Спектрально-кинетические свойства кристаллов разупорядоченного кальций-ниобий-галлиевого граната с Cr3+, Tm3+, Ho3+ и ИК лазеры на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

РГО

11 МАК

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК 1У93ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

На иравах рукописи УДК 621.373.826.038.825.2

РЯВОЧИИНА ПОЛИНА АНАТОЛЬЕВНА СПЕКТРАЛЬНО-•КИ№Л'ИЧЕСКМЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ , РАаУЛОРЯДОЧБННСГО КАЛЬЦИИ-НИОБИИ-ГАЛЛИЕВОГО ГРАЛАТА С Ог3+, Тш3+, Но3+ И ИК ЛАЗЕРЫ НА ИХ ОСНОВЕ.

01.94.10 - физика полупроводников и диэлектриков

ДВг ТО.РЕФЕРАТ

диссертации, да соискание ученой степени кандидата физико-математических наук.

.Москва -1993

Работа выполнена в отделе физики твердого тела Института общей физики РАН

Научные руководители :

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор физико-математических наук, профессор м.К. Воронько ■ кандидат физико-математических наук, A.A. Соболь

доктор физико-математических наук, профессор В.А. Смирнов кандидат физико-математических наук, A.M. Онищенко * "

Физический институт Российской академии наук

Защита диссертации состоится/^ээЗ г. в " час.

на' заседании Специализированного совета N 2 (К. 003.49.03) Института общей физики РАН по адресу: Н7942, г. Мссква, ул. Вавилова, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеки ИОФ РАН.

Автореферат разослан .. 19 « UtCbfUTUl. 199 Зг. Учений секретарь Специализированного Совета

доктор физ.-мат. наук Н.Л. Ирисова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш.

Монокристаллы со структурой граната, активированные ТИ-34 иона ми, широко используются в качестве активных сред твердотельных ла • зеров. На основе кристалла иттрий-алюминиевого граната с неодимом ИАГ-1М3+ (А.Г0Н =1.06 мкм) созданы импульсные и непрерывные. лазеры для использования в медицине, связи а также для различных тех нических применений.

В последние года разработаны технологии для выращивания других классов гранатов. Среди них кристаллы кальций-ниобий- галлиевого граната (ШПТ) с температурой плавления 1460° С, что на 470° С гаже чем у ИАГ . Это позволяет применять для их синтеза безиридиевую технологию,что упрощает процесс выращивания этих кристаллов. Разупорядоченность кристаллической структуры кристаллов кальций-ниобий-галлиевого граната приводит к значительному неоднородному уширению линий в спектрах Т1}3+ ионов. ' Благодаря этому обеспечивается хорошее согласование спектров поглощения ионов со спектром излучения лампы накачки. Это обстоятельство позволило получить на кристаллах КНЕТ-Ш-34" абсолютный кпд генерации более 3%,

превышающий кпд генерации активных элементов из кристаллов ИАГ-ш3+ .

Для обозначенных выше практических применений, кроме неодимового, большое значение имеют лазеры, работающие в двухмикронной области спектра. К настоящему времени эффективная генерация в области двух микрон при комнатной температуре, в условиях широкополосной ламповой накачки получена на кристаллах ИАГ-Сг, Тт. Но и ИАГ-Сг-Тт , а также на кристаллах скандиевых гранатов с Сг, Тт, Но. Генерационные характеристики этих кристаллов во- многом

апределяются происходящими в них процессами передачи энергии от ионов 0г3+ к ионам Тт34 и кросс-релаксации ионов Тт3+. В настоящее время их изучением занимаются многие исследователи. В связи с этим является, неоомненно, актульной работа по изучению спектрально-кинетических свойств кристаллов КНГГ-Сг-Тт-Но, КШТ-Сг-Гт, КНГГ-Тт и возможности создания двухмикронных лазеров на их основе.

Целью диссертационной работы работы являлось исследование спектрально-кинетических свойств легкоплавких кристаллов разу-порядоченного кальций-ниобий-галлиевого граната с Сг3+, Тт3+ и Но-31" и возможности их использования в качестве активных лазерных сред для ■двухмикронной области спектра.

Для достижения поставленной цели в данной работе ставились и решались следующие задачи:

1. Исследование спектрально-люминесцентных свойств ионов Тт3+, Но3+ в кристаллах КНИГ (0.2 мкм< Ж 2.5 мкм).

2.'Исследование процессов взаимодействия между ионами Сг3—>Тт3+ в кристаллах КНГГ-Сг-Тт (о.6 мкм< £<0.8.мкм).

3. Исследование процесса кросс-релаксации ионов Тт3+ в кристаллах КНГГ и сравнение его с аналогичным в ИАГ (о.7мкм< А. <0.9 мкм).

4. Проведение генерационных экспериментов на кристаллах КШТ-Сг3+-Тт3+-Но3+, КН1Т-Сг3+-Тт3+, КНГГ-ТтЭ+ при Т=300К в условиях ламповой накачки в режиме свободной генерации.

' Научная новизна

На основе проведенных спектрально-кинетических измерений . предложены новые активные лазерные среды на основе легкоплавких гранатов с Сг3+, Тш3+, Но3+ для получения генерации в двухмикронной области спектра. Проведено изучение процессов передачи энергии от ионов Сг3+ к ионам Тт3+ и кросс-релаксации ионов Тт3+ (ЭН4-.3Р4,3Н6-.3Г4) в кристаллах КНГГ. При ламповой накачке

" -5в режиме свободной генерации получено стимулированное излучение на кристаллах КНГГ-Сг-Тт-Но, ШТ-Сг-Тт,-КНГГ-Тт. Практическое значение.

Полученные в работе результаты могут быть использованы при создании твердотельных лазеров для двухмикронной области спектра . на основе легкоплавких кальций-ниобий-галлиевых гранатов с Сг3+, Тш3+, Но3+. •

Публикации.По материалам диссертации опубликованы 4 печатных работы и получено одно авторское свидетельство. Апробация работы. Результаты работы докладывались й обсуждались на VIII Всесоюзном совещании-семинаре "Спектроскопия лазерных материалов" (Краснодар 1991), семинарах отдела ФТТ ИОФ РАН.

Личный вклад автора заключается в проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных, интерпретации результатов и формулировке выводов (совместно с научными руководителями).

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав,- заключения, списка литературы из 103 наименований и содержит 105 страниц (общий объем), 33 рисунка, 8 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна и практическая значимость работы, излагается структура диссертации, а такие приводятся сведения о публикациях и апробации работы.

Первая глава является обзорной. В ней приводится краткое

описание кристаллической структуры граната, рассматриваются

особенности структуры кальций-ниобий-галлиевого граната,

i-t

спектроскопические и генерационные свойства ионов Ncr в кристаллах КНГГ , а также спектрально-кинетические и генерацион-

чыа свойства кристаллов различных гранатов с Сг3+, Тт3+, Но3+.

Во второй главе изложены методика и результаты исследования шектрально-люминесцентных свойств ионов Тгп3+ и Но3+ в кристаллах КНГГ.

в первом параграфе описаны методы и установки для проведший спектроскопических измерений.

В параграфах 2,3 описаны спектрально-люминесцентные сво:>*еиза кристаллов КШТ-!Гт3+ и КШТ-Но3+.

Показано, что из-за разулорядоченности крксигллмчбсиаз структуры кальций-ниобий-галлиевого граната, линии в сх>эщ;,эх поглощения и люминесценции ионов Тт31" и Но3+ значительно ие-однородно уширены. Приводятся спектры поглощения КНГГ-ЗяЗ'4 т=зоок для переходов 3н6-»3Р3> 3н6-»3н4, 3н6->3н5, 3н6->3:^ Рае-читанные из спектров, интегральные сечения поглощения для з'ЕЧК ;зз-реходов (о ) в КНГГ-Тш3+ соответственно равны 2.49«'Ю~18С;'12.

инт.

г.гБ'Ю-18«*2, 1.5*ю-18 см2, 1.7*10-18 см2. Для

переходов

3Н6—>3Р3> 3Н6—»3Н5> 3Н6—>3Р^ Тт34; интегральные сечения поглощения сравнимы с соответствующими в ИАГ-Тт3+. Исключением является переход 3Н6—для которого ошт в КШТ-Тт3+ в два раза больше чем в ИАГ-Тт3+. Анализируется спектр люминесценции с уровня Зн^ в КНГГ~Тт3+, который при сТш> 0.5 ат.я участвует в процессе кросс-релаксации Тт3+ (Зн4—>3Р4, 3Н6—>3Р4), приводящего к увеличению на-.селенности на верхнем лазерном уровне 3Р4. Приводятся спектры люминесценции с уровней ионов Но3+ и Зг4 ионов Тш3+ в кристаллах КНГГ, которые являются верхними лазерными уровнями при получении зухх .3+

двухмикронной генерации на переходах Но3+ и 3Р4-*3Н6

Тпг

В третьей главе приводятся методика проведения кинетических измерений и результаты по изучении процессов безызлучательной

пе ре дачи энергии от ионов Сг3+ к исншл в КИТ к :сросс

релаксации ионов Тт3+ (3Н4—► 3?4, 3Я6-»3Нд) в КНГГ и ИАГ.

В первом параграфе описана методика проведения кинет и

ческих измерений.

Во втором параграфе на основании литературных данных дана

краткая общая характеристика.процессов мекионного взаимодействия.

Третий параграф посвящен результатам исследования процесса

безь'злучательной передачи энергии от ионов сР+ к ионам тт3+ в

кристаллах КШТ. Возбуждение лшинесцекции ионов Сг3+ на 4

уровень Т2 осуществлялось перестраиваемым лазером на красителе родамин 6Ж длйчами волн 550нм и ЫТнм при'Т=эоок и Т=77К соответственно.

При исследовании кинетики затухания люминесценции с уровня 4То ионов Сг3+ в КНГГ-сг-тт, установлено, что во временном интервале 1мкс < г <55 мкс она описывается в соответствии с законом Ферстера для случая диполь-дипольного механизма взаимодействия между ионами. При т-зоок и т=77К расчитяны микропараметрн взаимодействия ионов Сг'+ и Тт3+ в КНГГ ^дасг^Тш' Рошше соответственно 1.27*1сГ38 см^с-1 и 7,13*1 о-"*® см6с-1. Показано, что невозможность описания кинетики распада возбужденного состояния 4Г2 Сг3+ в соответствии с ферстеровским законом после 55 мкс обусловлено'на-л н „3+

лужением на спектр свечения ионов Сг3"*' спектра люминесценции

ионов Тш

Для различных значений концентраций ионов Сг-^ и Тпг оценены значения эффективности передачи энергии от ионое Ог34 к ионам Тт3+

РгямТт «таблица I).

В четвертом параграфе описаны результат:! исследования процесса

кросс-ролаксации ионов 'Гт3' в кристаллах КНГГ и ИАГ. При ис-

-1 з f

следовании кинетики затухания люминесценции о уровня Н. Тпг в

-8-Тавлица

Значения эффективности процесса передачки энергии Сг3+-*тк34

Ро1мТт и значьжя ыикропарамвтров передал' ода СгЧТт в кристаллах КНГГ при Т=300К.

Кристалл °0г* 10Е0 см-3 °Тга' 10го ом-3 РохмТт' % 7. .. Л сда Сг^тш ' ю-38 см6см ДИТ.

КНГГ 0.4 1.27 44 ш 1.38 1 каст.

0.4 4.1 80 337 1.2 раб.

0.4 8.24 93 670 1.22 1

ИАГ 0.46 8.0 95 ! [151

.2.0 0.7 40 — 0.15 1 1391 1

ИСГГ 2.5 8.0 93 — ! [151

I

rl

вариацией вероятностей перехода-с уровня' н4 для различных типов

ЙЙГ-тт34"' (Ь'Тга=2.84*1019 см"3)' при резонансном вЬзбу*й&нии' длиной волш 786нм перестраиваемого твердотельного лазера на основе ki^oy. Ti3+ установлено, что она не является экспоненциальной. Показано, что эта неэкспснондиальность связана о вариацией вероятносте центров Тт3+ в КНГГ.

При'увеличении концентрации ионов im3+ 1°Тт>2.84*1о1^ см-3) в КНГТ-тш наблюдалось тушение люминесценции; обусловленное процессом

■ кросс-релаксации Тш3+ (Зн4—3Hg—>3?4). По интегральным характеристикам кривнх затухания люминесценции Тш3+ о уровня Зн^ определена эффективность процесса нросс-релаксации' в кристаллах КНГГ (таб'лиЦ'а- 2). Для _ образца ННГГ-Тш3+ о концентрацией Тга т. 52 »'1'6го см~3 юшетика распада возбужденного состояния' Зн4 Тш3+ опй^ййаётся в соответствия с законом Ферстера для случая диполь-дипольного' взаимодействия1 между ионаш. npir этом1 значение микропараметра взаимодействия' сдаТпнТт равно ? .29г1сГ39 см6с-1. При урели'четш концентрации инов Тт (оТт>4*юг0см:"3) кинетшса распада возбуяЩенйого состояния 3Н4 Тт3+ в КНГГ-Tm не описывается в соответствии с' ферстеровским законом для случая диполь-дйЬоЖнЬГо бзаимодей'ствия.

Для1 • Того чтобы выяснить связаны ли полученные особенности взаШодвЙствий Тт3+ в КНГГ со свойствами ионов Tff3+ или огфбделяются особенностями структуры ¡OTT, был исследован процесс ¿гросс-релаксации в кристаллах ИАГ. Для ИАГ-Тга при концентрации

1Q -П

2.2»Ю см закон распада возбужденного состояния

Является экспоненциальным с временем распада tq=542 мкс. Для

- ч

■ образца ИАГ-Тгл с „концентрацией Гт, равной 1.7* 10 см закон распада возбужденного состояния Зн4 списывается в соо-nr тствтк с законом Ферстера для случая диполь- диполиюго иохзиягм^

-10-Таблица /¿^

Эффективность процесса кросс-релаксации РТпнТт в кристаллах КНГГ-Тш И ИАГ-Тт.

Кристалл СГт' 1020 СМ-3 РттУГт' *

КНГГ 1.52 44

5.31 75

8.4 87

ИАГ 1.7 37

5.1 64

--- 15 96

взаимодействия между иона™.

Однако, как и в случае кристаллов КНГГ-ТтЭ+, в кристаллах 1Ш1-Тш при увеличении концентрации Тт свыше 4*10 см 1шнетика затухания люминесценции с уровня Тт3+ но описывается в соответствии с законом Ферстера для случая диполь-дипольного механизма взаимодействия.

Анализ кинетик затухания люминесценции с уровня ионов Тт3+ в кристаллах ИАГ и КШТ при cTm>4*1020 см_3 позволяет сделать вывод о вкладе более короткодействующего механизма взаимодействия между ионами ТпР+, чем дштоль-дипольный.

В качестве модели, где реализуется короткодействующий обменный механизм взаимодействия между тн3+ ионами, исследовалась система ионов Eu-Yb в кристалле RAT.

На основе исследований процесса Оезызлучательной передачи энергии Eu—>Yb в кристаллах ИАГ проанализирован вид кинетик распада для случая короткодействующего обменного механизма Оезызлучательной передачи энергии.

В отсутствие ионов УЪ3+ кинетика затухания люминесценции с уровня 5Dq является экспоненциальной.с временем жизни т0=3.67 мс. В кристалле ИАГ-Eu-Yb с концентрацией Yb 4.17*ю20 см-3 закон распада возбужденного состояния DQ также экспоненциален с временем распада tQ.

orí

Для образцов с суь> 4.17*ЮС см на начальном участке кинетики затухания люминесценции с уровня 5DQ EiP* наблюдается резкий спад, обусловленный обменным механизмом взаимодействия между ионами Еи3+ и уъ3+, который далее сменяется кривой, близкой по форме к экспоненциальной. Причем для образца с концентрацией ионов Yb , равной 6.95»юго см-3 начальный участок сменяется экспоненциальной кривой с временем жизни соотсзтстпупциу

радаационному времени жизни Еи3+ на уровне 5в0. При, увеличении концентрациями УЬ, время распада на втором экспоненциальном участке меньше радиационного, что соответствует статическому распаду ионов Еи3+ для случая диполь- дипольного механизма взаимодействия ионов Ей—огь. Вследствие сильного уменьшения вероятности обменного взаимодействия с расстоянием и крайне малой величиной диполь- дипольного взаимодействия (сдаЕи-,уъ=1 -4*1СГ42

с _т

см с ) выделить участок статически- неупорядоченного (ферстеровского) распада при использовании имеющейся у нас аппаратуры не представлялось возможным.

Особенности обменного механизма взаимодействия, между ионами Ей—>УЪ, отличные от закономерностей взаимодействия ионов Тт3+ в кристаллах ИАГ и КНГГ, а также результаты анализа кинетик распада возбужденного состояния Зн4 Тт3+ в этих кристаллах- позволяют сделать вывод о другом короткодействующем механизме взаимодействия в канале Тт3+(3н4~»3Р4, 3Р4--> 3Нб), в частности, квадруполь-квадрупольном.

В четвертой главе приводятся результаты по получении стимулированного излучения на кристаллах КНГГ-Сг3+-Тт3+-Но3+, КНГГ-Сг3+-Тт3+, КНГГ-Тт3+ при Т=ЗООК, в условиях ламповой накачки, в рекиме свободной генерации.

В первом параграфе описаны результаты генерационных экспериментов в кристаллах КНГГ-Сг-Тт-Но. В кристаллах КНГГ-Сг3+-Тт3+-Но3+ при Т=зоок, при ламповой накачке, в режиме одиночных импульсов была получена генерация на длине волны 2.09 мкм. Порог генерации составил бОДк.

Во втором параграфе приводятся результаты по получению генерации на кристаллах КШТ-Сг3+-Тт3+. В кристаллах КШ'-Сг-Тт получена генерация на длине волны 2.02 мкм. Порог генерации 122

Дж.

В третьем параграфе сообщается о генерационных исследованиях на кристаллах КНГГ-Тш-54. В кристаллах КНГГ-Тт при накачки криптоновой лампой получена генерация на длине волны 2. Ой мк;.< энергией генерации в единичном импульсе 3.3 Дж. Показано, что лучшие генерационные параметры обеспечиваются при накачке, криптоновой лампой накачки чем ксеноновой (при прочих одинаковых условиях в случае использования ксеноновой лампы накачки энергия генерации в импульсе составила 1.5 Дж.)

В заключении сформулированы основные результаты данной диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В данной работе решена задача изучения спектрально кинетических свойств легкоплавких кристаллов кальций-ниобий- гал-лиевого граната о Сг3*", Тпг'1 и Но3+ с целью использования этих кристаллов в качестве новых активных сред для лазеров двухмикронного диапазона.

В работе получены следующие основные результаты:. 1. На основе спектрально-кинетических исследований ионов Тш3+ и Но3+ в кристаллах разупорядоченных кальций-ниобий-галлиевых гранатов, показана перспективность использования этих кристаллов в качестве активных сред для лазероЕ двухмикронного диапозона спектра при комнатной температуре. На кристаллах КНГГ-Сг-Тш-Но, ЩПТ-Сг-Тт, КНГТ~Тт получено стимулированное излучение в режиме свободной генерации, при ламповой накачке, при Т=300К. В кристаллах КШТ-тт3+ выходная энергия генерации в импульсе составила 3.3 Дж. 2. В кристаллах КНГГ-Сг-Тт обнаружена эффективная Сезызлу-чательная передача энергии от ионов Сг3+ к ионам Тта3+. Из анализа кривых распада возбужденного состояния 4Т,, ионов Сг3+ оценена

фективность передачи РС1мТт • Установлено, что взаимодействие между ионами Сг —»Тпг осуществляется за счет диполь-дипольного механизма. Во временном интервала от 1мкс до 60 мкс оценены микропараметры взаимодействия °даС1чТш между ионами, равные 1.27*1 о-38

/? _ Т _ -50 Г» _Т

см с , 7.13*10 -"см с при Т=300К и Т=77К соответственно. 3. Оценена эффективность процесса кросс-релаксации ионов тш3+ (3Н4—>3Р4, РТпнТга в кристаллах КНГГ-Тт. Обнаружено, что

для концентраций ионов Тт3+ оТт< 4*1 о20 см~3 в кристаллах ИАГ-Тт и КНГГ-Тт распад возбужденного состояния Зн4 Тт3+ происходит в соответствии с законом Ферстера для случая диполь-дипольного механизма взаимодействия. Для кристаллов КНГГ-Тт и ИАГ-Тт оценены микропараметры взаимодействия ионов Тт3+ в канале Тт3+(3Н4~»3Р4, 3Н6—^3Р4) °даТт+Тга равные 2.2Э*10_39ом6с"1 и 0.6*10_э9см6с_1 соответственно. 4.- На основе исследований процессов безызлучательной передачи энергии для системы Еи-*УЬ в кристаллах ИАГ-Еи-УЪ проанализирован вид кинетик распада для. модели короткодействующего обмонного механизма взаимодействия между Тй3+ ионами. Показано, что модель обменного взаимодействия не может быть применена для объяснения короткодействующего механизма безызлучательной передачи энергии в системе ТтЭ+—»Тт3+ (канал 3Н4~+3Р4, . 3Н6—>3Р4), об-

0 1 о г,

нарукенного при концентрациях Тпг свыше 4*1о см в кристаллах ИАГ-Тт и КНГТ-Тт.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах: 1.Воронько Ю.К., Гессен С.В., Еськов H.A., Осико В.В., Рябочкина П.А., Соболь A.A., Ушаков С.Н., Цымбал Л.И. Кристаллы КЛНГТ с ».•нами Сг3+, Tm3t, Но3+ - новая активная среда для двухмикронных дгсеров. // Кыштовая электроника, Т17, N10, 1990, С.1282-1283.

2. Воронько Ю.К., Гессен С,В., Осико В.В., Рябочкина П.А., Соболь A.A., Ушаков С.Н., Цимбал Л.И. Кристаллы кальций-ниобйй-галлиевого грвнатв с , Tnr , Her - новая активная среда для двухмикронных лазеров. // VIII Всесоюзное совещзние-семинар "Спектроскопия лазерных материалов" Тез. докл. Краснодар, 1991, G.3.

3. Воронько Ю.К., Гессен С.В., Еськов H.A., Зверев A.A., Рябочкина П.А., Соболь A.A., Ушаков О.Н., Цымбал Л.И. Спектроскопические и генерационные свойства кяльций-ниобий-галлиевого граната , активированного ионами и Сг3+ // Квантовая электроника. Ti7, N7, 1992. С.631-633.

4. Воронько Ю.К., Гессен С.Б., Еськов H.A., Рябочкина П.А., Соболь A.A., Ушаков С.Н., Цымбал Л.И. Генерационные и спектроскопические свойства кристаллов KHJT, активированных ионами Тпг* //

TU>, МЧг 1993.

Ъ. Воронько Ю.К., Еськов H.A., Рябочкина П.А., Соболь A.A., Ушаков С.Н., Цымбал Л.И. Заявка на патент N 5G6064R "Твердотельный

лазер" от 31.08.92.

¡Подпилшо в печать II ¿$евраяя 1993 года Заказ:» 63. Дирак Д00 ака. П.д. .0..9 Отпечатано *в -й-ши ашн Москва В-333.Ленинский зфоспект^ЬЗ