

17. DonegartF., Glynn T. J., Imbusch G. F., Remeika J. P. Luminescence andfluorescence line narrowing studies of Y3AI5O12: Mn4+ // Jj 36. No. 21.min., 1986. V.1. P. 93-100.

18. Low W. Absorption lines of Cr3+ in ruby // J. Chem. Phys., 1960. V .33. No. 4. P. 1162-1163.

19. Шавлов A.B. "Тонкая структура спектра и особенностилюминесценции ионов хрома в окиси алюминия и окиси магния" в сб.j

20. Лазеры"1 под ред. M. Е. Жаботинского и Т. А. Шмаонова — М.: ИЛ, 1963—470 с.

21. Звездин А. К., Котов В. А. Магнитооптика тонких пленок. М., Наука, 1988. 192 с.

22. Кринчик Г.С. Физика магнитных явлений М.: МГУ, 1985 — 336с.

23. Рандошкин В.В., Червоненкис А.Я. Прикладная магнитооптика. М.: Энергоатомиздат, 1990. — 320 с.

24. Mateika D., Lauren R., Rusche Ch. Lattice parameters and distribution coefficients as function of Ca, Mg and Zr concentrations in Chochralski grown rare earth gallium garnets // J. Cryst. Growth, 1982. V. 56, P. 677-689.

25. Еськов H.A., Островский И.В., Крутиков А.Г. и др. Кальций-галлиевые гранаты новые подложечные материалы магнитных пленок // XVII Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений. Тезисы докладов. Донецк, 1985. С. 87-88.

26. Воронько Ю.К., Соболь А.А. Спектроскопия активаторных центров редкоземельных ионов в лазерных кристаллах со структурой граната // Труды ФИАН, 1977. Вып. 98. С.41-77.

27. Vôronko Yu.K., Sobol A.A. Local inhomogeneity of garnet crystals doped with rare-earth ions //Phys. Stat. Sol. (a), 1975. V.27. P. 657-663.

28. Geller S. // Z. Krystallogr., 1967. V. 125. P. 1.

29. Ашуров M.X., Воронько Ю.К., Осико B.B., Соболь A.A. Спектроскопические исследования структурной неупорядоченностикристаллов гранатов с примесью редкоземельных элементов //i i

30. Спектроскопия кристаллов. JL, Наука, 1978.

31. Voronko Yu.K., Sobol A.A. Classification and analysis of the impurity ionclusters in Y3A15012 // Phys. Stat. Sol. (a), 1975. V.27. No. 1. P. 257-263. ' *

32. Ashurov M. Kh., Voronko Yu. K., Osiko V.V., et al. Spectroscopic study of stoichiometry deviation in crystals with garnet structure // Phys. Stat. Sol. (a). 1977. V. 42. No. l.P. 101-110.

33. Suits J.C. // IEEE Trans. Magn. 1972. V. 8. P. 95.

34. Кринчик Г.С., Четкин M.B. Обменное взаимодействие и магнитооптические эффекты в ферритах-гранатах // ЖЭТФ, 1961. Т. 41. С. 673-691.

35. Wood D.L., Remeika J.P. Effect of impurities on the optical properties of yttrium iron garnet // J. Appl. Phys. 1967. V. 38, No. 3, p.1038-1045.

36. Принсгейм П. Фосфоресценция и флуоресценция. ИЛ., 1951.

37. Nassau К. A model for the Fe2+ Fe4+ equilibrium in flux-grown yttrium iron garnet // J. Cryst. Growth, 1968. V. 2. P. 215-221.

38. Larsen P., Robertson J. Changes in optical absorption in iron garnet films due to impurity incorporation // Appl. Phys., 1976. V. 11, P. 259-263.

39. Antonini В., Blank S., Lagomarsino S. et al. Stability and site occupancy of Fe4+ in Ca-doped YIG films //IEEE Trans. Magn., 1981. V. MAG-17. No. 6. P. 3220-3222.

40. Roode W.H., Van de Ravert C. Annealing effects and charge compensation mechanism in calcium-doped Y3Fe5012 films //J. Appl. Phys. 1984-. V. 55.1.' !1. No. 8. P. 3115-3123.

41. Грошенко H.A., А.М.Прохоров, Рандошкин B.B. и др. Исследованиеi i неоднородности состава висмутсодержащих пленок феррит-гранатовсубмикронных толщин // ФТТ, 1985. Т. 27. Вып. 6. С. 1712-1717.

42. Yokoyama Y., Koshizuka N., Takeda N. Treatment effect of reducing environment on magneto-optical properties of Ca-doped Bi-substituted iron garnet films // IEEE Trans. Magn. 1985. V. MAG-21. No. 5. P. 16616-1668 (1985).

43. Sugano S., Tanabe Y., and Kamimura H. Multiplets of transition metals in?crystals. — Academic Press, New York, 1970.

44. Берсукер И. Б. Электронное строение и свойства координационных соединений. Л.: "Химия", 1976. - 352 с.

45. Берсукер И. Б., Полингер В. 3. Вибронные взаимодействия в молекулах и кристаллах. М.: Наука, 1983. - 336 с.

46. Перлин Ю. Е., Цукерблат Б. С. Эффекты электронно-колебательного взаимодействия в оптических спектрах примесных парамагнитных ионов. — "Штиинца", 1974. 368 с.

47. Грум-Гржимайло С.В., Пастернак Л.Б., Свиридова Р.К. Узкие полосы поглощения в спектрах кристаллов, содержащих хром. // Спектроскопия кристаллов. -М., Наука, 1966.

48. Struve В. and Huber G. The effect of the crystal field strength on the optical spectra of Cr3+ in gallium garnet laser crystals // Appl. Phys. B, 1985. V. 36. P. 195-201.124 !f

49. Файн В. M., Ханин Я. И. Квантовая радиофизика. М.: Советское радио, 1965.-608 с.

50. Зарипов M. М., Шамонин Ю. Я. Парамагнитный резонанс в синтетическом рубине // ЖЭТФ, 1956. Т. 30. Вып. 2. С. 291-295.

51. Грум-Гржимайло C.B. Спектры кристаллов, содержащих ионы группыi I iжелеза // Спектроскопия кристаллов. М., Наука, 1966. J

52. Jloy В. "Оптические спектры твердых парамагнетиков"- в сб. "^азеры"jпод ред. M. Е. Жаботинского и Т. А. Шмаонова — М.: ИЛ, 1963 — 470 с.

53. Liehr A. D., Ballhausen С. J. Intensities in inorganic complexes // Phys. Rev., 1957. V. 106. No. 6. P. 1161-1163.

54. Перлин Ю. E. // ФГ!Г, 1968. T. 10. Вып. 7. С. 1941-1949.

55. Каплянский A.A., Феофилов С.П., Захарченя Р.И. Оптическоеисследование долгоживущих размерно-квантованных колебательных»возбуждений в пористом оксиде алюминия // Оптика и спектр., 1995. Т.79. №5. С.709-717.

56. Герловин И.Я., Толстой H.A. Вероятности переходов из состояния 4Т2 в рубине // Спектроскопия кристаллов. М., Наука, 1975.

57. Букке Е.Е., Моргенштерн З.Л. Выход люминесценции рубина // Опт. и спектр., 1963. Т. 14. Вып. 5. С. 687-690.

58. Wittke J.P. Effect of elevated temperatures of the fluorescence and optical maser action of ruby // J. Appl. Phys., 1962. V. 33. No. 7. p. 2333-2335.

59. Перлин Ю.Е., Цукерблат B.C. К теории температурного гашения люминесценции парамагнитных локальных центров ионных кристаллов // Изв. АН СССР, сер. физ., 1967. Т. 31. Вып. 12. С. 2007-2009.

60. Цукерблат Б.С., Перлин Ю.Е. К теории многофононныхбезызлучательных переходов в парамагнитных локальных центрах //i

61. ФТТ, 1965. Т. 7. Вып. |11. С. 3278-3288.

62. Перлин Ю.П., Цукеррлат Б.С., Розенфельд Ю.Б. О квантовом выходе люминесценции рубина на R-линии. В сб. Спектроскопия кристаллов. -М, Наука, 1970.

63. Suchocki A., Allen J. D., Powell R. С. Spectroscopy and four-wave mixing in Li4Ge50I2:Mn4+ crystals // Phys. Rev. B, 1987. V. 36. No. 13. P. 67296734. ! '

64. Ребане K.K. Теория колебательной структуры спектров примесных кристаллов // Спектроскопия кристаллов. М., Наука, 1966.

65. Берсукер И. Б. // "Спектроскопия кристаллов". — JL, Наука, 1973.

66. Kaiser W., Sugano S., Wood D. L. Splitting of the emission lines of ruby by an external electric field // Phys. Rev. Lett., 1961. V. 6. No. 11. P. 605-607.

67. Захарченя Б.П, Каплянский А.А. Спектры ионов с незаполненными/- и ¿/-оболочками в кристаллах во внешних полях // Спектроскопия кристаллов. -М., Наука, 1966.о

68. Sturge М. D. Effect of a static electric field on the R-lines of (3d) ions in corundum//Phys. Rev, 1964. V. 133. No. ЗА. P. A795-A800.

69. Моргенштерн 3. А, Неуструев В. Б. Влияние электрического поля на поглощение и люминесценцию рубина // Спектроскопия кристаллов. -Л, Наука, 1973.

70. Болеста И. М., Матковский А. О, Гальчинский А. В. и др. Необычная фотопроводимость кристаллов гадолиний-галлиевого граната // ФТТ, 1986. Т. 28. Вып. 5. С.1509-1511.

71. Батенчук M. М., Волженская JI. Г., Зоренко Ю. В. и др. // Физическая электроника, 1984. Вып. 29. Львов: Вища школа. С. 32-38.

72. Ельяшевич М. А. Спектры редких земель. М.: Гостехиздат, 1953. 456 с.

73. Murphy J. and Ohlmann R. С. Spectrum of,Cr3+ in GdA103 // Opticali i i iproperties of ions in crystals, ed. H. M. Crosswjhite. — New York, Wiley,1967. P. 239-250.i

74. Munro R. G., Piermarini G. J., Block S., Holzapfel W. B. Model line-shape analysis for the ruby R-lines used for pressure measurement// J. Appl. Phys. 1985. V. 57. No. 2. P. 165-169.

75. Savitzky A. and Golay M.J.E // Anal. Chem. 1964. V. 36. P. 1624-1628.i I

76. Kosarev E.L., Pantos E. // J. Phys. E, 1983. V.16: P. 537-543.

77. Davies S., Packer K.J., et al. В сб. «Maximum entropy in action», Claredon

78. Press, Oxford, 1991. P.73-105. f »

79. Greek L.S., Schulze H.G., et al. // Appl. Spectr. 1995. V.49. P. 425-431.

80. Тихонов A.H., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. — М.: Наука, 1986.— 288 с.

81. Самарский А.А. Введение в численные методы. — М.: Наука, 1982. — 272 с.

82. Ozen G., Belin В., Yildirim G., Guven H. Lanthanum lutetium gallium• 3+ •garnets doped with Cr and Nd ions: analyses of elemental composition and energy transfer // Opt. Commun. 2000. V. 173. P. 341-347.

83. Воронько Ю. К., Еськов H. А., Ершова Jl. М., Соболь А. А., Ушаков С. Н. Поляризованная люминесценция ионов Еи3+ в кристаллах со структурой граната// Опт. и спектр., 1991. Т. 70. Вып. 5. С. 1038-1045.

84. Sugak D., Matkovskii A., Durygin A., et al. Influence of color centers on optical and lasing properties of the gadolinium gallium garnet single crystals doped with Nd3+ ions // J. Lumin. 1999. V. 82. P. 9-15.

85. Gross H., Neukum J., Heber J., et al. Crystal-field analysis of Eu3+-doped yttrium aluminum garnet by site-selective polarized spectroscopy // Phys. Rev. B, 1993. V. 48. No. 13. P. 9264-9272.

86. Бокша O.H., Грум-Гржимайло C.B. Об определении валентности и координации иона Мп в кристаллах по оптическим спектрам. //I

87. Спектроскопия кристаллов. М., Наука, 1970.

88. G. Н. Dieke. Spectra and energy levels of rare earth ions in crystals — Wiley, New York, 1968.

89. Вигнер E. Теория групп и ее приложения к квантовомеханической теории атомных спектров. -М.: "Иностранная литература", 1961. 444 с.I

90. Феофилов П.П. Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов. -М.: Физматгиз, 1959.

91. Jamison S. P., Imbusch G. F. Temperature dependence of the luminescence from heavily doped ruby // J. Lumin. 1997. V. 75. P. 143-147.

92. Бонч-Бруевич В. Jl., Калашников С. Г. Физика полупроводников. М.: Наука, 1990.-688 с.

93. Huntley D. J., Short М. A., and Dunphy К. Deep traps in quartz and their use for optical dating. // Can. J. Phys., 1996. V. 74. P. 81-91.

94. Стоунхэм A. M. Теория дефектов в твердых телах. — М.: Мир, 1978.

95. Булярский С. В., Грушко Н. С. Генерационно-рекомбинационные процессы в активных элементах. — М.: Изд-во Моск. ун-та, 1995 399 с.

96. Горелик В. С., Жаботинский Е. В., Сычев А. А., Бабенко В. А. Ультрафиолетовое объемное излучение паратерфинила при дввухфотонном возбуждении // Кр. Сооб. Физ. ФИАН, 1994. № 1-2. С. 15-19.

97. Конюхов В. К., Кулевский Л. А., Прохоров А. М. Оптический генератор СсШ при двухфотонном возбуждении рубиновым лазером //; ДАН СССР, 1965. Т. 164. № 5. С. 1012-1015.

98. Горелик В. С., Приходько В. В. Кинетика затухания двухфотонно-возбуждаемой люминесценции в селениде цинка // Ученые записки1. А. Двухфотонно

99. УлГУ, 1998. Вып. 2(5). С. 35-39.

100. Басов Н. Г., Грасюк А. 3., Зубарев И. Г., и др. Полупроводниковыйквантовый генератор с двухфотонным оптическим возбуждением // ' »

101. ЖЭТФ, 1966. Т. 50. Вып. 3. С. 551-559.

102. Агальцов А. М., Горелик В. С., Рахматуллаев И. А. Двухфотонно-возбуждаемая флуоресценция в поликристаллах ZnO // ФТТ, 1996. Т. 38. № 11. С. 3322-3326.

103. Petrenko О. A., Paul D. McK., Ritter С., et al. Magnetic frustration and order in gadolinium gallium garnet // Physica B, 1999. V. 266. P. 41-48.

104. Petrenko O. A., Ritter C., Yethiraj M., Paul D. McK. Spin-liquid behaviour of the gadolinium gallium garnet // Physica B, 1997. V. 241-243. P. 727-729.

105. Ramirez A. P., Kleiman R. N. Low-temperature specific heat and thermal expansion in the frustrated garnet Gd3Ga50i2 // J. Appl. Phys., 1991. V. 69. No. 8. P. 5252-5254.

106. Королюк B.C., Портенко Н.И., Скороход A.B., Турбин А.Ф. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. -М.: Наука, 1985.-640 с.

107. Schawlow A.L. Advances in Quantum Electronics, Columbia Univ. Press., N.Y., 1961. P. 50.

108. Struck C. W. and Fonger W. H. Unified model of the temperature quenching of narrow-line and broad-band emissions // J. Lumin. 1975. V. 10. P. 1-30. < < .i Ii i

109. Englman R. and Baraett B. Quantitative theory of luminescent centres in a configurational diagram model I. Description of the method // J. Lumin. 1970. V. 3.P. 37-54.

110. Barnett В. and Englman R. Quantitative theory of luminescent centres in a configurational diagram model II. Results and their interpretation // J. Lumin. 1970. V. 3. P. 55-73. ■

111. Auzel F. // Luminescence of Inorganic Solids, ed. B. Di Bartolo. — Plenum Press, New York, 1978. P. 67-113.

112. Bartram R. H., Stoneham A. M. On the luminescence and absence ofr fluminescence of F-centers // Solid State Commun., 1975. V. 17. No. 12. P. 1593-1598.

113. Pryce M. H. L. // Phonon, ed. R. W. Stevenson. — Oliver&Boyd, Edinburgh, 1966. P. 403-448.

114. Koningstein J. A., Mortensen O. Sonnich. Laser-excited phonon Raman spectrum of garnets // J. Mol. Spectrosc. 1968. V. 27. No. 1-4. P. 343-350.

115. Кристофель H. H. Теория примесных центров малых радиусов в ионных кристаллах. — М.: Наука, 1974.

116. Верлань А. Ф., Сизиков В. С. Методы решения интегральных уравнений с программами для ЭВМ. — К.: Наукова думка, 1978. 292