Спектроскопические и генерационные свойства монокристаллов легкоплавких кальций-ниобий-галлиевых гранатов, активированных Nd3+ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Из правах рукописи УДК 621.373.826.038.825.2

УШАКОВ СЕРГЕЯ НИКОЛАЕВИЧ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ И ГЕНЕРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВ«. МОНОКРИСТАЛЛОВ ЛЕГКОПЛАЕКИХ КАЛЬЦИИ-НИОБИЯ-ГАЛЛИЕВЫХ ГРАНАТОВ, АКТИВИРОВАННЫХ «с!3*.

01.04.10 - физика полупроводников и диэлектриков

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1594

Работа выполнена в отдела физики твердого тела Института общей физики РАН

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

доктор физико-математических наук, профессор Ю. К. Воронько кандидат фиаико-иатеиэтических наук, А. А. Соболь

доктор физико-мЬтекатических йаук, а И. Же ков

кандидат физико-иатематических наук, А. Е Шестакоа

Институт Радиотехники и Электроники Российской академии наук

Зайцп-а диссертаций'состоится " / / " ¿1(71994 г. в /г час. на заседании Специализированного совета Д. 003. 49.03 Института обвей физики РАН по адресу: 117942, г. Москва, ул. Вавилова, 30. С диссертацией' Можно ознакомиться А библиотеке ИОФ РАЕ

Автореферат разослан

X" 1994 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физ. - мат. наук

Н. А. Ирисоьа

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность .теш.

В настоящее время в качестве материала для активных лазерных сред широкое распространение получили кристаллы со структурой граната. Это обусловлено их физическими свойствами, такими, как; изотропность свойств, высокая оптическая однородность, большая изоморфная емкость по редкоземельным ионам. Самое больиое практическое применение нашел кристалл иттрий-алюминиевого граната, активированный ионам,! неодима. На его осног создано большое число лазеров для свячи, технологии, медицины, геодезии, научных исследований. Но, несмотря на очень хорошую совокупность физических свойств этого кристалла, продолжаются активные исследования других соединений со структурой граната. Наметилось несколько тенденций в поиске .лазерных гранатов. Одна из них - нахождение гранатов с высокими параметрами передачи энергии от ионов соактигаторов ( в частности, ионов хрома, обладающего широкими полосами поглощения ) к г<>перкрушш ионам. Это тагае гранаты, как ГСГГ, ИСГГ,. ГСАГ, ГГГ. За счет лучшего согласования со спектром излучения лампы накачки удалось повысить к. п. д. импульсно-периодическнх лазеров на этих кристаллах в 1.5-3 раза

Наметилась также тенденция к поиску лазерных гранатов с более низкой, чем у ИАГ и ГСГГ, температурой плавления с целью упрощения их технологии. Так, были синтезированы новк- легкоплавкие гранаты: Са^а^3е3022 ■каиьцчй-германий-галлиеви'й (КГГГ) и Са^Ьва^Ор кальций-ниобий-галляевкй (КНГГ), имеющие температуру плавления мз-

О

нее 1500 С. Это позволило использовать для их синтеза из расплава платиновые тигли вместо иридиевых, применяемых для выращивания ИАГ, ГСГГ и ИСГГ. Особенностью КНГГ является разупорядоченность структуры, связанная с хаотическим распределением ионов ниобия.

галлия, а также вакансий' по октаэдрическяи и те^раэдаичесгаш уз лап решетки; ЭТО отражается как на спектроскопически*,' так и на генерационных характеристиках данного материала.

В связи с этии является иесоййеняо актуальной работа по исследованию спектроскопичесАй! Свойств редкоземельных иойой КсР+ и Еи3+ в разупорядоченных кгй&дай-ниобий-галлиея-а? граней* Ипойле-дущдо оптимизация на основе этих исследования" энергетических характеристик лазеров на этих кристаллах.

Целью диссертационной работы являлось исследование спектральных свойств и генерационных характеристик*кристаллов разупорядоченных кальций-ниобий-галлиевых и кальций-литий-ниобий-галлиевых гранатов, активированных ионами' и переходных элементов.

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

1. Исследование центрового Состава по спектрам поглощения и люминесценции иЪио§ в К®? Л< КЛНГГ.

Исследование структуры-, локального окружения1 актиьаторного* ТК3* центра в Кристаллах ИАГ, КГГГ, КНГГ и КЛНГГ.

3. Проведение генерационных экспериментов к> оптимизация энергетических характеристик лазеров на основе КНГГ-Мс13+ и КЛНГГ-

4. Изучение влияния неконтролируемой примеси Мп и соактивации ионами хрома"' Нй> лазерные параметры кристаллов ШТ-М3* и' КЛНГГ-Ис13+.

Научная новизна-

На основе спектрально-Генерационных* исследований1 предложена новая лазерная активная среда: легкоплавкий кальций-литий-ниобий- галлиевый гранат с для получения генерации в области 1.06 и 1.33 мкм. Проведено изучение влияния структуры локального окружения редкоземельного иона Еи3+ на его оптические свойства в ИАГ,

:КГГГ, ККГГ и ^уигг. Созданы лазеры на кристаллах ШТ-М3* и КИШТ-тЛс?* .работающие гпри ламповой накачке в импульсно-периодичес-ком режиме с абсолютном £..п.д. более 3%.

Нрадядаесдое знаиеддае

.новая лазерная среда на основе легкоплавкого граната с ,признана изобрете-•няен. <Ва ддаюталло ¡ЮПТ-Нс^1' реализован регим пикосекундных импульсов. Доведенные .исследования структуры локального окружения редкоземельного иона в этих гранатах г зволяют прогнозировать отшшеские свойства -других редкоземельных ионов. Созданные на основе генерационных исследований лазеры,на.КИГГ-Мй3'*' и !ШГГ-Нс13+ с ¿Здонами волн излучения ,1. Об и 1.33 .«км. .могут бдаь, использованы наутщих исследованиях, ,так и в технологических применениях.

Публикации

ГЬ материалам диссертации опубликовано 15 печатщж работ.

Апробация работы

Основные результату работы докладывались и обсуждались на 13 международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (йшск, 1988) ; 7 совещании-семинаре "Спектроскопия лазерных кристаллов" (Сочи, 1989),.; 9 ¿всесоюзном симпозиуме по спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных и переходных металлов (Ленинград, 1990); всесоюзной конференции "Физика и приме-пение твердотельнкх ^лазеров" ](:Мос1ша, 1990)

Личный вклад асторэ »ВЩ1Ж9Н в проектировании и создании экспериментальной установки,,в .постановке и проведении экспериментов по исследованию спектроскопических характеристик и генерационных параметров исследуемых,материалов., обработке экспериментальных данных, в том числе с использованием :ЭР1, сопоставление их с литературными данными, интерпретации результатов и формулировке выводов Д

-61 совместно с научными руководителями д. ф. -м. н. Ю. К. Воронько и к. ф. и.н. А. А. Соболем).

Обьеи работы.

Диссертация состоит из введения.четырех гдав, заключения, списка литературы из 72 наименований и содержит /У/страницу (общий обьеи), S i"рисунков, // таблиц .

•СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи, научная¡новизна и практическое значение, кратко иэдодено основное содержание частей и разделов диссертации, а также приведены сведения о .публикациях и апробации работы.

В первой главе приведены литературные данные по фиаическиы свойствам й кристаллической структуре кристаллов гранатов; активированных ионами редкоземельных< и переходных металлов. Рассмотрены, работы по изучению особенностей- легкоплавких гранатов КГ Г Г и KHIT,'. активированных ионами неодима спектроскопическими методами1 til и' методом комбинационного рассеяния света. Даны описания основных спектроскопических методов исследования активаторных центров. Приселены теоретическое описание и экспериментальные данные процессов межионного взаимодействия. Кроме того, описаны экспериментальные установки, на которых получены основные результаты диссертации.

Во второй главе приведены результаты исследования оптических • ■i сигм; и структуры активаторных центров в кристаллах КНГГ и

1. Каминский А. А. .Белоконева Е. R ,Буташин А. Е и др. Кристалли-' :сокая структура и спектрально-люминесцентные свойства катион-дефи-iiiiThoro граната Са3( NfcGa) ^ЗадО^ //Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1^86. Т. 22. N7. С. 1061-1071.

КЛН1Т. ч

Первый параграф содэр:кит сведения о спектрально-люминесцентных свойствах ионов на^"*" в КНГГ НЛНГГ. Приведены неоднородно-уимреи-!№ спектры поглощения ц люминесценции при комнатной и азотной температурах. Рассмотрены спегары люминесценции концентрационной сераи 0.01, 1 и 10 атомных процента Нс13+. В качестве метода иссле-донания спектров кристаллов КНГГ и КЛШТ с Ис!^ выбран и обоснован »«тод селективной лазерной спектроскопии.

Во втором параграфе рассмотрено пркгчнение данного метода, к образцам 1ШГГ-М<3^+ и КЛНГГ-Н<13+. Исследования проводились при температуре образцов 77 II Возбуждение г/роизводилось перестраиваемым лазером на красителе на уровни ^д^ и иопа -пект~ рн л-чиинесценции регистрировались е уровня 4 на УРрвяк 1д/р и 4111/2- Гадам оЗразоа получеии спектры даяптосценции чсг^рех ос-тоеншс характерных оптических центров А,В,С и Я в кристалле

КНГГ. ГЬ спектрам поглощения и люминесценции при селективном ,воа-

4

буядении построены схемы пггаркогекзго расцепления уровней ¥-$/2 и дд>дл? этих центров. В этоя параграфе тагагз рассмотрены результаты еелекгивного Еозбувденил образцоз КИГГ-Ма^+ стехиометрическа-го состава и КЛНГГ-НсГ*+. В этих образцах, так ж ¡гак и в образцах КНГГЧк! конгруэнтного состава, селектируется линии центов типов А и П, ::о здесь выявлено ь различие выр&тгппое в так называемо;» "стекольном эффекте". Оно проявляется как нчпрерывны* сдвиг полс-ггний ряда лшиЯ, в зависимости от вариации длину волны линия воа-буядения. Эти линии принадлежат группам центрог, г-асгаплеиия 1 которых отличаются незначительно и образует непрерывный набор значений. ЛодоАньй ¡мбллдается в стекле, где вследствие -"аоти-ческого распределения образующих основу лонов, окружение активатора многообразно, что вле-чет га собой множество линий шегаззторшл

центров смененных по частоте и сливащдаоя в один широкий контур.

Третий параграф посвяцзн детальному исследованию локального окружения редкоземельного иона в структуре граната При этом возникла необходимость испольеовааия в качестве зонда иона Еи3+, наи более изученного из всех ионов к обладающего относительно более простой схеиой марковских уровней. В качео-твз объектов исследования бшш выбрана кристаллу НАГ-Еи3*, КПТ-Еи3+, КШТ-Еи°+ конгруэнтного и сте^ио:,1е?рического составов н КЛНГГ-Еи^+. Этот ряд построен по принципу последовательного усложнения структуры материала. В результате исследования поляризованной люминесценции ионов Ей при селективном лаеерном поляризованном возбуждении получены сле-дувшие результаты. Симметрия окрудения Ей в с-позищш в структуре ИАГ однозначно соответствует точечной группе 0.., это означает,

к,

что эффект внедрения иона Еи3+ в решетку не приводит к изменению

симметрии исходного с-узла. На основе поляризационных исследований

впервые удалось приписать отдельным югарковским компонентам уроь 7 1

ней ?! 2 иона Ей неприводимые представления В^д точечной группы 02-

3+

В спектрах Ей в кристаллах КГГГ в отличие от ИАГ-Ь\г+наблк>-дается присутствие трех оптических центров: М, N и [., что ранее было зарегистрировано в спектрах иона Ыс13+ в КГГГ С 2]. На основе поляризационных исследований линий однозначно идентифицирован центр М как невозмущенный гранатоЕий центр с симметрией соответствующей точечной группе О, - аналог такого же центра в кристаллах

2. Боронько XI Н. , Кабаченко Ь Я , Крысанова Л И. и др. Спектроскопия активаторных центров Ис!3+ в монокристаллах кальций- галлий-германиевого' граната //Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1983. Т. 19. N6. С. 959.

о,

ИАГ-Ей . Сравнение знака и величины степени поляриаадни линий в эксперименте с расчетами позволяет отнести спектр N центру с симметрией С2/. На основе анализа структуры граната такой центр шкно пр'шисать только ассоциату из юна Еи3+ и нона 6а3+, занявшему позицию в более дальних, чем в первой координационной сфере, с)-уздах. Изучение характера расщепления уровней и характера поляризации линий позволяют отнести спегар и к центру с симметрией С^, то ость к асс.оциату из Ей"3* и иона 6а3+, Еаяяаиек? а-позиция на блияейазм к иону- Еи3+ расстоянии. Появле :э ионов Оа3^ в тетра-эдрических позициях в структуре КГГГ-Еи обусловлено необходимостью ксулйясемцш заряда иона Еис3+. Кде;;тифлцпровалкш спектры Еи3 '-'М, I и !■! были использованы для анализа локальной структуры оптических центров з кристаллах КНГГ различного состава и КЛНГГ.

Легальный ш;алиэ структуры лксалыгого окрудашя Ей3"1" нз основа спектров поляризованной люминесценции в ННГГ проводили па образцах грех составов, что позволяло варьировать косцеггтрацш! я сорт различных ионов в различных подрсшетках в структуре исследуемого типа гранатов. Образец стехкометркческого состава Са^МЬ^ ^ба^ дОд, отличается отсутствием катионных вакансий 11 содержит минимально воз-иоаное количество МЬ . Кристаллы КНГГ имеющие лракгкчесгае применение, синтезируется из расплава. Они итэт состав близкий Са^'Ь-]- уВад 2^12' ® таких кристаллах избмочнат по сравнению со стехи.ометрическин образцом концентрация кета !!Ь0+ приводит к подменив катионных вакансий в тетраэдрическтас и окгаэдряческих под-. ресзт:их. Введение ионов Ы+ позволяет, как и з стехкомеа-ркчесгсси КНГГ, ликвидировать присутствие катионтис ваквтяа и увеличить

с.

концентрацию ионов МЬ .

В спектрах люминесценции отдельных центров Еи3+ в области переходов 50д-7Г0_£ при 300 К образца КНГГ стехиометрическсго сос-

гава хорошо просматривается линейчатая структура, тогда как спектры образцов ННГГ конгруэнтного состава и КШПТ состоят в основной из широких дикий, подобных спектру лазерных стекол. При сканировании частоты возбуждения по широкому контуру на переходе ^о'^О происходит плавное изменение величины расщепления как уровня ^р так и иона Каждая из трех достаточно широких компонент уровня ^Ту состоит из нескольких более узких линий. При изменении • частоты .возбуждения происходит перераспределение интенсив-ностей этих компонент, и за счет этого общий сдвиг средней частоты

7

контуров линий соответствующих отдельным компонентам уровня Рр Такое поведение характерно для стеклообразных сред с редкоземельными активаторами, в которых присутствует большйе число центров со значительной вариацией структуры локального окружения. Эти линии мы приписали К-це^доам. Дентры той »в породы были обнаружены нами и в кристаллах ЩПТ конгруэнтного состава и КЛНГГ. Кроме

этого, во всех образцах наблюдаются линии центра N. которые появ-

7 ^

дяются при возбуждении в узкую линию N на переходе ^о О" 11ри

7 5

селективном возбуждении через переход Р]; Од при 300 К помимо линий К и М-центров, которые были разделены ранее при возбуждении

7 к

через переход 'Рд-^Од, нами были идентифицированы также линии центра, обозначенного нами как Ь-центр Линии Ь-цеитра были выделены в спектрах образцов КЛГГ-Еи^+ стехирметричеекого и конгруэнтного составов- и отсутствовали в образцах КЛНГГ-Еа^"1:

С целью идентификации лркЫльной. симметрии К и М-центров исследовали поляризованную люминесценцию этих центров при лазерном возбуждении на переходе а для 1-центров - на переходе "^Г^О Закономерности в изменении интенсивностей в спектрах поляризованной люминесценции били одинаковыми для М-центра в ШИТ и КПТ. Таким образом можно заключить, что в кристаллах КНГГ при-

сутстиует центр' N с симметрией локального окружения Cg^, и осью С?, направленной вдоль оси С4 кристалла Закономерности, наблюдаемые в поляризованных спектрах люминесценции К-центров ШИТ, оказались отличными от закономерностей для N-центра Их поведение характерно для центров свечения TR3+ ионов с симметрией окружения ниже ромбической, для которых не существует строго определенной ориентации элементов симметрии относительно кристаллографических осей кристалла Особенности характерного поведенет линий L-центра позволяют соотнести его с L-центром, наблюдаемом в кристалле КГГГ и имеющем симметрию Gj.

Рассмотрим возможные модели окружения ионов TR3+ в кристаллах

5+

кальций-ниобий-галлиевых гранатов. Если бы ионы Nb заполняли

3+

только узлы а-типа, а ионы Ga только тетраздрические позиции »близи иона то состав такого центра:

4Nb(a)+£Ga(dl)+4Ga( d£) (1)

соответствовал бы окружеiiwo невозыущенного додекаэдрического узла, проведенные исследования свидетельствуют об отсутствии такого центра в кристаллах КНГГ и КЛНГГ.

В случае, когда ближайшую к TR3+ тетраэдрическую координационную сферу образуют разные типы ионов, состав активаторного центра имеет вид:

4Nb( а) + ( Ga( dl ) +Nb( dl ) ) +4Ga( d2) С 2)

и симметрия такого центра должна соответствовать точечной группе О g. Спектр L-центра Еи3+ в КНГГ соответствует особенностям, которыми должен был бы обладать центр симметрии С^, что позволяет предположить его существование в кристаллах КНГГ и КЛНГГ.

Как показано на примере КГГГ, заметную роль в формировании окружения TR3+ в структуре граната играет неоднородность строения второй тетраэдрической координационной сферы вокруг этого иона В

КНГГ и 11Ш1ГГ центр такого типа должен соответствовать формуле: 4ЛЬ(а)+2(За(с11)+(ЗОа(а2)+ЫЬ(йг)) (3)

Проведенные исследования и сравнения с данными по КИТ однозначно подтверждают, что такой Н-центр присутствует в структуре КШТ н КЛНГГ и имеет симметрию С^. I

«ормула составов для центров образующиеся из-за различного расположения ионов 6а3+ и 1<Ь®+ в онтаэдри.еской подрешетке:

((1-п)НЦа)+п0а(а))-:2аа(а1)+46а(<12}; п-1-4 (4) описывает центры, образованные разным соотношением ионов и (За в

О I

бдияайьей к ТК огааэдрической подрешетке. Появление таких центров долота обусловить значительное неоднородное уширение спектральных линий иона. ТН^4, вследствие суперпозиция контуров отдельных центров с близкой структурой, Локальная симметрия таких центров, исходя кз структуры решетки граната, долина быть низка. Именно такие особенности харамерны дга гыделенной в КШТ :: КЛШТ группы К-центров.

Возвраиэнсь к результатам, полученным для центрового состава

Законов N<1 ' в кристаллах; КШТ и КЛНГГ, можно выявить обвдз закономерности с центрами Еи3+. Наблюдаемый в кристаллах КШТ стехиоиет-ркчес1Сого состава и КЛНГГ "стекольный" эффект в области спектральных линий центров В и С позволяет сопоставить эти центры с центрами К-типа, .наблюдаемыми на ионах Сбпц;е гзкономеркостц селекции линий в кристаллах КИГГ конгруэнтного и сгехкометр>пеского

3+

ссставов к КЛНГГ, активироьанных ионами Мс1" и Ей \ дшот возможность соотнести А-центры с центрами типа М Еи3+, а 0-ц?кгры соответственно, с [.-центрам:!.

Третья глава содержит исследование стиьуяированного излучения ионов ¡«3+ в КШТ и КЛНГГ.

В первом параграфе приводятся сведения о спестральном сестазе

-i3~

генерируемого излучения на переходе ц/2 иона Nd3+. Спектр

генерации ШПТ-!М3+ состоит из трех линяй с максимумами а; ДJ-10593A, Д2-10615А, Ag-IOSÖOÄ, полуширины наблюдаемых линш составляют величину порядка 7 - 10А , что превышает аналогична» величину у ИАГ-М3+ . Спектр генерации КЛНГГ-nJ* несколько отличается от рассмотренных спектров КНГГ. Количество линий генеращгд уменьшилось до двух Л 2 -10S15A и Ag-lüöSOÄ, но у линии Л 2 наблюдается некоторый пьедестал с коротковолновой стороны, в котором можно найти следы от линии Яj -1G593Ä. Полуширина наблюдаемых линий такяе находится в рашах 7 - 10А при полуширине пьедестала 35А. Здесь так®з рассмотрено изменение спектров поглощения образцов КШТ-Nd и IUirr-Cr-Hd в области длин волн генерации при воздействии ламповой оптической накачки. Выявлено наличие фотоиндуциро-naHiihK потерь на длине волны генерации в образцах ¡ШГГ-Cr-Nd.

Во втором параграфе представлены результаты оптимизации энергетических характеристик лазеров импульс но-периодического реяима с длиной волны генерации 1,Осмкм. на основе активных элементов из КНГГ-Nd34 и KnfflT-Nd3f. Проведен ряд экспериментов по определению предельно допустимой средней мощности накачки на единицу длины активного элемента, ограниченную порогом разрушения. Для кристаллов КНГГ-М(13+ она составляет 250 - 300 вт. /см. , а для IUffiIT-Nd3+ равна 450 - 500 вт. /см. Ibicasana необходимость использования просветлявших покрытий торцов активного элемента, что приводит к повышения эффективности в два раза В результате проделанной работы получено для кристаллов КНГГ-Nd и ИЛНГГ-Nd соответственно: абсолютный к. п. д. 3,62 и 3%. дифференциальный к. п. д. Л,37. и 3.6Х, максимальная выходная мощность 20 вт. и 40 вт.

В третьем параграфе рассмотрены возможности использования кристаллов КНГГ-Nd и КЛНГГ-Nd в рехгалз модулированной добротности

-144 4

на переходе Р^/2' г11/2 и в Режиме свободной генерации на переходе 4Г,3/2"41хз/2- ^Р11 этом в Режиме модулированной добротности с использованием пассивного лазерного затвора подучено для КНГГ-Ис! -200 мд;х. при длительности импульса 20 не., эффективность при этом составила 0,5%. Пороговая плотность мощюсти разрушения поверхности для К1ГГГ- N0 составила в среднем ЗСО МВт/см . В режиме модулированной добротности были записаны спектры генерации для активных, элементов КНГГ-М и КЛШТ-Мй. В отличии от режима свободной гене-раци:; спектры ь режиме моноимпульса как для КНГГ-М, так и для КЛНГГ-Ш состоят из одной линии с • 10615А. ¡£рй увеличен™ энергии накачки и переходе в рек;;.; генерации цуга модулированных импульсов на оле;прэ КНГГ-Не! появляется вторая линия генерации с А £"30593А, что не наблюдается для кристалла ЬЛПГГ-ЫсЗ, у которого данная лияик заметно подавлена и в режме свободной генерации. В режиме свободной генерации на переходе иона в

крлсталлз ШТ, з результате оптимизации, нами получено: абсолютный к. л. д. 0,4.% и дифференциальный 0,31 при энергии выходного импульса 1 дж. Спьктры генерации для активных элементов КНГГ-Нс?+п КЛНГГ- переходе '13/2 С0СТШТ из одной линии с длиной

волны Л =1,33 ыкм. и различаются только полушириной.

3 четвертой главе рассмотрены спектрально-кинетические свойства ионов Сг и Мл в кристаллах КНГГ и ШТ.

В «ервом параграфе изучены оптические свойства ионов Сг. В отличие ог других галлиезых и алхшлиевых гранатов спектр люминесценции состоит из широкой полосы, отвечающей переводу ^ как при Т-300К та.; и при Т=77К. В спектре не удалось выделить Н - линию ( переход ^Е-4¿2 )• Это предполагает наличие хорошей передачи энергии в образцах КНГГ-Сг-Но от ионов Сг3+ с уровня 4Т? к ис:;ам

3-1

Ки . Проведенные эксперек?к-ш свидетельствуют о том, что кинетика

распада- возбужденного состояния- иона Сг3+ в кристаллах КНГГ-Сг-Nd и в кристаллах КЛШТ-Сг-Nd хорош описывается теоретическая моделью верстеровского распада для случая диполь-дипольного взаимодействия. Пэлученные нами значения микропараметров взаимодействия раызд Сла-0.6*10~?8 см6 с-1,' Сдд-3,5*10'"37 см^' с"1.'

Во втором'параграфе рассмотрены оптически евбйства ионов Мп, которые содержатся практически во всех образцах ННТГ'и'КЛШТ в ка-1 честве неконтролируемой •примеси. Проведенные исследований показывают; что ионИ' марганца'зайимаюгг'октаэдрические и, ¿азйэжйо, доде-каэдрические позиции в валентных состояниях и . Для

и люминесцируи»«* при температуре' 77К, прописаны спект-

ры люминесценции и возбуждения' и произведена идентификация уровней' из сопоставления с диаграммами Такабе-Сугано. Измеренные времена ' лизни1 возбужденных состояний и'K<h2+составили 264 мне. и 190 мкс. При ксЛтатНсй^тёмпературе наблюдается- сильное температурное' тушение.

В- результате- работ по' исследованшгспектровшглощени» в опти-" веской области нак&чки-образцов KHIT-Nd3fH JUBflT-Nd3'1' были найдены-оптимальные условия терийческбй'^обработки заготовок активных элементов из этих кристаллов.-

В заключении сформулираваны -основные результаты данной диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В данной райате-рёшена задача: с целью использования кристаллов1 легкоплавких разупорядоченных кальций-ниобий-галлиевого и кальций-литий-ниобий-галлиевого гранатов, активированных ионами Nd3+ в качестве активных сред для лазеров с длиной волны 1,06мкм. и оптимизации их характеристик, изучены спектроскопические свойства рёдковемеаьных ионов Nd3+ и Ец3+ в этих материалах.

- -iC-

B .работе получены следующие основные результаты:

1 ..Методом селективной лазерной спектроскопии разделены оптические спектры различных активаторных /центров Nd^4 внутри сложной неоднородноуширенной линии в )кристаллах .КНГГ и КЛНПГ; «построены схемы пггарковского расщепления уровней ^3/2 11 "^Ь/2 даоя'»е®ырех характерных типов центров. Установлены закономерности ¿изменения концентрации различных типов оптических центров в зависимости .од состава и условий синтеза кристаллов КНГГ.и КЛНГГ.

2. На основе экспериментов по исследованию поляризованной люминесценции ионов европия при селективном лазерном возбуждении построены модели оптических центров в ИАГ, КПТ, КНГГ и ,КЛЯГТ. Это позволяет прогнозировать спектроскопические свойства других(редкоземельных ионов в исследованных материалах.

3. Разупорядоченные кристаллы OTT-Nd3+ и КЛНГГ-Nd3'1", низкая температура синтеза которых (менее 1400*С) позволяет использовать более дешевую безиридиевую технологию, имеют лазерные энергетические параметры, превышающие параметры кристаллов ИАР-МсР+ в режиме свободной генерации при частотах повторения импульсов до 25 гц.

4. Обнаружен эффект увеличения мощности лазерного излучения и изменения спектров стимулированного излучения кристаллов KfflT-Nd^+ при введении дополнительных компенсаторов в виде ионов Lit

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Воронько а К., Гессен С. Б., Еськов Н.А, Осикэ Е В., Соболь А. А., Тимошечкин М. И., Ушаков С. К , Цымбал Л. И. Спектроскопические и генерационные свойства кальций-ниобий-галлиевого граната с Сг и Nd. // Квантовая электроника, т. 15, N2. 1988, с. 712-717.

2. Воронько КХ К., Еськов Н. А., Осико В. Е , Соболь А. А., Тимошечкин М. И., Ушаков С. Е , Цымбал JI И. Лазерная среда на основе легкоплав-

кого кальций-ниобий-галлиевого граната, активированного хромом и вводимом. //■. • Тез. докл. 8 Ыеждунар. конф. по когерентной и нелинейной оптике. Минск, 1988, Часть 4, с. 68-69. 3; Воронько 1й К., Гессен- С. В., Еськов Е А., Осико Е Е , Соболь А.А.. Ушаков С.Н., Цымбал Л.И. Высокоэффективные лазерные среды на основе КНГГ с Nd3+. И.: 1989 (Препринт «ИАН СССР N19). 13 с. 4» Асафьев а К . Еськов ft А., КочуриХин Е Е , Рябочкина IL А., Су-яаев Е Б., Ушаков С. № . Цымбал Л. И. Спектроскопические исследования монокристаллов КНГГ, активированных Mi.: 1989 (1£>епринт ФИАН СССР N81)'. 9.

5. Воронько Id К., Гессен С. Б., Еськов R А., Соболь А. А., Ушаков £ R . Цымбал Л. И. Эффективные лазерные среды на основе КНГГ с NcPi // Квантовая электроника, т. 17, N3, 1990, с. 307-310.

6. Воронько Ю. К., Гессен1 С. Е , Еськов Я А., Осико ЕЕ, Соболь А. А., УшакоВ' С. № , Цымбал Л. К. Новые эффективные лазерные среды на* основе КНГР ft Nd^f // fe& докл! в' конф. "Оптика лазеров". Ленинград^ 1990, с. 68.

7. Воронько Ml 1С, Гессен1 CI Е-Еськов Hi /Ь-, ОоббМ А. А., Ушаков С. Е , Рымбал Л1К Исследование оптических центров TR3* ионов в монокристалла*. ниобий-галлиевых гранатов-. // Тез. Докл 9' Всесоюзного Феофюовского симпозиума. Ленинград,, 1990, с". 218;-

8. Еськов Ш А , Еськов Н. А., Су лае в Е Б., Ушаков С. Н., Цымбал Л. И. Спектроскопические исследования кристаллов КНГР, активированных ионами Mi. //Тез; докл. 9 Всесоюзного Феофиловского симпозиума. Ленинград, 1990, с. 205.

9. Воронько Ю. К., Гессен С. R, Еськов Е А., Осйко Е ЕСоболь А. А., Ушаков С. Е Новые эффективные лазерные среди на основе КНГГ

3+

с Md' .• // Тез. докл. Всесоюз. конф "<Сизика и применение лазеров". Иэсква, 1990, с. 9.

'10. ¡Воронько Ю. К. , .Еськов IL А. , Ершова Л ft, Соболь А..А.., Ушаков С. Н. Поляризованная люминесценция данов Еи3+в кристаллах со структурой .граната // Оптика и спектроскопия, -т. 70, N5, (.1881, с. 1038-1044.

11. Боронько Ю. К., Еськов iH. А., Ериова Л. М., Соболь А. А., Ушаков С. Е Поляризованная люминесценция ионов Еи3+в кристаллах со структурой граната. М.: 1991 (Препринт ИОФАН СССР N108). 26 с.

с. 1038-1044.

12. ■ Воролько Ю. К., Гессен С. Б., Кудрявцев А. Б., Сободь А. А., Сорокин Б. В., Ушаков с. Н., Цимбал Л. И. Исследование структурной разу-порядоченности кристаллов со структурой граната спектроскопическими методами. М. , Наука, 1991 (Труди ИОФАН Т. 29). , с. 3-49.

13. Воронько Ю. К , Еськов RA. , Осико К;Е., :Соболь А. А. , Сычев С. Л., Ушаков С. И , Цымбал л. и. Исследовлшиэ генерационных свойств кристаллов КНГР к КЖТ содержащих неодим на дл!Шах волн 1.06 и 1.33 мкм. /7 Квантовая электроника, т. 20, N6, 1993, с. 574-576.

14. Basiev Т. Т., Es'kov N. А. , Karasik A. Ya , OsikoV. V. , Sobol A. A., Ushakov S. N. , Helbig M. Disordered garnets Ca3( Nb, Ga)g 0^ :Nd^+ - prospective crystals for powerful! ultrashort-pulse generation. // Optics letters, Vol.17, N3, 1992, pp. 201-2C3.

15. Basiev Т. T., Voron'ko Yu. K. , Es'kov N. A., Karasik A-Ya., Osiko V. V. , Sobol A. A., Ushakov S.N.'. Fedorov V. V, , Hejbig ML Calcium-Niobium-Gallium garnets with a new active medium for lasers with ultrashort pulse duration // Proceedings SPIE, Vol.1839, ¡991, pp. 91-103.