Спектроскопия возбужденных состояний ионов переходных металлов и редкоземельных элементов в кристаллических материалах для твердотельных лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

НАЦИфТДЛЬНА^'АКАДЕМИЯ НАУК БЕЛАРУСИ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ им. Б.И.СТЕПАНОВА

УДК 535.34; 535.37; 621.375.826

КУЛЕШОВ Николай Васильевич

СПЕКТРОСКОПИЯ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ИОНОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ

ЛАЗЕРОВ

01.04.05 - оптика 01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Минск - 1997

Работа выполнена в Международном лазерном центре при Белорусской государственной политехнической академии

Научный консультант - доктор физико-математических наук,

профессор Михайлов В.П.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Денкер Б.И.

доктор физико-математических наук, профессор Ермолаев В.Л.

доктор физико-математических наук, профессор Орлович В.А.

Оппонирующая организация - Институт молекулярной и атомной

физики 11АНБ

Защита состоится " 9 И 1998 года в часов на заседанш

совета по защите диссертаций Д 01. 05. 01 при Институте физики НАНБ (220072, г. Минск, пр. Ф. Скорины, 70).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики НАНБ.

Автореферат разослан ". _ 1997 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций

доктор физ. - маг. наук

Афанасьев А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Твердотельные лазеры на основе кристаллов с ионами переходных и редкоземельных элементов, известные уже более 30 лет, переживают мощный подъем в последние годы. Он обусловлен рядом причин, важнейшими из которых являются: 1) получение перестраиваемой по длине волны генерации на электронно-колебательных переходах ионов переходных металлов при комнатной температуре; 2) быстрый прогресс в технологии производства лазерных диодов, обеспечивший новые эффективные источники накачки и возможность создания полностью твердотельных (т.е. :остоящих только из твердотельных оптических элементов) лазеров; и 3) открытие ювых методов получения импульсов ультракороткой длительности (в первую эчередь - методов, основанных на использовании керровской нелинейности), благодаря интенсивному развитию физики твердотельных лазеров реальностью лгали компактные лазерные системы с мощностью излучения в сотни ватт, :пособные перестраивать длину волны излучения в широком спектральном штервале (диапазон перестройки некоторых активных сред достигает 400 нм), а акже системы, позволяющие генерировать импульсы длительностью несколько десятков фемтосекунд и более короткие. Одним из важнейших направлений (сследований, без которого указанные достижения были бы невозможными, вляется поиск и разработка новых лазерных материалов. Разработанные ранее, орошо известные и широко используемые лазерные кристаллы не всегда довлетворяют требованиям, предъявляемым при использовании новых ехнологий. Так, например, самые распространенные до последнего времени ристаллы иттрий-алюминиевого граната с неодимом оказались не самыми учшими материалами для лазеров с диодной накачкой и вытесняются ристаллами УУО^Ж и Ьа8сз(ВОз)4:Кс1. Очень быстро прогрессируют лазеры на снове содержащих иттербий кристаллов и стекол, способные конкурировать с еодимовыми лазерами по эффективности и мощности излучения и позволяющие, тому же, перестраивать длину волны излучения. Новые лазерные ионы гетракоординированные ионы Сг4+, Сг2+, Мп5+, и др.) генерируют излучение, ерестраиваемое в ИК диапазоне вплоть до 3 мкм, а на уже известных ионах Рг3+ олучена генерация в области 5-7 мкм, которая раньше считалась недоступной для зердотельных лазеров.

В кристаллах, содержащих тетракоординированные ионы помим

генерации в ближней ИК области сравнительно недавно было обнаружен эффективное насыщение поглощения, что позволяет использовать их в качесп твердотельных пассивных затворов для неодимовых лазеров. В связи с широки практическим применением лазеров с модулированной добротностью попе новых твердотельных лазерных затворов на основе кристаллов с ионами другими тетракоординированными ионами является чрезвычайно актуальным.

Ключевое место в поисках новых лазерных материалов и пассивнь затворов для твердотельных лазеров занимают исследования спектроскопичссм свойств примесных ионов в кристаллах. Одной из важнейших характеристи которая определяет возможность использования кристаллов как в качесп активных лазерных сред, так и пассивных затворов, и влияет на эффективность спектральный диапазон их работы, является поглощение из возбужденнь состояний. До последнего времени именно процессы, связанные с поглощением 1 возбужденных состояний, оставались наименее исследованными в спектроскоп! кристаллов с примесными центрами. Исследования спектроскопических свойств генерационных характеристик примесных ионов переходных и редкоземельнь элементов в кристаллах, в том числе поглощения из возбужденных состояний динамики возбужденных состояний, и составляют тематику даннс диссертационной работы.

Связь работы с научными программами, темами. Основная часть работ выполнена в рамках Межвузовской программы фундаментальных исследован! "Лазер" Министерства образования РЕ. Отдельные разделы работы выполнены рамках научно-исследовательских работ по заданиям 06.13 РНТП "Белоптика" 1.03 ГНТП "Лазер" Госкомитета по науке и технологиям РБ, а также по проекта) финансируемым Белорусским республиканским фондом фундаментальнь исследований.

Целью работы являлся поиск новых и совершенствование уже известнь лазерных материалов на основе кристаллов с тетракоординированными иона\ переходных металлов и ионами редкоземельных элементов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

определить основные процессы в возбужденных состояние тетракоординированных ионов Сг4+, V3"1 и Со2+ в кристаллах, влияющие на I

генерационные свойства и характеризующие возможность их применения в качестве пассивных затворов;

- исследовать поглощение из возбужденных состояний ионов Рг3+ в оксидных кристаллах;

- разработать твердотельные материалы для лазеров с селективной накачкой на основе кристаллов вольфраматов, легированных иттербием;

- изучить возможности и предложить схемы (механизмы) возбуждения генерации в области 1.5 мкм и ап-конверсионной генерации в видимой области ионов Ег3+ в кристаллах КУ(\У04): на основе исследования спектров поглощения из возбужденных состояний и стимулированного излучения.

Научная новизна полученных результатов.

1. Впервые исследованы и интерпретированы спектры поглощения из возбужденных состояний (ЛВС) и стимулированного излучения ионов Сг4+ в кристаллах силикатов в широком спектральном диапазоне от 200 до 2000 нм. Установлено, что ЛВС является источником потерь эффективности генерации в исследованных материалах. Обнаружено два типа излучающих центров в хромсодержащих кристаллах УгйЮз. Показано, что кристаллы форстерита и силиката иттрия, содержащие ионы Сг4+, характеризуются эффективным насыщением поглощения из основного состояния и могут использоваться в качестве пассивных затворов дня модуляции добротности твердотельных лазеров, излучающих в области 550-800 нм и около 1.06 мкм.

2. Обнаружено нестационарное поглощение тетракоординированных ионов У3+ в кристаллах УзАЬОп, которое принадлежит переходам из возбужденного состояния 'Е. Исследовано нелинейное пропускание тетракоординированных ионов У3+ в кристаллах УзАЬОц на длинах волн 1.06 и 0.82 мкм, и реализован режим модуляции добротности при использовании этих кристаллов в качестве пассивных затворов для ряда твердотельных лазеров, излучающих в области 0.741.34 мкм.

3. Впервые изучено поглощение из возбужденных состояний и стимулированное излучение тетракоординированных ионов Со2+ в кристаллах шпинелей. Показана перспективность использования кристаллов 7-пСа204'.Со2^ в качестве активных сред для получения генерации в области около 700 нм.

4. Показано, что наведенное поглощение, обусловленное нестационарным центрами окраски и поглощением из возбужденных состояний, препятствуй получению генерации в видимой области на ионах Рг3+ в ряде оксидны кристаллов.

5. Впервые реализована генерация лазерного излучения на ионах УЬ3+ кристаллах К_У(\\'04)2 и К0с1(ЛУ04)2 при лазерной и диодной накачка; Достигнутая в работе эффективность генерации при лазерной накачке 86' является, согласно нашим данным, наивысшей для лазеров на ионах УЪ3+.

6. Исследовано поглощение из возбужденных состояний ионов Ег3+ кристаллах КУ(\УО-|)2. Впервые реализована генерация на кристалле КУ(ЖЭ4)2:Ег, УЪ в области 1.5 мкм.

7. Получена генерация при диодной накачке на новом лазерном материале кристалле СаСс1А104:Кс1,+.

Практическая значимость полученных результатов.

1. Выработаны рекомендации по повышению эффективности генераш кристаллов М^ЗЮ^Сг4'1' при селективной накачке.

2. Предложены пассивные затворы на основе кристаллов М^Ю^Сг4 У2ЭЮ5:Сг4+ и УзАЬОпгУ3"1' для получения режима модуляции добротное] твердотельных лазеров, излучающих в видимой и ближней ИК области спектра.

3. Разработаны новые лазерные материалы на основе кристаллов КУ(\\Ю4 и К£гс1(\ТО4)2, легированных иттербием. Разрабатывается техническ; документация для промышленного выпуска данных материалов на заво, "Оптик", г. Лида.

Экономическая значимость результатов. После освоения серийного пр изводства кристаллов КУ(\\Ю4)2:УЬ и КСс1(\У04)2:УЬ предполагает изготавливать из них активные лазерные элементы для реализации на рын лазерных материалов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Поглощение из возбужденных состояний тетракоординированных ион! Сг4* характеризуется сильной поляризационной зависимостью и являет источником потерь на длине волны накачки 1.06 мкм и в полосе усиления кристаллах М^23Ю4:Сг4+, ограничивает спектральный диапазон перестройки

снижает эффективность генерации кристаллов Y2Si05:Cr4+ и препятствует получению генерации на кристаллах GcljSciGasOii:Cr"4+.

2. Кристаллы Mg2Si04:Cr4+, Y2Si05:Cr4+ и кристаллы Y3AI5O12, содержащие тетракоординированные ионы V3+, характеризуются эффективным насыщением поглощения из основного состояния в ближней ИК и видимой области и могут использоваться в качестве пассивных затворов для модуляции добротности твердотельных лазеров, излучающих в диапазоне длин волн от 550 до 1340 нм.

3. Оптические спектры поглощения и люминесценции кристаллов со структурой шпинели, легированных кобальтом, определяются занимающими гетраэдрические позиции ионами Со2+. Тетракоординированные ионы Сог+ в кристаллах цинк-галлиевой шпинели характеризуются интенсивной широкополосной люминесценцией из состояния 4Ti(4P) и отсутствием поглощения из возбужденного состояния в полосе усиления перехода 4Т|(4Р)->4А2.

4. Наведенное поглощение, обусловленное переходами из возбужденных достояний иона Рг3+ и нестационарными центрами окраски, препятствует получению генерации на кристаллах GchSiOs'.Pi3"1", Y2SiOs:Pr3* и La2Be20s:Pr3+ в видимой области спектра.

5. Эффективность генерации ионов Yb3+ в кристаллах KY(W04)2 и fCGd(W04)2 при селективной накачке достигает значений свыше 80%, благодаря ;очетанию высоких сечений генерационного перехода (3x10"20 см2 и 2.7х10~20 см2, »ответственно), приемлемой штарковской структуры уровней энергии и включительно малых тепловых потерь (< 5%).

6. Поглощение из возбужденного состояния j3/2 ионов Ег3+" в кристаллах CY(W04)2 не оказывает влияния на эффективность генерации в области 1.54 мкм, :оторая достигается при селективной накачке кристаллов в полосы поглощения юна-сеисибилизатора Yb3+.

Личный вклад соискателя. Содержание диссертации отражает личный клад автора в постановку задач, проведение исследований, анализ и [нтерпретацию их результатов. Проф. Михайловым В.П. была сформулирована >бщая тематика работы и проводилось обсуждение методов и результатов сследований. Минковым Б.И., Сандуленко В.А. и Клепцыным В.Ф.

предоставлялись образцы для исследований и обсуждались получеши результаты. Остальные соавторы принимали участие в постановке нехоторь методик исследований, проведении отдельных экспериментов и обсужден! результатов совместных работ.

Апробация результатов диссертации. Основные результат диссертационной работы докладывались и обсуждались на V Международнс конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (Иркутск, 1989), 6-ой, 7-ой 8-ой Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград, 1990, 1993, 199Í IX и X Феофиловских симпозиумах по спектроскопии кристалле активированных ионами редкоземельных и переходных металлов (Ленингра 1990, 1995), X Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирс 1990), VIII и IX Всесоюзных совещаниях-семинарах "Спектроскопия лазерш материалов" (Краснодар, 1991, 1993); Всесоюзной конференции i люминесценции (Москва, 1991); 7 и 8-ом Международных симпозиумах i сверхбыстрым процессам в спектроскопии (UPS) (Байройт, 1991; Вильнюс, 199: 8, 10, 11 и 12-ой Международной конференциях по твердотельным лазерг "Advanced Solid State Lasers" в США (Нью-Орлеан, 1993; Мемфис, 1995; Са Франциско, 1996; Орландо, 1997), Международных конференциях по лазерам электрооптике (Лос-Анджелес, CLEO-95, Балтимор, CLEO-97, Амсгерда CLEO/EQEC-Europe-94, Гамбург, CLEO/EQEC-Europe-1996), Международш конференции по люминесценции (Сторрс, CIIIA, ICL-1993; Прага, ICL-199* Международном симпозиуме по биомедицинской оптике (Лос-Анджелес, 1994); ой Европейской конференции по дефектам В диэлектрических материал, Eurodim-94 (Лион, 1994), Международной конференции по лазерам Laser-M: (Лион, 1994), Международном конгрессе "Laser-95" (Мюнхен, 199-Международной конференции "Твердотельные перестраиваемые лазеры" (Мине 1994; Вроцлав, 1996).

Опублнковапность результатов. Результаты диссертации опубликованы 46 научно-технических изданиях, включая 34 статьи в научных журналах, публикаций в сборниках материалов конференций, 1 авторское свидетельство.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, се) глав и заключения. Полный объем диссертации составляет 372 страницы, включ 135 рисунков, 35 таблиц и список литературы из 302 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава включает обзор работ по тематике исследований. В первом и втором разделах главы анализируются работы по изучению спектроскопических и генерационных характеристик тетракоординированных ионов переходных металлов Сг4+, Мп5+, Ее6+, и Сг2+ в кристаллах. В последующих трех разделах первой главы приводится обзор работ по спектроскопии стимулированного излучения кристаллов с ионами редкоземельных элементов Рг3+, У1>3+ и ЕгЗ+. Как для тетракоординированных ионов переходных металлов, так и для ионов редкоземельных элементов недостаточно изученными остаются вопросы, связанные с влиянием поглощения из возбужденных состояний примесных ионов на эффективность генерации новых и уже известных лазерных материалов, а также на возможность использования кристаллов с примесными ионами в качестве пассивных лазерных затворов.

Во второй главе описаны применявшаяся аппаратура и методы экспериментальных измерений для регистрации спектров оптического поглощения, люминесценции и возбуждения люминесценции, спектров наведенного поглощения при стационарном и импульсном возбуждении с микросекундным и пикосекундным временным разрешением, временных параметров флуоресценции, кривых просветления и времен релаксации возбужденных состояний оптически активных центров.

В третьей главе приводятся результаты исследований спектроскопических характеристик тетракоординированных ионов Сг4+ в кристаллах УгЭЮз,

Сс128Ю5 и СсЬБсаОазОи.

В первом разделе третьей главы исследовано поглощение из возбужденного состояния кристаллов ^^ЗЮ^.Сг^"1" в диапазоне 200 - 2000 нм. Спектры ЛВС регистрировались тремя независимыми методами: при стационарном возбуждении и зондировании (Т=300 и 10 К), при импульсном возбуждении и зондировании с микросекундным временным разрешением (300 К), а также при возбуждении и зондировании импульсами излучения пикосекундной длительности (300 К). Регистрировались разностные спектры поглощения возбужденного и невозбужденного образцов в поляризованном свете. В спектрах при комнатной температуре наблюдались полосы просветления с максимумами 570 нм (для поляризации Е||а, где а, Ь и с - кристаллографические оси), 650 нм

(Е||с), 740 нм (E||b) и около 1000 нм (Е||Ъ и Е||с), соответствующие насыщенга поглощения из основного состояния, сильные полосы УФ-поглощения диапазоне от 200 нм до 450 нм, полосы поглощения из возбужденного состояния видимой области около 700 нм (Е|[а) и в ИК области от 1100 нм до 2100 нм (Е||а Е||с). Для поляризации света Е||Ь наблюдалась полоса стимулированног излучения в области от 1100 нм до 1500 нм, за которой следовала широкая полос поглощения от 1550 нм до 2200 нм с максимумом около 1800 нм. Поляриэационна зависимость спектров поглощения из возбужденного состояния анализировалась модели понижения симметрии окружения иона Сг44" от тетраэдрической (Та) д зеркальной (Cs) через сильное тригональное искажение (Сзу). Полосы ПВС в И области от 1100 нм до 2200 нм и в видимой области около 700 нм (Е||а) отнесены приближении симметрии Cs к переходам между излучательным состояние и орбитальными компонентами состояний 3Т[а и ЗТ Ib. Пиковь значения сечения поглощения из возбужденного состояния стеза пр комнатной температуре составляют (1.5+0.5)х10~19 см2 на длине волны 1800 нм да

Е||Ь и (11.0±3.5)х10~19 см2 на длине волны 1650 нм для Е||с. Для Е||а сечеш поглощения из возбужденного состояния на длине волны 750 нм составляе (3.5+1.2)х10"19 см2. Сечения поглощения из возбужденного состояния для полос УФ области, наблюдаемых в спектрах ПВС с временным разрешением и связаны: вероятно, с переходами с переносом заряда от лигандов к ионам хром, составляют (12.0±4.0)х10'18 см2 на длине волны 270 нм (Е||а), (6.5+2.2)х10"18 c¡> (260 нм, Е||Ь) и (18.0±6.0)х1018 см2 (375 нм, Е||с). Разность сечени стимулированного излучения и поглощения из возбуждённого состояния ose-aeí

составляет (2.0±0.6)х10~19 см2 на длине волны 1200 нм для поляризации ЕЦ1 Полоса стимулированного излучения (для которой величина ose-aesa являете положительной) полностью перекрывает диапазон перестройки лазеров на ochoi кристаллов форстерита с хромом (1130-1375 нм) и свидетельствует о возможное! его расширения в длинноволновую сторону.

Исследована зависимость пропускания кристаллов Mg2SiC>4:Cr4+ i длинах волн 1.06 мкм и 694 нм от плотности энергии возбуждающего излучеш

неодимового и рубинового лазеров и определены сечения поглощения из основного (ögsa) и возбужденного (aesa ) состояний:

\=1064нм E||b — cjgsa=(6.0±l .5)х 10"19 см2 и aesa =(2.9±0.8)х1019 см2,

Е||с — OgSa=(4.5±l ,0)х 10"19 см2 и aesa =(1.8±0.5)хЮ-'9 см2,

Я,=694 нм E||b — agsa=(3.1±1.0)xl0-'8 см2 и desa =(0.65±0.2)xl0"18 см2.

Для кристаллов M^SiO^Cr4-*' предложено использовать в качестве накачки излучение с длиной волны около 980 нм с поляризацией Elle, что позволяет повысить эффективность генерации за счёт уменьшения потерь на поглощение из возбужденного состояния в канале возбуждения. Показана перспективность использования кристаллов Mg2Si04:Cr4+ в качестве пассивных затворов для твердотельных лазеров, излучающих в диапазоне длин волн 550-800 нм и около 1.06 мкм. С использованием таких затворов реализован режим модуляции добротности лазеров на основе кристаллов рубина (AtHMn=100 не, Еимп=240 мДж) и иттрий-ашоминиевого граната с неодимом (AtHMn=40 не, Еимп=10 мДж).

В разделе 3.2 исследованы спектроскопические характеристики кристаллов Y2SÍO5, легированных хромом, а таже со-активированных хромом и магнием. Обнаружено два типа излучающих в ИК области центров в исследованных материалах. Основные полосы поглощения около 600 нм, 740 нм, 1000 нм и широкополосная люминесценция с максимумом 1250 нм в кристаллах Y2Si05:Cr отнесены к ионам Сг4+, замещающим ионы Si4+ в искаженных тетраэдрических позициях. Полоса люминесценции с максимумом 1200 нм связана с оптически активными центрами другого типа, имеющими полосы поглощения 450 и 800 нм.

Исследовано насыщение поглощения кристаллов Y2Si05:Cr4+ на длине волны 694 нм и определены сечения поглощения из основного и возбужденного

10 о 1С 9

состояний: OgSa=(2.0±0.4)xl0 см' , CTesa =(0.60+0.15)х 10 см . С использованием

пассивных затворов на основе данных кристаллов реализован режим модуляции добротности рубинового лазера. Проведены измерения спектров наведенного поглощения в кристаллах Y2SiOs:CrnpH импульсном и стационарном возбуждении в диапазоне спектра от 220 нм до 2000 нм. Полосы поглощения из возбужденного состояния 1850 и 1300 нм в ИК области и 775, 725 и 600 нм в видимой области

спектра отнесены в приближении симметрии Cs к переходам из нижнего

возбужденного состояния 3А"0Тг) на орбитальные уровни расщепленнь; кристаллическим полем состояний 3Ти и 3Т1Ь, соответственно. Интенсивнс поглощение в УФ области от 230 нм до 390 нм связано, по-видимому, с переносо заряда. Температурное тушение люминесценции и сильное поглощение \ возбужденного состояния в полосе усиления являются основными источникам потерь, резко снижающих эффективность и ограничивающих спектральны диапазон генерации кристаллов Уг5Ю5:Сг4+.

В третьем разделе главы исследованы оптическое поглощение люминесценция тетракоординированных ионов Сг4+ в кристаллах Сс^ЭЮ^С Полосы поглощения в видимой области с максимумами 550 нм и 750 нм отнесен к переходу а полоса в ближней ИК области около 1000 нм -

переходу Зд^-^-^Зр). Возбуждённые состояния расщеплен низкосимметричным кристаллическим полем. Обнаружена широкополосге люминесценция ионов Сг^+ в ближней ИК области с максимумом полосы 1320 н и линейчатой структурой около 1200 нм при температурах ниже 50 I Люминесценция отнесена к переходам из состояния 3х2(3р), время жиз£ которого сокращается от 1.65 мкс при температуре 77 К до 20 не при 295 К. приближении линейного электрон-фононного взаимодействия рассчитана энерп фононов Ьу=280 см-', определяющих скорость безызлучательной релаксац* возбужденного состояния По измерениям насыщения поглощения

кристаллах определены сечения поглощения из основного

10 г%

возбужденного состояний на длине волны 694 нм: =(5.И1.5)х10 см асм=(1.4КХ^)х1(Г]Х см2.

Спектры наведенного поглощения ионов в кристалле Сс^БК

исследованы в диапазоне 500-900 нм при возбуждении в полосу поглощения ЗД2-3Т)(Зр) пикосекундными импульсами с длиной волны 540 нм. Обнаружена поло< поглощения из возбужденного состояния с максимумом вблизи 616 нм, которая приближении симметрии Сзу отнесена к переходам из нижнего возбужденно1 состояния 3Е(3Т2) на уровень состояния 3Т1 (3Р). Измерено врел

и

безызлучательной релаксации из возбужденного состояния в нижнее

возбужденное состояние 3e(3T2), которое составляет ~12 пс.

В разделе 3.4 исследовано поглощение из возбужденного состояния в кристаллах Gd3Sc2Ga30]2:Cr4+\ Обнаружены широкие интенсивные полосы поглощения в области 1150-1600 нм с максимумом около 1200 нм и 700-900 нм с максимумом около 750 нм, которые отнесены к переходам из нижнего возбужденного состояния 3Т2 в состояния 3Ti(3F) и 3Tj(3P) иона Сг4+. Сечение

поглощения из возбужденного состояния cicsa в максимумах указанных полос составляет (3.7± 1.4)х10"18 см2 и (6.1 ± 2.0)х10'18 см2, соответственно. Полоса поглощения из возбужденного состояния 3Т2 - 3Ti(3F) перекрывается с полосой люминесценции, что делает невозможным получение генерации на кристаллах Gd3Sc2Ga30i2:Cr4+ при комнатной температуре.

Четвертая глава посвящена спектроскопии возбужденных состояний

тетракоординированных ионов с электронной конфигурацией 3d^ в

кристаллах иттрий-алюминиевого граната (YAG). Данные ионы характеризуются широкими структурными полосами поглощения из основного состояния в области 1300, 820 и 605 нм и узким слабым пиком около 1140 нм. В спектрах ПВС с пикосекундным временным разрешением обнаружены короткоживущие полосы поглощения в области 850-890 нм и 650-770 нм с временем релаксации 130 пс. IIa основании данных по спектрам поглощения из основного и возбужденного состояний рассчитана структура уровней энергии тетракоординированного иона V3+ в приближении кубической (Td) и тетрагональной (D2d) локальной симметрии, и определены параметры кристаллического поля. Полосы IIBC с максимумами около 870 нм и 720 нм в приближении кубической симметрии отнесены к переходам из возбужденного состояния ^E('D) в состояние 'T]('G) и состояния соответственно. Измерено время релаксации

просветления в кристаллах YAG:V^+, которое составляет 37 не и характеризует время безызлучательной релаксации нижнего возбужденного состояния иона

уЗ+. По измерениям нелинейного пропускания кристаллами YAG:V3+ лазерных импульсов длительностью 10 не определены сечения поглощения из основного и возбужденного состояний на длинах волн 1064 и 820 нм:

1.06 мкм - а£5а = (1.8±0.6)х10"18 см2 и оС8а = (0.35±0.12)х10"18 см2 ,

820 им - стЁ5а = (5.1±1.5)х10"18 см2 и аеза = (0.9±0.3)х10'18 см2. Показана перспективность применения кристаллов иттрий-алюминиевоп граната, содержащего тетракоординированнные ионы в качеств

насыщающихся поглотителей в спектральных областях 770-850'нм и 1000-1400 нм При использовании кристаллов \'3+:УАО в качестве пассивных лазерны; затворов реализованы режимы модуляции добротности и синхронизации мод ряд; импульсно накачиваемых твердотельных лазеров. В режиме модуляцш добротности получены моноимпульсы излучения Иё-УАО лазера длительностью 30 не и энергией до 15 мДж (А.= Ю64 нм), а также лазеров н; сапфире с титаном (А1=300 не, Еимп=3 мДж, Я.=780 нм) и алюминате иттрия ■ празеодимом (Л1= 100 не, Еимп=3 мДж, >,=747 нм). Цуги импульсо] субнаносекундной длительности (0.3-0.8 не) с энергией в отдельном пичке от 0.: до 1 мДж реализованы для лазеров на кристаллах №-КСс1(\У04)2 (Х=1067 нм) Ш-УАЮз (1340 нм) и "П-АкОз (780 нм).

В пятой главе приводятся результаты исследования спектроскопичесвд характеристик октакоординированных ионов №2+ и Сг3+ и тетр; координированных ионов Со2+ в кристаллах, имеющих структуру шпинели.

Показано, что оптическое поглощение и люминесценция кристаллет М£,А1204:№ в видимой и ближней ИК областях спектра определяются ионам! двухвалентного никеля в октаэдрическом окружении. Широкие интенсивны! полосы поглощения с максимумами 970, 595 и 365 нм, а также слабые полосы I областях 770 и 430 нм определяются переходами из основного состояния 3А2 ион; №2+ в вышележащие состояния 3Т2(3Р), 3Т1(3Р), 3Т1(3Р) и |Е(10), 'ТгС'О) соответственно. Люминесценция кристалла MgAl204:Ni, характеризующая« широкой полосой в диапазоне спектра 1080 - 1480 нм с максимумом 1180 нм обусловлена переходами с первого возбужденного уровня 3Т2(3Р) иона I

основное состояние. Проведены расчеты структуры уровней энергии ионов N¡2+ 1 приближении октаэдрической симметрии и определены параметрь кристаллического поля Вя=1040 см"1, В=865 см"1 и С=3254 см"1. Люминесценцш испытывает температурное тушение с соответствующим сокращением времеш

затухания от 1.5 мс при Т=77 К до 0.4 мс при 295 К. В спектре наведенного поглощения обнаружены полосы с максимумами 1700, 740 и 530 им, связанные с переходами из метастабильного состояния 3T2(3F) в состояния 3T](3F), 'T2('D) и 3Ti(3P), соответственно. Сильное поглощение из возбужденного состояния 3T2(3F) - 3Ti(3F) в ближней ИК-области, поперечное сечение которого превышает сечение стимулированного излучения во всей полосе люминесценции,

2-f

препятствует использованию кристалла MgAl204:Ni в качестве активной лазерной среды при комнатной температуре.

Исследованы оптическое поглощение и люминесценция кристаллов магний-алюминиевой, литий-галлиевой и цинк-галлиевой шпинелей, активированных

кобальтом. Поглощение в области 20500, 17000 и 6500 см ' и широкие полосы люминесценции в области 680, 900 и 1200 нм отнесены к тетракоординированным

ионам Со^+. Получено хорошее соответствие рассчитанной на основе теории

„ 2+

кристаллического поля схемы уровней энергии иона Со и спектров поглощения,

и определены параметры кристаллического поля Dq=378-411 см"', В=730-746 см"'

и С=3500-3650 см"'. Люминесценция, время жизни которой при комнатной

температуре составляет от 0.2 мкс до 1.2 мкс в разных матрицах, отнесена к

4 4 4 4 4 4

переходам из возбужденного состояния Р) в состояния F), F) и

4 4

Т|( F), соответственно. В спектрах наведенного поглощения кристаллов ZnGa204:Co2+ обнаружена полоса поглощения из возбужденного состояния

4 4 4 4

Tj( Р) в области 300-500 нм и полоса стимулированного излучения Р) -

4 4

F) в области около 670 нм. Широкая интенсивная полоса поглощения в

видимой области, высокий квантовый выход люминесценции (0.4±0.15) из 4 4

состояния Р), отсутствие поглощения из возбужденного состояния в полосе

усиления и большое сечение стимулированного излучения crse = (4±1.6)х10'19 см2 свидетельствуют о возможности получения генерации на тетракоординированных ионах Со2+ в кристаллах ZnGajC^ в видимой области при комнатной температуре.

Проведены исследования спектроскопических характеристик хромсодержащих кристаллов литий-галлиевой шпинели. На основании экспериментальных результатов установлено, что оптическое поглощение и люминесценция кристаллов обусловлены ионами Сг3+, занимающими в кристалл« октаэдрические позиции с локальной симметрией близкой к Сзу. Соактивацш кристаллов ионами хрома и магния и последующая термическая обработка i окислительной атмосфере при температурах до 1400 С и давлениях до 4 атм. ш изменяют валентного состояния ионов хрома и спектроскопических характеристт кристаллов. Рассчитана структура энергетических уровней ионов Сг3+ методам» теории кристаллического поля и получено соответсвие с экспериментом upi значениях параметров Dq=1722 см"1, В=706 см"1, С=2959 см"1, v= 622 см"1 i V1 =573 смВ стационарных спектрах наведенного поглощения кристаллов npi комнатной температуре обнаружено сильное поглощение в области 400-700 нм которое отнесено к переходам из метастабильного возбужденного состояния 2Е н; дублетные (по спиновому квантовому числу) уровни, расположенные в обласп 30000-36500 см-1. Широкополосное поглощение из метастабильноп возбужденного состояния 2Е, перекрывающееся с полосами поглощения и: основного состояния и характеризующееся более высокими поперечным! сечениями поглощения, является источником сильных потерь в канале накачки, i связи с чем получение генерации на ионах Сг3+ в кристаллах LiGa50g пр] комнатной температуре представляется маловероятным.

В шестой главе исследованы оптическое поглощение, люминесценция i наведенное поглощение с временным разрешением в кристаллах Gd2Si05, Y2SiOf

La2Be2C>5 и KGd(WC>4)2, легированных ионами Рг3+. Проведено отнесение лини] в спектрах поглощения и люминесценции к оптическим переходам межд мультиплетами иона Рг3+ и определена их штарковская структура. Определен! сечения стимулированного излучения на наиболее интенсивных переходах и состояния 3Ро в видимой области спектра в кристаллах Gc^SiOs, Y2S1O5

La2Be205- Аномально низкая интенсивность люминесценции с уровня 3Р0 кристаллах KGd(W04)2 определяется преобладающим вкладом безызлучательно релаксации в дезактивацию этого возбужденного состояния.

Во всех исследованных кристаллах обнаружено сильное нестационарное поглощение в УФ и видимой области спектра от 300 им до 500-800 им, индуцированное излучением накачки. Исследования динамики наведенного поглощения позволяют заключить, что оно связано с поглощении из возбужденных состояний 3Ро (в кристаллах Ос^БЮз, У23Ю5 и Ьа2Вв205) и 1Т>2 (Ъа2Ве205 и КСс1(\\Ю4)2) иона Рг3+. Спектры ПВС в исследованных кристаллах сходны (Рис. 1), а сечения поглощения из возбужденного состояния более чем на порядок превосходят сечения поглощения из основного состояния. Это позволяет предполагать, что ПВС имеет одинаковую природу и относится к межконфигурационным 4(2 - 4Г5(1 переходам иона Рг3+. В кристаллах У2$Ю5 и Ьа2Ве205 кроме поглощения из возбужденных состояний обнаружено поглощение нестационарных центров окраски. В спектрах наведенного поглощения кристалла вс^Юз обнаружены линии стимулированного излучения

на переходе 3Ро -3Р2 иона Рг3+ в области 660 нм.

Сильное наведенное поглощение, обусловленное нестационарными центрами окраски в кристаллах У28Ю5 и Ьа2Ве2С>5 и поглощением из возбужденных состояний в кристаллах Ос123Ю5, У2ЙЮ5 и Ьа2Ве205 препятствуют получению генерации на ионах Рг3+ в исследованных кристаллах в видимой области спектра.

В седьмой главе приводятся результаты изучения спектроскопических и генерационных характеристик редкоземельных ионов УЪ3+ и Ег3+ в кристаллах вольфраматов, а также ионов в кристаллах СаСёАЮц.

Свойства ионов УЬ^+ впервые исследованы в двух новых кристаллических матрицах - КУ(\УС>4)2 и КХ}с1(\У04)2. На основании анализа спектров поглощения и .люминесценции определена штарковская структура мультиплетов ^7/2 и ^5/2 иона УЪ3+ и сечение стимулированного излучения на длинах волн 1025 нм в кристалле КУ(Ж)4)2 и 1023 нм в кристалле КХЗ<1(\У04)2,

которое составляет Зх10~20 см2 и 2.7x10"20 см^, соответственно. Лазерная генерация на исследованных кристаллах при комнатной температуре получена при накачке излучением непрерывного и импульсного лазеров на сапфире с титаном, а также при накачке непрерывным излучением лазерных диодов на основе ТпСаАв. Достигнута выходная мощность излучения 0.5 V/ и дифференциальная

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.0

-0.2

0.5

сО 0.4

Я

о 0.3

'о 0.2

0.1

о"

■ 0.0

г О, -0.1

1.2

с"

И 0.9

0.6

0.3

0.0

200 300 400 500 600 700 800 900 Длина волны [им]

Рис. 1. Спектры ПВС ионов в кристаллах Ос^С^, У 28105 и Ьа2Ве205-

эффективность генерации 78% при непрерывной накачке и свыше 86% пр импульсной накачке лазерным излучением с длиной волны 981 нм (Табл. 1 Благодаря интенсивному поглощению на длине волны накачки (коэффициег поглощения до 40 см"' в исследованных образцах), исключительно малы

тепловым потерям (-4.3%) и большому сечению стимулированного излучения, кристаллы KY(W04>2 и KGd(W04)2, легированные Yb3+, являются перспективными материалами для создания мини-лазеров (microchip lasers) с перестройкой длины волны излучения в диапазоне 1020-1050 нм.

Таблица 1.

Результаты лазерных экспериментов на кристаллах вольфраматов с ионами УЬ3+.

Кристалл Длина Порог генерации Длина волны Дифф. Пропускание кристалла непрер. (мВт) излучения эффектен. вых. зеркала _(мм) импульс». (мДж)_(мкм)_(%)_(%)

Непрер. лазерная накачка (981 нм)

№*:KY(W04)2 1.0 70 1.025 78 6.3

W:K.Gd(W04)2 1.0 35 1.023 72 3.4

Диодная накачка (965 нм)

W:KY(W04)2 5.0 450 1.02 10 3

Импульс, накачка (981 нм)

Yb'nKY(WO„)2 0.5 0.64 1.025 70.6 4.5

Yb3+:KY(WO<i)2 0.5 0.77 1.025 82.7 8.5

Yb":KY(W04)2 0.5 0.82 1.025 86.8 13.2

Yb3*:KGd(W04)2 0.5 0.46 1.023 65.7 4.5

Yh^:KGd(W04)2 0.5 0.63 1.023 83 8.5

Во втором разделе 7-ой главы исследованы динамика люминесценции и поглощение из возбужденных состояний ионов Ег3+ в кристаллах КУ(\УС>4)2, а также перенос энергии в кристаллах УЬ,Ег:КУ(\\'04)2 С целью оценки перспектив использования данных материалов в качестве активных сред полуторамикронных лазеров и ап-конверсионных лазеров видимого диапазона. Концентрация эрбия в кристаллах варьировалась от 0.5 до 100 ат. %. Экспериментальные данные по спектрам поглощения из основного состояния анализировались на основе теории

Джадда-Офельта. Рассчитаны параметры интенсивностей оптических переходо! для ионов Ег3+: П2=7-08х10"20 ст2. ^4=2.3x10-20 сга2> П6=1.01х10'20 ст2 ( определены радиационные времена жизни возбужденных состояний, квантовьп выход и коэффициенты ветвления люминесценции, сечение стимулированногс излучения для переходов в области 550, 1540 и 2730 нм. Исследовано поглощен» из возбужденных состояний ионов Ег3+ в кристаллах KY(WQ4)2 ПР' непрерывном возбуждении в диапазоне спектра 500-1800 нм. Полосы ПВС i области 1700, 850, 805, 717, 645, 560 и 510 нм отнесены к переходам и: метастабильного состояния 13/2 в состояния ^Ig/2, ^3/2, ^Hj \¡i, ^7/2, ^3/2 О ^5/2), 2Н9/2, и 4G| }/2, соответственно. Определены сечения поглощения да переходов в области 560, 805 и 1700 нм. Полоса поглощения ^Ii3/2->^l9/: расположена в области 1650-1725 нм и не оказывает влияния на эффективного генерации на переходе 13/2-^115/2 около 1.5 мкм. Из сопоставления спектро: стимулированного излучения, поглощения из основного и возбужденное состояний около 550 нм установлены наиболее перспективные лазерные лини перехода ^S3/2-Hli5/2 : 553 нм (Е||а) и 544.5 нм (Е||а и Е||Ь). Полоса поглощения и основного состояния около 805 нм, перекрывающаяся с полосой ПВС переход 1 з/2—11/2. может быть использована для возбуждения ап-конверсионны излучательных переходов из состояния ^3/2.

Обнаружен эффективный перенос энергии от ионов Yb3+ к ионам Ег3+ кристаллах-КY(WÜ4)2, соактивированных Yb и Ег. Впервые получена генераци

на ионах Ег3+ в области 1.54 мкм на кристаллах Yb(5%),Er(0.5%):KY(W04)2 пр лазерной и диодной накачках в полосы поглощения ионов Yb3+. Низка эффективность генерации (около 1%) связывается, предположительно, с аг конверсионными потерями.

В разделе 7.3 исследованы спектроскопические и генерационны характеристики нового материала для твердотельных лазеров с диодной накачко - кристалла CaGdA104--Nd3+. Определена структура штарковского расщеплени мультиплетов ^Рщ и 4I]j/2- Сечение стимулированого излучения кристалла н длине волны 1078 нм составляет l.lxlO"1^ см2, время жизни состояния 4F3/2 -14

мкс. В лазерных экспериментах в качестве источника накачки использовался ОаАЬАв-диод мощностью 3 Вт, излучающий на длине волны 806.5 нм. Дифференциальная эффективность генерации на длине волны 1078 нм составила 37% при использовании выходного зеркала с пропусканием 5%. Выходная мощность лазерного излучения достигала 360 мВт при поглощенной мощности накачки 1.29 Вт.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Впервые исследовано поглощение из возбужденных состояний тетракоординированных ионов Сг4+ в кристаллах М^ЗЮф У25Ю5, Сс^Юд и

Сс^Эс^СазО^. Полосы ПВС в ИК и видимой областях спектра отнесены к переходам между излучательным уровнем состояния 3Тз и орбитальными компонентами состояний 3Т|а и З'Гц,, расщепленных низкосимметричным кристаллическим полем. Оценены сечения поглощения из возбужденного состояния в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях. Поляризационная зависимость спектров ПВС в кристаллах Мз25Ю4:Сг4+ удовлетворительно описывается в модели понижения симметрии окружения иона Сг4+ от тетраэдрической (Та) до зеркальной (Се) через сильное тригоналыюе искажение (Сз\). Оценены потери эффективности генерации, связанные с поглощением из возбужденного состояния в полосах усиления и накачки кристаллов М§25Ю4:Сг4+, и сделаны рекомендации по оптимизации параметров излучения накачки. Поглощение из возбужденного состояния в полосе люминесценции (переход 3Тг—>3Т1а в приближении симметрии Т^) является источником потерь, снижающих эффективность и ограничивающих спектральный диапазон перестройки генерации ионов Сг4+ в кристаллах Уг8Ю5 и препятствующих получению генерации на ионах Сг41" в кристаллах СсЬЭсгОазО^.

Исследовано насыщение поглощения из основного состояния в кристаллах силикатов с ионами СИ4". С использованием хромсодержащих кристаллов форстерита и силиката иттрия реализован режим модуляции добротности лазеров на основе кристаллов рубина и иттрий-алюминиевого граната с неодимом.

2. Изучены нелинейное пропускание и поглощение из возбужденные

состояний тетракоординированных ионов V3+ с электронной конфигурацией 3d' в кристаллах иттрий-алюминиевого граната. Обнаружены короткоживущш полосы наведенного поглощения в области 850-890 нм и 650-770 нм, которые i приближении кубической симметрии отнесены к переходам из возбужденногс состояния 'EfiD) в состояния 'Tj^G) и 'E(]G), 1T2(1G), соответственно. Вреш жизни возбужденного состояния 'E(lD) оценено в 130 пс. Измерено вреш релаксации просветленного состояния в кристалле YAG:V3+ на длине волны 1.08 мкм, которое составляет около 37 не и определяется временем жизни нижнегс возбужденного состояния 3Тi иона V3+ в тетраэдрической позиции. Рассчитан* структура уровней энергии иона V3+ с учетом тетрагонального искажения (D2<i локальной симметрии тетраэдра. Показана перспективность применение кристаллов содержащих тетракоординированнные ионы V3+, I

качестве просветляющихся фильтров в спектральных областях 770-850 нм и 10001400 нм, и с их использованием реализованы режим модуляции добротности к режим генерации субнаносекундных импульсов твердотельных лазеров с ламповой накачкой на кристаллах Y3Al50i2:Nd3+ (длина волны генерации 1.06' мкм), KGd(W04)2:Nd3+ (1.067 мкм), YA103:Nd3+ (1.34 мкм)> УАЮ3:Рг3+ (0.74^ мкм) и А120з:Тл3+ (0.780 мкм).

3. Исследованы спектральные характеристики и поглощение из возбужденных состояний ионов Niz+, Со2+ и Сг3+ в кристаллах шпинелей. В спектре наведенного поглощения кристаллов MgAl204:Ni обнаружены полосы с максимумами 1700 нм, 740 нм и 530 нм, связанные с переходами из возбужденного метастабильного состояния 3T2(3F) октакоординированного иона Nii+ в

состояния 3Ti(3F), 1T2(1D) и 3Ti(3P), соответственно, и определены их поперечные сечения. Широкая сильная полоса поглощения из возбужденного состояния

3T2(3F) - 3Tj(3F), перекрывающаяся с полосой люминесценции в ИК области, препятствует использованию кристалла MgAl204:Ni2+ в качестве активной лазерной среды.

Незначительное температурное тушение люминесценции из состояния

Т|( Р), отсутствие поглощения из возбужденного состояния в полосе усиления и

ольшое сечение стимулированного излучения свидетельствуют о возможности олучения генерации на тетракоординированных ионах Со2+ в кристаллах '.пОагОА в видимой области спектра при комнатной температуре.

Установлено, что оптическое поглощение и люминесценция кристаллов лСа50£'.Сг обусловлены ионами Сг3+, занимающими октаэдрические позиции с окальной симметрией, близкой к Сзу. Широкополосное поглощение из гетастабилыюго возбужденного состояния 2Е, перекрывающееся с полосами оглощения из основного состояния и характеризующееся более высокими оперечными сечениями поглощения, является источником сильных потерь в анале накачки, в связи с чем получение генерации на ионах Сг3+ в кристаллах д0а50у при комнатной температуре представляется маловероятным.

4. Исследованы оптическое поглощение, люминесценция и наведенное оглощение с временным разрешением в кристаллах Ос123Ю5, ¥28105, Ьа2Ве205

Квс1(ЛУ04)2, легированных ионами Рг3+. Во всех исследованных кристаллах первые обнаружено сильное нестационарное поглощение в УФ и видимой бласти спектра от 300 им до 500-800 нм, которое связано с поглощении из озбужденных состояний 3Ро (в кристаллах Ос128Ю5, УоЭЮд и 1.а2Ве205) и 'Бг ( в ристаллах Ьа2Ве205 и КОс1(\\Ю4)2) иона Рг3+. В кристаллах У2ЭЮ5 и Ьа2Ве205, роме того, обнаружено поглощение нестационарных центров окраски. Сильное введенное поглощение, обусловленное переходами из возбужденных состояний и естационарными центрами окраски, препятствует получению генерации на ионах 'г3+ в кристаллах Ой23Ю5, У2ЙЮ5 и е2С*5 в видимой области спектра.

5. Исследованы спектроскопические свойства и генерационные арактеристики новых лазерных материалов на основе кристаллов калий-едкоземельных вольфраматов, легированных иттербием. Впервые получена енерация лазерного излучения в кристаллах УЬ3+:КУ(\У04)2 и УЬ3+:КС<3(\¥04)2 ри комнатной температуре при лазерной и диодной накачках. Достигнута ифференциальная эффективность генерации по поглощенной энергии до 78% при

непрерывной и 86.8% при импульсной накачке излучением лазера на сапфире титаном.

6. На основе исследования динамики люминесценции из различны возбужденных состояний ионов Ег^"1" в кристалле KY(W04)2 и расчете вероятностей переходов с использованием теории Джадда-Офельта определен спектроскопические характеристики оптических переходов с уровней ^I]3/2, 1, и 4S3/2- Изучены спектры поглощения из возбужденных состояний пр стационарном возбуждении кристаллов KY(W04)2:Er^+ в диапазоне от 500 нм л

1800 нм. Обнаружен эффективный перенос энергии от ионов Yb^+ к ионам Ег^+ кристаллах KY(W04)2. Впервые получена генерация лазерного излучения

области 1.54 мкм на кристаллах KY(W04)2, соактивированных ионами Ег^+

Yb^"1", при накачке излучением лазера на сапфире с титаном и при диоднс накачке.

7. Исследован новый материал для твердотельных лазеров с диоднс накачкой - кристалл CaGdA104:Nd3+ и получена генерации на длине волны 10' нм с эффективностью 37% и выходной мощностью лазерного излучения 360 м! при поглощенной мощности накачки 1.29 Вт.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Демчук М.И., Кулешов Н.В., Михайлов В.П., Митьковец A.V. Прокошин П.В., Сандуленко В.А., Шкадаревич А.П., Юмашев К.В. Кинетическ; спектроскопия фототропных центров в кристаллах гранатов // Жури, прик спектр.- 1989. -Т. 51, № 2. - С. 337-340.

2. Dubrovina Е.Р., Sandulenko V.A., Demchuk M.I., KuleshovN.V., Mikhail( V.P. The Optical Spectroscopy of Ni-Doped Garnets И Chem. Phys. Lett. - 1990. - ' 170, No 5-6. - P. 473-477.

3. Демчук М.И., Дубровина Э.П., Кулешов H.B., Михайлов В.Г

7

Сандуленко В.А. Спектры поглощения 3d ионов в кристаллах гранатов Н Жур прикл. спектр. - 1990. - Т. 53, № 5. - С. 771-774.

4. Ермалицкий Ф.А. Кулешов Н.В., Шевцов В.А. Характеристики лампы ДКсЭл-120 в частотном наносекундном режиме работы // Журн. прикл. спектр. -

1990. - Т. 52, N 4. - С. 693 - 697.

5. Демчук М.И., Дубровина Э.П., Кулешов Н.В., Михайлов В.П., Сандуленко В.А. Спектроскопия кристаллов редкоземельных гранатов, активированных никелем // Опт. и спектр. - 1990. - Т. 69, N 5. - С. 1059- 1063.

6. Демчук М.И., Калоша В.П., Кулешов Н.В., Михайлов В.П., Сандуленко В.А. Излучателъные и безызлучательные переходы из верхнего возбужденного

1 2+

состояния Т2 иона № в кристаллах редкоземельных гранатов // Опт. и спектр. -

1991. - Т. 70, Вып. 4. - С. 811-813.

7. А.с. 1797438 СССР. МКИ Н 01 S 3/11. Пассивный лазерный затвор./ Н.В. Кулешов, Н.И. Жаворонков, Б.И. Минков. К.В. Юмашев, П.В. Прокошин, В.П. Михайлов (СССР). - N 4922056/25; Заявлено 28.02.91.; Опубл.8.10.92. - Зс.

8. Mikhailov V.P., Kuleshov N.V. Picosecond spectroscopy of excited states in transition-metal-ion doped new laser materials // OSA Proceedings on Advanced SolidState Lasers. A.A. Pinto and T.Y. Fan, eds. - Washington: OSA, 1993. - V. 15. - P 320 -324.

9. Kuleshov N.V., Mikhailov Y.P., Shcherbitsky V.G., Prokoshin P.V., Yumashev K.Y. Absorption and luminescence of tetrahedral Со^+ ion in MgAl204 // J. Lumin. -1993. - V. 2. - P. 265 - 269.

10. Demchuk M.I., Mikhailov V.P., Zhavoronkov N.I., Kuleshov N.V., Prokoshin P.V., Yumashev K.V., Livshits M.G., Minkov B.I. Chromium-doped forsterite as a solid-state saturable absorber // Optics Letters. - 1993. - V. 17, No 13. - P. 929-930.

11. Mikhailov V.P., Kuleshov N.V., Sandulenko V.A., Zhavoronkov N.I., Prokoshin P.V., Yumashev K..Y. Optical absorption and nonlinear transmission of tetrahedral V3+(d2) in yttrium aluminum garnet // Optical Materials. - 1993. -V. 2, No 4.- P. 267-272.

12. Mikhailov V.P., Prokoshin P.V., Zhavoronkov N.I., Kuleshov N.V., Sandulenko V.A., Yumashev K.V. Mode-Locking of Near Infrared Lasers with V3+:YAG Crystal as a Saturable Absorber II OSA Proceedings on Advanced Solid State Lasers. A.A. Pinto and T.Y. Fan, eds. - Washington: OSA, 1993. - V. 15. - P, 354358.

13. Mikhailov V.P., Kulcshov N.V. Picosecond spectroscopy of transition-metal-ion-doped solid state laser materials // Journal de Physique. - 1994. - V. 4, No. 4.- P. C4-S94.

14. Mikhailov V.P., Kuleshov N.V., Zhavoronkov N.I., Sandulenko У.А Yumashev K.V., Prokoshin P.V. V3+:YAG as saturable absorber for near infrare lasers II Journal de Physique. - 1994. - V. 4, No. 4. - P. C4-606.

15. Mikhailov V.P., Kuleshov N.Y., Shcherbitsky V.G., Minkov B.I Zhavoronkov N.L, Avtukh A.S., Glynn T.G., Sherlock R. Cr4+-doped silicates spectroscopy and laser applications. // Journal de Physique. - 1994. - V. 4, No. 4. - I C4-607.

16. Mikhailov V.P., Kuleshov N.V., Shcherbitsky V.G., Glynn T.G., Sherlocl Growth and characterization of Co-doped spinels of laser interest // Journal de Physiqi 1994.-V. 4, No. 4. - P. C4-612.

17. Demchuk M.I., Mikhailov V.P., Kuleshov N.V. Saturable Absorbers Based on Impurity and Defect Centers in Crystals // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 1994. - V. 30, No. 9. - P. 2120-2126.

18. Кулешов H.B., Михайлов В.П., Щербицкий В.Г., Сандуленко В.А Глинн Т.Г. Спектры поглощения и люминесценции кристаллов Y2SK> соактивированных Сг и Mg // Опт. и спектр. -1994. - Т. 77, N 2. - С. 250 - 253.

19. Kuleshov N.V., Mikhailov V.P., Scherbitsky V.G. Co-doped spinel promising materials for solid-state lasers // Proceedings of SPIE. - 1994. - V. 2371. - 1 275-279.

20. Кулешов H.B., Михайлов В.П., Радкевич С.А., Бойков В.Н., Умрейк Д.С., Минков Б.И. Спектрально-люминесцентные и абсорбционнь: характеристики иона Рг3+ в кристалле Y2S1O5 И Опт. и спектр. - 1994. - Т. 77, N . - С. 244 - 249.

21. Кулешов Н.В., Михайлов В.П., Радкевич С.А., Бойков В.Н., Умрейк Д.С., Минков Б.И. Люминесценция и поглощение иона Рг3+ в кристалле Gd2SiC // Опт. и спектр. - 1994. - Т. 77, № 4. - С. 608-612.

22. Mikhailov V.P., Zhavoronkov N.I., Kuleshov N.V., Avtukh A.S., Shcherbitsky V.G. Minkov B.I. Saturation of visible absorption in chromium doped silicates // Opt. and Quantum. Electron. - 1995. - V. 27. - P. 767-776.

23. Mikhailov V.P., Kuleshov N.V., Zhavoronkov N.I., Yumashev K.V., Prokoshin P.V., Shcherbitsky V.G. Solid-State Passive Q-Switches and Mode-Lockers Based on d^-Ion Doped Crystals for Near Infrared and Visible Lasers // OSA Proceedings on Advanced Solid State Lasers. - Washington: Optical Society of America, 1995. - V. 24. - P. 449-453.

24. Kuleshov N.V., Mikhailov V.P., Shcherbitsky V.G., Sandulenko Y.A., Glynn T.J. Two types of Emitting Centers in Cr-Doped Y2S1O5 Laser Crystal // OSA Proceedings on Advanced Solid State Lasers. - Washington: Optical Society of America, 1995.-V. 24.-P. 491-495.

25. Mikhailov V.P., Kuleshov N.V., Shcherbitsky V.G., Minkov B.I, Boikov V.N., Umreiko D.S. New Pr3+-Doped Materials for Solid State Lasers // OSA Proceedings on Advanced Solid State Lasers. - Washington: Optical Society of America, 1995.-V. 24.-P. 496-497.

26. Mikhailov V.P., Zhavoronkov N.I., Kuleshov N.V., Avtukh A.S., Shcherbitsky V.G., Minkov B.I. Nonlinear transmission in Cr4+-doped silicates // Radiation Effects and Defects in Solids - 1995. - V. 135. - P. 231-236.

27. Бойков B.H., Кулешов H.B., Минков Б.И., Михайлов В.П., Умрейко

3+

Д.С. Спектры и структура уровней энергии Рг в кристаллах ортосиликатов иттрия и гадолиния // Журн. прикл. спектр. - 1995. - Т. 62, № 6. - С. 123-129.

28. Жаворонков Н.И., Михайлов В.П., Кулешов Н.В., Минков Б.И., Автух

4+

A.С. Насыщение поглощения кристаллов силикатов, активированных Сг , и эффективные лазерные затворы на их основе // Квант, электр. - 1995. - Т. 22, № 1. -С. 37-40.

29. Юмашев К.В., Кулешов Н.В., Михайлов В.П., Щербицкий В.Г., Прокошин П.В., Жмако С.П., Минков Б.И. Нелинейное поглощение кристалла

4+

Gd2Si05'.Cr при пикосекундном возбуждении II Квант, электр. - 1995. - Т. 22, № 7. - С. 656-660.

30. Mikhailov V.P., Kuleshov N.V., Minkov B.I., Glynn T.G., Sherlock R. Luminescence study of Cr^+-doped silicates // Optical materials. - 1995. -V. 4. - P. 507513.

31. Щербицкий В.Г., Кулешов Н.В., Михайлов В.П., Демчук М.И., Клепцын

B.Ф. Спектроскопия монокристаллов галлиевых шпинелей, легированных

кобальтом, как потенциальных лазерных материалов II Опт. и спектр. - 1995. - 1 79, Да 3. - С. 465-470.

32. Mikhailov V.P., Yumashev K.V., Kuleshov N.V., Malyarevich A.f Prokoshin P.V., Posnov N.N. Ultrafast Dynamics of Excited-State Absorption V3+:YAG // OSA Trends in Optics and Photonics on Advanced Solid State Lasers, S. Payne and C.R Pollock, eds. - Washington: Optical Society of America, 1996 - V. 1. -591-594.

33. Kuleshov N.V., Shcherbitsky V.G., Mikhailov У.Р., Hartung S., Kuck S Peterman K. Huber G. Excited-state Absorption Measurements in Cr4"1" Dope Mg2Si04 and YiSiOs Laser Materials // OSA Trends in Optics and Photonics с Advanced Solid State Lasers, S.A. Payne and C.R Pollock, eds. - Washington: Optic; Society of America, 1996 - V. 1. - P. 85-89.

34. Юмашев K.B., Кулешов H.B., Маляревич A.M., Прокошин П.В Щербицкий В.Г., Поснов Н.Н., Михайлов В.П., Сандуленко В.А. Поглощение i возбужденного состояния в кристалле иттрий-алюминиевого гранат;

легированного ионами // Квант, электр. - 1996. - Т. 23. - № 11. - С.995-998.

35. Kuleshov N.V., Shinkevich A.S., Shcherbitsky V.G., Mikhailov V.f Danger Т., Sandrock Т., Huber G. Luminescence and time-resolved excited sta absorption measurements in Pr3+-doped La2Be205 and KGd(W04)2 crystals // Optic Materials - 1996. - V. 5. - P. 111-118.

36. Yumashev K.V., Kuleshov N.V., Malyarevich A.M., Prokoshin P.\ Shcherbitsky V.G., Posnov N.N., Mikhailov V.P., Sandulenko V.A. Ultrafast dynamii of excited-state absorption in V3+:YAG crystal. // J. Appl. Phys. - 1996. - V. 80, No 8. P. 4782 - 4784.

37. Кулешов H.B., Щербицкий В.Г., Михайлов В.П., Ккж С., Койтке Й Питерманн К., Хубер Г. // Спектроскопия возбужденных состояний кристаш магний-алюминиевой шпинели, легированной никелем // Опт. и спектр. - 1996. - ' 81, N5.-С. 831 -834.

38. Лагацкий А.А., Кулешов Н.В., Щербицкий В.Г., Клепцын В.Ч Михайлов В.П., Остроумов В.Г., Хубер Г. Генерационные характеристш

3+

кристалла CaGdAlO^Nd при диодной накачке // Квант, электр. - 1997. - Т. 2 № 1,- С. 17-19.

39. Kuleshov N.V., Lagatsky А.Л., Shcherbitsky V.G., Kleptsyn V.F., Mikhailov V.P., Minkov B.I., Danger Т., Sandrock Т., Hubcr G. Spectroscopy,

3+

excited-state absorption and stimulated emission in Pr -doped GdjSiOj and Y2SiO^

crystals II J. Lumin. - 1997. - V. 71. - P. 27-35.

40. Yumashev K.V., Kuleshov N.V., Prokoshin P.V., Malyarevich A.M., Mikhailov Y.P. Excited state absorption of Cr4+ ion in forsterite. // Appl. Phys. Lett. -1997. - V. 70, No. 19. - P. 2523 - 2525.

41. Kuleshov N.V., Lagatsky A.A., Shcherbitsky V.G., Mikhailov V.P., Heumann E., Jensen Т., Diening A., Huber G. CW Laser Performance of Yb and Er,Yb Doped Tungstates //Appl. Phys. B. - 1997. -V. 64. - P. 409-413.

42. Kuleshov N.V., Shcherbitsky V.G., Mikhailov V.P., Kuck S., Koetke J., Peterman K., Huber G. Spectroscopy and Excited-State Absorption of Ni2+-Doped MgAl204 // J. Lumin. - 1997. - V. 71. - P. 265-268.

43. Юмашев K.B., Кулешов H.B., Прокошин П.В., Маляревич A.M., Михайлов В.П. Нелинейное поглощение иона Сг4+ в кристалле Mg2Si04 при пикосекундном возбуждении // Опт. и спектр. - 1997. - Т. 83, N6. - С. 933-939.

44. Kuleshov N.V., Lagatsky А.А., Podlipensky A.Y., Mikhailov V.P., Heumann E., Diening A., Huber G. Highly Efficient CW and Pulsed Lasing of Yb Doped Tungstates // OSA Trends in Optics and Photonics on Advanced Solid State Lasers, C.R Pollock and W.R. Bosenberg, eds. - Washington: Optical Society of America, 1997 - V. 10. - P. 415-419.

45. Kuleshov N.V., Shcherbitsky Y.G., Mikhailov V.P., Hartung S., Kuck S-, Petermann K., Huber G. Near Infrared and Visible Excited-State Absorption in Cr4+:Forsterite // OSA Trends in Optics and Photonics on Advanced Solid State Lasers, C.R Pollock and W.R. Bosenberg, eds. - Washington: Optical Society of America, 1997 - V. 10.-P. 425-430. .

46. Kuleshov N.V., Lagatsky A.A., Podlipensky A.V., Mikhailov V.P., Huber G. Pulsed laser operation of Yb doped KY(W04)2 and KGd(W04)2. // Opt. Lett. -1997.-V. 22, N 17. - P.1317-1319.

РЕЗЮМЕ. Кулешов Николай Васильевич. СПЕКТРОСКОПИЯ ВОЗБУЖДЕ1 НЫХ СОСТОЯНИЙ ИОНОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ.

Ключевые слова: спектроскопия, лазерные кристаллы, ионы переходных металлов редкоземельных элементов, поглощение из возбужденных состояний, люминесценци стимулированное излучение.

В работе исследованы оптические свойства, поглощение из возбуждали состояний и генерационные характеристики кристаллов, легированных иона» переходных металлов Cr4*, V3+, Со2+, №2+, Сг3+ и редкоземельных элементов Рг3+, УЬ; Ег3+, Nd3+ с целью поиска новых и оптимизации параметров уже известных лазерш материалов. Исследования проводились спектроскопическими методами.

Обнаружено и интерпретировано поглощение из возбужденных состояний (ПВ1 в УФ, видимой и ИК областях для тетракоординированных ионов Сг^Зй2) в кристалл Mg2Si04, Y2S1O5, Gd2SiOj, Gd3Sc2Ga30i2, ионов V3+(3d2) в кристаллах Y3AI5O12, Со2+ ZnGa204, Ni2+ в MgAb04 и Сг3+ в LiGasOs. Оценено влияние ПВС на генерационш характеристики лазерных материалов и насыщающихся поглотителей на осно указанных кристаллов. Показано, что нестационарные центры окраски и поглощение возбужденных состояний препятст вуют получению генерации на ионах Рг3+ в кристалл GdiSiOjj, Y2S1OJ и La2Be20í в видимой области спектра.

Впервые получена генерация лазерного излучения при комнатной температуре : ионах Yb3+ в кристаллах KY(WÜ4)2 и KGd(W04)2 в области 1.02 мкм с эффективность до 86% при лазерной накачке и на ионах Nd3+ в кристаллах CaGdA104 в области 1. мкм с эффективностью 37% при диодной накачке. Исследованы динамика люминесцетх и поглощение из возбужденных состояний ионов Ег3+ в кристаллах KY(W04)2. Вперв] реализована генерация на ионах Ег3+ в области 1.5 мкм в кристаллах KY(W04)2:Yb,Er,

По результатам исследований предложены твердотельные пассивные затворы основе кристаллов Mg2SiC>4:Cr4+ и Y:sAbOi2:V3+. Разработаны новые эффективт лазерные материалы на основе кристаллов KY(WÜ4)2 и KGd(W04>2, легированм иттербием.

!>ЭЗЮМЭ. Куляшоу Мжалай BaciubCEin. СПЕКТР АСКАП1Я УЗБУДЖАНЫХ 1'ТАНАУ ШИЛУ ПЕРАХОДНЫХ МЕТАЛЛУ I РЭДКАЗЯМЕПЬНЫХ ЭЛЕМЕНТА? У КРЫШТАЛ1ЧНЫХ МАТЭРЫЯЛАХ ДЛЯ ЦВЕРДАЦЕЛЬНЫХ ПАЗЕРАУ

ЕСлючавьм словы: спеюграскатя, лазерный крыштал!, ¡ёны пераходных металау, 1ёны рэдкадямельных эяементау, паглына1ше з узбуджапых сганау, люмшесцэнцыя, стымуштанае выпраменъва1ше.

У рабоце даследаваны аптычшля уласщвасщ, паглынанне з узбуджапых станау i генерацыйныя характармсплю некаторых крышталяу, леправаных ieiiaMi переходных металау Cr4+, V3+, Со2+, Ki2+, Сг3+ i рэдказямельных элеменгау Pr3+, Yb3+, Er3+, Nd3+ з мэтай пошуку новых i аптымпацьц параметрау ужо вядомых лазерных маторыялау. Даследавашй выконвалкя спектраскатчным1 метадамь

Выяулена i ¡нтэрггрэтавана паглынанне з узбуджаных сганау (ПУС) у УФ, бачнай i шфра-чырвонай вобласцях дня глракаардынавапых ¡ёнау Сг4+ у крышталях Mg2Si04, YiSiOs, Gd2Si05, and Gd3Sc2Ga30i2, ¡ёнау V3+ у крышталях Y3AI5OJ2, Co2+ у ZnGa204, а таксама октакаардынаваных icnay Ni*+ у MgiSiCU i Cr3+ у LiGasOg. Зроблены ацэнм уплываши ПУС на генерацыйныя характарыстьш лазерных матэрыялау i насычаючыхся паглыналышсау на аснове указаных крышталяу. Паказана, нгго несгацыянарныя цэптры афарбавання i паглынанне з узбуджаных станау перашкаджаюць атрымашпо генерацы! у бачнай вобласщ на ¡ёнах Рг3"1" у крьшггалях Y2S1O5, GdiSiOs, LajBcjCb.

Упершьшю атрымана генерацыя лазернага выпрамеш.вання пры пакаевай тэмпературы на ¡ёнах Yb3+ у крьшггалях RY(W04)2 i K.Gd(W04>2 каля 1.02 мкм з эфектыунасцю да 86% пры лазерным папампоуванм i на ¡ёнах Nd3+ у крышталях CaGdA104 каля 1.08 мкм з эфектыунасцго 37% пры дыёдным напампоуванш.

Даследаваны дынамиса люмшесцэнцьи i паглынанне з узбуджаных станау ¡ёнау Ег3+ у крышталях fCY(W04)2. Упершьшю рэал^завана генерацыя на ¡ёнах Егэ+ кадя 1.5 мкм у крышталях KY(W04)2:Yb,Er.

На аснове атрыманых выщкау прапанаваны новыя цвердацельныя пас1уныя затворы на аснове крышталяу Mg2SiC>4:Ci4+ i Y3AlsOi2'.V3+. Распрацаваны новыя эфектыуныя лазериыя матэрыялы на аснове крьплталяу KY(WC>4)2 i KGd(W04)2, леправаных ¡TcpoieM.

SUMMARY. Kuleshov Nikolai Vasilievich. SPECTROSCOPY OF EXCITED STATE OF TRANSITION-METAL IONS AND RARE-EARTH ELEMENTS IN CRYSTALLIN MATERIALS FOR SOLID STATE LASERS

Keywords: spectroscopy, laser crystals, transition-metal and rare-earth ions, excited sta absorption, luminescence, stimulated emission.

Optical properties, excited-state absorption and laser performance of crystals dopi with Cr4+, V3+, Co2+, Ni2+, and Cr3+ transition metal ions and Pr3+, Yb3+, Er3+, and Nd rare-earth elements have been investigated in order to develop new laser materials and optimize parameters of known ones. The research was carried out by spectroscop methods.

Excited-state absorption (ESA) in the UV, visible and near infrared was discoveri and analyzed for tetrahedrally coordinated Cr4+ (3d2) in Mg2Si04, YiSiOs, Gd2Si05, aj Gd3Sc2Ga3Oi2, as well as for V3+ (3d2) in Y3AI5O12, Co2+ in ZnGa204, Ni2+ in MgAk< and Cr i+ in LiGasOs- The influence of ESA on laser performance of the laser materii and saturable absorbers based on these crystals has been estimated. Pump indue absorption due to transient colour centers and due to ESA prevents laser action of Pr3 doped Gd2Si05, Y2S1O5 and LaiBejOs crystals in the visible spectral range.

For the first time laser action at room temperature has been obtained in Yb3+-dop KY(W04)2 and KGd(W04)2 near 1.02 |im with a slope efficiency up to 86% at las pumping and in Nd3+-doped CaGdA104 near 1.08 pm with a slope efficiency of 37% diode pumping. Luminescence dynamics and excited-state absorption of Er3+ ion KY(W04)2 crystals have been studied. Laser action near 1.5 |im in Yb, Er-codopi KY(W04)2 crystal is obtained for the first time to our knowledge.

The results of this study enable to proposed solid state passive shutters based 1 Mg2Si04:Cr4+ and Y3Al50i2:V3+ crystals. New laser materials based on Yt>3+-dop KY(W04)2 and KGd(W04)2 have been developed.

КУЛЕШОВ Николай Васильевич

СПЕКТРОСКОПИЯ ВОЗБУЖДЕННЫХ СОСТОЯНИЙ ИОНОВ

ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ

Подписано к печати 17 декабря 1997 г. Формат 60 х 90 1/16 Гип бумаги - типографская. Печать офсетная. Печ. л. 1,5. Уч. изд. л. 1,25. Тираж 100 зкз. Заказ 138. Бесплатно.

Институт физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси 120072 Минск, пр. Ф.Скорины, 70.

Отпечатано на ризографе Института физики им. Б.И. Степанова HAH Беларуси [Хидекзия ЛП N20.