Взаимодействие возбужденных ионов Cr3+ и редкоземельных элементов (Er3+ , Ho3+ , Nd3+ , Pr3+ , Tш3+ , Tb3+ ) в лазерных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

г- « 31

НОСКОВСШ ШИКО-ТЕХНИЧЕСШ 1ШСТИТЯТ

на правах руяоплси

аУБЕИХО ДМИТРИЯ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПЗЛМКОДЕПШИЕ ВОЗБУЗЛЕШШХ ПОПОВ Сг^ И РЕДКОЗЕИЕЛЫЩ ЭШЕИТОЙ (Ег3\11о3<,На3*.Рг5\Тв3*.ТЬ5*) В ЛАЗЕРНЫХ КРИСТАЛЛАХ.

01.04.03 - радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА—1992

Работа выполнена в Институте Обцей Физики Российской Академии Наук

Научные руководители:

Официальные оппоненты

Ведуцая организация

доктор физико-математических наук, профессор Смирнов В.й. Кандидат физико-математических наук Ногинов U.A.

доктор физико-математических наук Антипенко d.M.

доктор физико-математических наук Неуструев В.Б.

Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской Академии Наук

Защита состоится Ь'Л-С^-бЛ 1992 г. в )б час.

на заседании .Специализированного Совета К 063.91.09 при Московском Ордена Трудового Красного Знамени Физико-Техническом институте по адресу: г.Москва, ул. Профсоюзная д. 84/32 , Московский корпус МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ автореферат разослан " ¡9" -¿С&Л 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного Совета К 063.91.09 . кандидат физико-математических наук Чубинский Н,П.

Обцая характеристика работы.

Пктчальность теин. V; Широкое применение твердотельных лазеров в науке, технике и народной хозяйстве стимулирует поиски новых эффективных лазерных сред и улучгение характеристик уже существующих. Принципиальным в этой связи является исследование процессов трансформации энергии оптического возбуждения в активных средах твердотельных лазеров с целы) направленного воздействия на эти процессы и максимальной кумуляции энергии в заданном состоянии рабочих частиц. При этом эффективность образования инверсной населенности в канале генерации будет определяться всей совокупность!] процессов энергодвижения, в том числе процессами взаимодействия возбужденных ионов-активаторов друг другом С в литературе эти взаимодействия обычно назыгапт нелинейными), которые, при высокой концентрации возбужденных частиц, могут играть определяюцув роль в работе твердотельных лазеров, что делает их исследование весьма актуальной задачей. В особенности ваиен учет этих процессов при использовании новых перспективных источников накачки твердотельных лазеров - лазерных диодов,т.к в этих случаях в относительно небольних объемах активных сред имеет место высокая концентрация возбужденных ионов. Больвуп роль указанные нелинейные взаимодействия могут также играть в сенсибилизированных активных средах, в которых имеется эффективное поглочение излучения накачки. В этом отнояении особый интерес представляет исследование данных процессов в новом класпе лазерных материалов - кристаллах редкоземельных скандиевих гранатов с хромом, в которых, как известно, имеет место эффективная сенсибилизация люминесценции ионов редкоземельных элементов (ТИ5*) ионами хрома (Сг3+ ), способствувцая накоплении энергии на метастабилышх уровнях ионов т3*.

Цельд данной работы являлось экспериментальное исследование процессов взаимодействия возбужденных ионов-активаторов в кристаллах хромсодерхащих редкоземельных скандиевых гранатов и ряде других перспективных лазерных материалов, сравнительный анализ этих взаимодействий в различных лазерных матрицах, определение влияния мехионных взаимодействий на эффективность заселения лазерных уровней рабочей примеси с целью оптимизации составов активных сред твердотельных лазеров.

Научная новизна работы состоит в: развитие методик измерений и расчетов взаимодействия возбужденных ионов в лазерных материалах: экспериментальном обнару«ении и количественном описании процессов взаимодействия возбужденных ионов хрома друг с другом в кристаллах иттрий-алюминиевого (ИНГ), иттрий-галлиевого (ИГГ), гадолиний-галлиевого (ГГГ), иттрий-скандий-галлиевого (ИСГГ), иттрий-скандий-алвми-ниевого (ИСАГ), гадолиний-скандий-алвминиевого (ГСАГ), гадолиний-скандий-галлиевого (ГСГГ) гранатов, 1лСаА1Р (1Л(Ж), ШгА]р (ШАР), ШгСаР (ШШ7): ионов хрома с ионами гольмия СНо5+), эрбия (Ег3*), тулия (Тв3+), тербия (ТЬ3*) в кристаллах ИСГГ, ИСАГ, ИЛГ; установлении закономерностей нелинейных взаимодействий в различных лазерных материалах; установлении связи мегду концентрациями взаимодействующих ионов и эффективность» нелинейных взаимодействий; определении макропараметров мехионных взаимодействий; определении концентраций ионов неодима (И<13+), празеодима (Рг3+), гольмия, при которых имеет место снятие самоограничения с лазерного перехода в кристалле ШТ.-Сг.Ег.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы могут бить использованы при оптимизации составов активных лазерных сред и реаимов лазеров на основе кристал-

лов редкоземельных скандиевых гранатов с хромом, о том числе двухмикронных гольмиевих и грехиикрошшх эрбиевих лазеров на основе кристалла иттрий-скандий-галлиевого граната, а также твердотельных лазеров, работаюцих на электронно-колебательном переходе ^ -> **А^ И0|,а хрома в кристаллах ГСЛГ, ГСГГ. LICAF. LISAF. LISQAF.

Основные положения, выносинис на защиту:

1. Методики экспериментального исследования и количественного описания процессов взаимодействия возбужденных ионов хрома и редкоземельных элементов в лазерных кристаллах.

2. Результаты количественных экспериментальных исследований взаимодействия возбужденных ионов Сг3+ друг с другом в кристаллах рубина. ЙОГ, ИГГ, ШТ. ЙСЛГ .ГСПГ. ГСГГ. LICAF. LISAF, LISGAF.

3. Экспериментальное определение парметров взаимодействия возбужденных ионов Тв между собой в кристаллах ИСГГ:Сг.Тя и ИАГ:Сг,Тв , возбужденных ионов llo3t друг с другом в кристалле ИСГГ:Сг,Но. а также ионов Та3* и Но3 + в кристаллах ИСГГ:Сг,Тв,!!о и ИСАГ:Сг,Тв.Но.

4. Экспериментальное исследование и количественное описание процессов взаимодействия возбужденных ионов хрома с возбужденными ионами эрбия, тулия, гольмия, тербиа в кристаллах ИСГГ.ГСЛГ,

5. Определение концентраций ионов празеодима, неодима, гольмия, при которых имеет место снятие самоограничения с Лазерного перехода -¡-ц/2 —> ионов Ег п кристалле ИСГГ:Сг,Ег.

Лприбация работы. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1930 ), на V ( Salt Lake Sity. 1930) и jZT (llealton Head, 1391) иеидународных конференциях "Advanced Solid-

State Lasers", на Всесоюзной конференции "Физика и применение твердотельных лазеров" (Москва, 1990), на рлсвиреином заседании секции "Аазерние люминофоры" ( Звенигород,1990), на Всесоюзной конференции посвяценной 100-летию со дня рождения академика С.И.Вавилова (Москва, 1390), на УЩ Всесоюзной совсщании-семинаре "Спектроскопия лазерных материалов" (Дяубга, 1991), на X/// Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике "КиНО'ЭР (Ленинград. 1991).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ в центральных периодических изданиях и 10 - о трудах различных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложена на 191 странице с 41 рисунком и 4 таблицами. Список литературы включает 124 наименования.

Содержание работы.

Во введении дана обцая характеристика работы, обоснована актуальность темы, сфориулнрпвалц основные задачи и основные зацичаекне половения, дано распределение материала по главам.

В перЕой главе диссертации проведен анализ опубликованных результатов исследований процессов взаимодействия возбужденных ионов в твердых телах, рассмотрены осровные схемы этих процессов, ыетоды их качественной идентификации и количественного описания, а такве их влияние на генерационные характеристики твердотельных активных лазерных сред. Дан кратг.ий обзор работ по теоретическому исследованию процессов переноса энергии в твердых телах, рассмотрены ос-

ноеные существующие на данный момент подходы и приближения.

Вторая глава посвяцена описанию методик экспериментов и расчетов, использованных при исследовании взаимодействия возбужденных ионсв в лазерных материалах. В экспериментах образцы возбуждались излучением работающих в режиме модулированной добротности неодинового ( А -1064 ни или Л =532 им - вторая гармоника, 25 не) и рубинового ( Л =694

нм. 150 не) лазеров, а тате сформированными из излучения непрерывных аргонового ( А =488,0, 514,5 нм) мощностьв Р~1 Вт или гелий-неонового (Л =532,8 нм) мочностьв Р~50 мВт лазеров импульсами света различной формы и длительности. Регистрация люминесценции производилась при пемощи фотоумножителей Ф311-02, ФЭИ-83, ФЭУ-100, кремниевых или германиевых фотодиодов, фотосопротивления PhS, спектральная селекция излучения осуществляласьпри помощи монохроматород МДР-2, МДР-6, ИДР-12 среиетками 300. 600, 1200, 2400 втр/ми.

Принципиальным при количественном исследовании параметров нелинейного взаимодействия является обеспечение однородности возбувдения по объему образца. Однородность по тол-вине обеспечивалась использованием оптически тонких образцов: их толщина (d ~ 200-1000 мкч) выбиралась из условия того, чтобы в образцах поглощалось не более 20 X излучения накачки. Однородность засветки по сечении образца, как правило, обеспечивалась диафрагмированием лазерного луча. В отсутствие же диафрагмирования неоднородность засветки по сеченив учитывалась при расчетах.

При количественном описании процессов взаимодействия возбужденных ионов в твердых телах, как правило, используит наиболее простое для этого типа взаимодействия выражение для скорости изменения населенности возбужденных состояний: -- <А-П-i Pj . где Л - константа, а Гц.

и Dj - населенности соответствугщих состояний

взаимодействующих частиц. При этом, строго говоря, это выражение справедливо только при наличии очень быстрой миграции возбуждений по донорам, когда тувение лвминес-цснции осуцествляется в режиме "кинетического предела" (П.И.Бурштейн, 1972 г.). Этот режим, однако, экспериментально реализуется далеко не всегда. Таким образом, возникает задача выяснения правомерности использования данного выражения в отсутствие кинетического предела.

D.E.Сверчковым и С.Е.Сверчовым (1988 г.) в рамках подхода Л.Д.Зуг.мана ( 1977 г.) было предложено выражение, описывавшее кинетику нелинейного прыжкового тужения люминесценции. С использованием этого выражения, в диссертации была получена формула, описывавшая динамику изменения населенности возбужденных состояний взаимодействующих частиц при сГ -импульсном возбуждении для случая конечного времени жизни доноров ligj:

-Abb &

и) _По-е____

где и в - микропараыетр и мультипольность донор-

акцепторного взаимодействия, ^ 1 - эффективная вероятность возбуждению совержить "прыжок" на какой-либо невозбужденный донор. Анализ выражения ( 1 ) показал, что, в отличие от "линейного" (взаимодействие возбужденных частиц с невозбужденными), при нелинейном тушении время жизни является одним из параметров, формирующих иерархию времен в системе взаимодействуюцих частиц. А именно: при > ^ тужение,

в основном, статическое; при ^ < - миграционно-ускоренное, при этом гибель значительной части возбуждений можно с хоровей точностью описывать выражением:

п (2)

Л1Ф- ±*п<>Ъ> Г^тШ-^и-г-^) ''

для которого выполняется соотношение:

сСп /г _ х , ,

¿{ ~ ~ Л * С

где параметр об^ равен:

= £ ^Ш-гС-Д) ^ V"" ^

Отметим, что приведенное выражение для об^ совпадает с полученным ранее для случая чисто нелинейного тушения.

В третьей главе приведены результаты исследований процессов взаимодействия ионов Но'* и Тв в кристалле ИСГГ:Сг.Тж.Но в диапазоне концентраций ионов Тв3+ -

аС4-20).ЮМ см"3 иионовНо,+ СМ9,(1-7.5)-10^см-3. а также в кристаллах И/1Г:Сг,Та и ИСДГ:Сг,Тв,Но, в иироком диапазоне плотностей накачки. Анализ кривых распада возбужденных состояний Тв3+ и Но5+ в

кристалле ИСГГ:Сг,Тж.Но при возбуждении образцов короткими импульсами света с длиной волны 0.53 ыкм показал, что в

т 3+

данном кристалле перенос энергии между коллективами ионов Тя и Но3* не может быть описан балансными уравнениями с постоянными во времени коллективными скоростями переноса.

Ястановлено, что при больиих плотностях накачки в указанных кристаллах имегт место процессы взаимодействия

возбужденных ионов Та** и Но**по схеме (31 - Тн

¡Г Зт 3

-»• Но ). При плотностях излучения Р< 1 кВт/см

взаимодействие хорошо описывается выражением:

иА/ - м ,п£л/2 ,Г\

где М=пм + пТ(17 - полная концентрация возбужденных ионов, /Н, Ь-пТт /Н , - характерное время, с

таил, t

''Tm > 10 сы C/fe. lO^:/5 -L? 3 10 см /с

4 5 10.0 \г

ä 1 11.5 5

?. ti .G 8.5

3 11.5 H. 5

5 10.3 8.5

7.!) ío.;! 11

10 3.7 11.4 ti. 5

10.ö 3.ti 11.8 5. Ii

Iii ;¡ 11.2 3

20 i a.o 2

тпг.л.

Кристалл 102О«:ы-3 f .икс об •iS. j 10 СИ /с

Г-ибин - 3P00 0.018 ~ 2000

ИМ' 3 1450 0.34 ^ 1000

HIT 1 2 i 0 г л ^ 550

г;т 3. IP 5 5 - 300

ис:т 1 145 В.2 ~ ;:50

И СНГ 0.5 150 4 ~250

ГШ" 0.5 150 4.4 - 0

гсгг 1 120 гл - 0

I.ÍCÍ1F - 1Ü5 2.4 - 0

I.ISGAF 4 85 10 ¿ 0

I.ISAF - ßfi 15 ¿ 0

5" I

которым распадаются возбужденные состояния I, Но , Н/ 3*

Та с учетом эффективного обмена энергией ме*ду пили,

сС - параметр нелинейного взаимодействия. При плотностях накачки Р>10 кВт/см"3 выражение (5) хуже описывает кинетику затухения люминесценции - на начальной участке кривой затухания регистрируется большая скорость туве.чия, чем эти предписывается выражением (5).

Установлено, что параметр скорости нелинейного взаимодействия об уменьвоется с ростом концентрации ионов Та в основном состоянии < табл.1 ), что объясняется обратным процессом кроссрелаксации возбуждений с уровня

¿"т 11 i гт г ii зн }и т ч

Но : ( - Но , - К^ Те ).

Обнаружено, что о кристаллах ИСГГ:Сг,Ио имеет место взаимодействие ионов в состоянии друг с

другом : ( 17 - , 1? - ) , а в кристаллах ИСГГ:Сг,Тж - ионов Та7г в состоянии Н^ друг с другом: (

\ - , - . ^Н^ ). Однако, оба эти процесса существенно менее эффективны, чем взаимодействие возбужденных ионов Но3* с ионами Тп3+, описанное выяе. Величины параметров взаимодействия составляют, соответственно,

(£ =5-10 см /с (при Н^=8-10 см ) и об =С 1ч0,3> ■

г -3

10 см /с (при Н^ =4-8-10 см ).

Установлено, что в кристалле ИСЙГ:Сг,Та,Но (

-3 19 -3

см , = 5-10 см ) имеет место взаимодействие зозбуж-

1* л 3* , }и Зи г 3 + 4"

денных ионов Тв и Но по схеме ( Н, - Н^ Тж , 1

5" Зt / $

Но ). при этом величина параметра оС =7,5-10 см /с

оказывается несколько ниже значения об для соответствующих

концентраций ионов Тш3^ и Нэ3+ в кристалле ИСГГ:Сг,Тш,Но.

Обнаружено, что в кристалле И0Г:Сг,Тв ( С -¡-^ Х,7И) имеет место взаимодействие возбужденных ионов Те 3+ друг с другом по схеме : ( - : - ?НГ, ). Вели -

—Л 8 3

чина параметра <^6 =(7.512) 10 см /с этого взаимодействия почти на порядок выве аналогичной величины в кристалле ИСГГ:Сг,Тм.

В четвертой главе приведены резулыаты исследования процессов взаимодействия возбужденных ионоо Сг^ друг с другом в ряде лазерных кристаллов с относительно малой величиной энергетического зазора между уровнями и 2Е С-3+ : ИСГГ. ГСГГ, ГСАГ. ИСАГ, ИГГ,

ГГГ. ШБсВеО , ИСАГ. ШАР. ШСАР. в которых указанное взаимодействие возбужденных ионов Сг3+ протекает с участием уровня ^Тд по схеме: (^Т2 - ^ , ^Т, - ^Т^ ). в

кристаллах НАГ:Сг Сд ООО г.м^), а также з кристаллах -1

рубина ( лЕ~,2000 см ) , ь которых впервые в 1906 году Абрамовым А.П. и Толстим Н.А было обнаружено нелинейное туиение люминесценции ионов Сг3+. Были определены эффективные параметры этих взаимодействий при типичных лазерных концентрациях ионов Сг3+ (табл.2). Показано, что эффективность взаимодействия Сг3+ - Сг3+ выюе в кристаллах со слабым кристаллическим полем, когда населенность уровня сравнима или больае населенности уровня гЕ, что обусловливает как больвуи силу осцилляторов переходов, так и хороиее перекрытие спектров поглощения и лвминесцен- * ции взаимодействующих частиц.

Приведены результаты количественных исследований взаимодействия возйуаденных ионов Сг3+ и Ег3* в кристаллах ИСГГ и ГСАГ. Показано, что эти взаимодействия могут препятствовать созданию инверсной населенности на переходе ~ Ег'^ в кристаллах ИСГГ:Сг,Ег и

ГСАГ:Сг.Ег.

Показано, что повышение концентрации нонов Ег приводит к смене основного механизма нелинейного тияения пиминес-цснции Ег'+ на "традиционный", протекавший по схемам:

1а/2 " 1ИУ2 • 11>/2 ,9/г

Укапанная смена механизмов тукепиа объясняется тем, что повышение концентрации ионоп Ег приводит к увеличении эффективности процесса переноса энергии от возбуа-денных ионов к нсчозбухдснныы ионам Ег, при этом

С- ¿г. -

населенность состояния Тг , Е Сг существенно снижается, что приводит к снижении эффективности нелинейного взаимодействия ионов Сг3+ и Ег3+ . Эффективность же взаимо-

з*

действия возбуадешшх ионов Ег между собой растет как за счет роста параметра с^ (см. выр.З), так и за счет роста эффективности переноса энергии Сг3г - Ег'5'" , увеличивавшего населенность "нзаимодейстпувцих" возбужденных состояний ионов Ег*+ .

Показано, что в кристалл™ ИСГГ:Сг,Та, ИСГГ:Сг,11о, КСГГ:Сг,Та,Но, 1<ПГ:Сг,Та, ИСПГ:Сг,Та,1!о, ИСГГ:Сг.ТЬ имеют место процессы взаимодействия аозбуаден-ных ионов Сгс возбужденными ионами Но3', Та3+, ТЬ3',

приводящие к появлений антистоксовой зеленой люминесценции

6' 1

с уровня Но , синей и фиолетовой - с уровней и

Та3*. фиолетовой - с уровня $ Я^ ионов ТЬ3+.

В пятой главе приведены результаты исследования возможет

ности снятия самоограничения с лазерного перехода '¿¿а ~

А ^

\±у Ег в кристалле ИСГГ:Сг.Ег - активной среде лазера 3-ыкм диапазона - за счет примесного туеения люминесценции с нижнего лазерного уровня Ег . П качестве акцепто-

(/х с 3 +

ров, туаащих люминесценции с уровня I¿у Ег рассматривайте.«

г, 3+ „ э* „. 3+ с 2

ионы Рг , на , Но , 1в . Было установлено, что относительно небольаие концентрации акцепторов - ионов Н(13+, Рг3*\ „ ?+ _ 3+ , . ..19 .¿о -з

По , Та ( С"10 - 10 см ) - приводят к существенному,

на 1-2 порядка сокраценип среыени аизни нижнего лазерного ь 3+

уровне Ег о кристалле 1!С1Г:Ср,Ег. Однако, в тс жй

TM¡fl. 3

'I|'IIH<-III> KmiM. ^s. <lK T H)><1 T ti|)l111 ■W

Uf . r :1 t , mi: vcs ,("'

ioll.r.m-3 H".¡T: Cr.fr

1 - - 1«. 4 -

4 - i. i - 'i. fi -

10 r M"3 MCiT:Cr,fr,l'r

1 3 0.7)1 ;'.■'. o o.r,'¡ 1000

4 :Í 0.17 Ü000 0. O'ií) nono

4 0.9 o . t. 700 0 JÜ idoo

10 ,CH HCIT: Cr.fr, lid

i 0.7Ü 1.0 t)0 4.0 100

4 O.'/1 ¡i 7. 5 Ib 0.51 0.31 0.13 0.005 inoo ;!;;oo üílOO 11ÜOO 0. .1« 0.11 !¡ 0.07Ü 0.03Ü 3300 llüco 1 3000 ,ki:íoo'

-i 10 .cu HCIT: Cr.fr, Un

i 5 !0 1.1 1.0 0.9 bo 170 300 3. ?. 2.7 1.4 i'jo 210 (¡>;o

4 ?. 10 0.0 0. 1!¡ 340 1300 ?..o 0.2íi 250 /.noo

время наблюдается тушение люминесценции с верхнего лазерного / э*

уровня I-ц^ Ег. В связи с этим возникает проблема поиска омтимплышх концентраций акцепторов, при которых уме имело бы место снятие самоограничения с перехода LWo

г

Ег , но в то же врема люминесценция с верхнего лазерного

уровня ^Ь, , Ег3* не была бы сильно потушена.

z ч 4- .

Кинетика люминесценции с уровней »¿^ • 8

исследовании* кристаллах ИСП':Сг,Ег,Рг намерзлась в динамическом диапазоне изменения интенсивности люминесценции

ионо~ Ег3* систаиляикем 2 порядка , эффективные нремена

3+

жизни и скорости переноса 'энергии Ьг - Рг к зависимос-

3+ 3 +

ти от концентраций ионов Ег и Рг приведены в табл.

К i* видно из табл. 3 . при концентрациях ионов Ег3* С - 4 -10 ^ ^ см 3 и Рг'* С-0 .5-10''^ см време1м жизни верхнего нижнего iлатериых уровней составляют 630 мке и 480

J

мке, соответственно.

3 +

При исследовании тугения люминесценции ионов Ьг ионами кин<:тикл люминесценции с уровней . ^ц/х

Ег также исследовалась в динамическом диапазоне изменения интенсивности люминесценции ионов Ег3*, составляющем 2 порядка, эффективные времена жизни и скорости переноса энергии Ег3* - Nd3* в зависимости от концентраций ионов ErJ* и Hd приведены в табл. 3.

3* Z1 -3 3+

При концентрации ноной Ег С-4•10 см и Hd С-0.75-

•10 см времена яизнк перхнего 1ц/2 и нижнего 1 ¿ s/2

лазерных уровней составляют 510 и 2П0 миг. соответственно.

Исследованы процессы тушении люминесценции ионов Ег

ионами Но3*. Показано, что в кристаллах ИСГГ:Сг,Ег,Но наряду

с "прямым" Ег3*->Но3 , иивет место также "обратный" перенос

энергии Но34--»Ег3*. Установлено, что при высоких плотностях

накачки становятся эффективными также и процессы нелинейного

взаимодействия возбужденных ионов £rJ* и 11о3+.

з* 21 -з з* го При концентрации ионов Ег С=4•10 см и Но С=1 -10

см"'3 времена «изни верхнего и нижнего лазерных

дровней составляют 450 и 250 мкс соответственно.

Исследованы процессы трансформации энергии в кристалле

ИСГГ:Ег,Т» 4-10^ см"3, СТт = 3-10*" см"5). Показано.

что имеет место эффективный перенос энергии (и^ООО с"^ ) с

л 3 5+

верхнего лазерного уровня \цу на уровень Н^. Тв . С уровня возбуждение быстро безызлучателыю релаксирует на уровень % Т«3*. Установлено, что между уровнями ^¿з/ и \ Т«3* имеет место быстрый обратимый перенос энергии: ( —» Ег3* I Тж3* ), который приводит к

эффективному "затягивании" времени жизни нижнего лазерного уровня Ег3*.Таким образом, использование ионов Т«3* в

качестве тушителей люминесценции в кристалле ИСГГ представляется малоперспективним. В то же время эффекивный перенос энергии Ег5+-у \ Тж3 в кристалле ИСГГ

может быть использован для создания лазера на переходе

Н, Тв с использованием эффекта сенсибилизации лиминесцен-

т _ з+

ции ионов Тж ионами Ег .

Таким образом, результаты проведенных исследований показали, что соактивация кристаллов ИСГГ:Сг;Ег ионами Рг5^ Н(13+, Но3*" может быть использована для повышения энергетических характеристик 3 -мкм эрбиевых лазеров на основе кристалла ИСГГ:Сг.Ег за счет снятия самоограничения с лазерного перехода ^¡^ - Ег3*.

Данный вывод навел подтверждение в прямых генерационных экспериментах, проведенных на кристаллах ИСГГ:Сг,Ег, ИСГГ:Сг,Ег,Рг, ИСГГ:Сг,Ег,Но.1

В заключении сформулированы основные выводы работы. 1. Развиты методики экспериментального исследования и количественного описания процессов взаимодействия возбужден-

1Генерационные эксперименты проведены И.Й.Ногиновым и И.Л.Щербаковым в Гамбургском университете.

пых иоиов хрома и редкоземельных элементов в лазерных кристаллах.

?.. Измерены константы взаимодействия возбужденных ионов Та между собой в кристаллах ИСГГ:Сг.Та и ИПГ:Сг,Та; возбужденных ионов Но3+ыеяду собой в кристалле ИСГГ:Сг,Но; возбужденных ионов Та3* и Но3*друг с другом в кристаллах ИСГГ:Сг,Та.Но и НСЛГ:Сг,Та,Но. Установлено негативное влияние этих процессов на заселение верхних лазерных уровней

Г. „3+

Та и по в данных кристаллах.

3. Обнарухены и количественно исследованы процессы

3+

взаимодействия возбуядешшх ионов Сг друг с другом в кристаллах ИАГ. ИСГГ. ГСГГ, ИСАГ. ГСАГ. ИГГ. ГГГ, ЦЩ7, 1Л5АГ, ПЯСЛГ. Показано, что эти процессы понижают эффективность заселения возбужденных состояний Сг3* в данных кристаллах.

4. Экспериментально обнаружено взаимодействие возбужденных ионов Сг3*с возбужденными ионами: Ег3* в кристаллах ИСГГ и ГСАГ; Но3* я кристалле ИСГГ, Та3* в кристаллах ИСГГ и ГСПГ; ТЬ3* в кристаллах ИСГГ и ГСАГ. Определены параметры взаимодействия возбужденных ионов Сг3* и Ег3* в состоянии ''¿3/2 в кристаллах ИСГГ и ГСАГ, установлено негативное влияние данного взаимодействия на процесс образования инверсной населенности на переходе Ег .

5. Экспериментально установлена возможность снятия самоограничения с генерационного перехода - '{З/г ^г в кристалле ИСГГ за счет примесного туаения люминесценции с уровня \г/ Ег3+ ионами И3*. Рг3+, Ноэ+. При концентрации ионов Ег3+4-102:'см"3 и ионов И3* 0.75-Ю*3 сн~3. Рг 3+

0.5-10 см'5. Но3* МО**«"* времена жизни верхнего

4 и

( ) и нижнего ( ) лазерных уровней составляют,

соответственно. 510 и 280 икс, 630 и 480 икс. 450 и 250 мкс.

- 10 -СПИСОК ПУБЛИКАЦИЯ

Al. Д.А.Зубенко, Н.А.Ногинпв, В.А.Смирнов, И.А.(ербаков Взаимодействие возбужденных ионов гольмия и тулия в кристаллах иттрий-скандий-галлиевых гранатов.//1ПС,1990, т.52. 4. с.598-Ш.

Й2. А.Л.Данилов. Д.А.Зубемко, С.П.Калитип, С.Г.Пасельский, И.П.Ногинов, В.Г.Остроумов.В.С.Привкс, И.Р.Рустамов.З.С.Саидов, С.Г.Секенков. В.А.Смирнов, И.А.Щербаков. Спектрлльно-лпкииссцентные свойства редкоземельных гранатов с хромом.//Труды ИОФАН,К. "Наука", 1990,Т.26, с.5-49.

A3. Д.А.Зубснко. К.А.Ногинов. С.Г.Секенков, В.А.Смирнов, И.А.Щербаков. Процессы межионных взаимодействий в лазерных кристаллах ИСГГгСг.Тж, и ИСГГ:Сг.Т*.Но.// Квант, электрон. 1992, т.19, 2, с. 158-162.

A4. Д.А.Зубенко, К.А.Ногинов, В.А.Смирнов, И.А.вербаков Нелинейные взаимодействия в кристаллах иттрий-скандий-галлиепых гранатов, активированных ионами хрома и эрбия.// КСФ, 1989, 4, с.51-53.

А5. Д.А.Зубенко, К.А.Ногинов, В.Г.Остроумов.

В.А.Смирнов, И.А.Щербаков. Процессы взаимодействия возбужденных ионов хрома в лазерных кристаллах. // 8ПС. 1992, т.56, 1. с.77-01.

AG. Е.Винтнер, Д.А.Зубенко, М.А.Ногинов, А.К.Прохоров,

B.А.Смирнов, И.А.Щербаков. Взаимодействие возбужденных ионов хрома и ионов редкоземельных элементов в кристаллах скандиевых гранатов.// КСФ, 10, 1990, с.24-26.

То «е. Препринт ИОФАН 59. И. 1990, 7с.

А7. А.Л.Депипой.Е.В.Вариков, Д.А.Зубенко, К.А.Ногинов,

C.П.Калитип. В..4.Смирнев, И.А.вербаков. Примесное тумения

лпминесценции иоиов эрбия в лазерных кристаллах нттрий-скандий-галлиевого граната. //ВПС.1990, т 53. 5. с 843-845. (18. R.Gross, A.L.Denisov, E.V.Zharikov, D.A.Zubenko.

H.ft.Hoginow, U.Relaaan. V.A.Snirnov, G.Huber,

I.A.Shcherbakov. Depopulation of louer laser level

Er3+ in YSGG:Cr.Er // Laser Physics. 1991. Ul. l.p. 52-50.

Тезисы докладов A9. N.n.Noeinov, S.G.Seaenkov. U.A.Sairnov, 1.A.Slicherbakov, D.A.Zubenko. Energy transfer ( Та - Но ) and upconversion processes in YSGG:Cr,T»,Ilo laser crystals. Conferens edition, "Advanced So 1 id-State Lasers" , Harch 1820,1931. Hilton Head. SC.

Й10. Д.А.Зубенко, В.А.Смирнов. Перенос энергии меадду возбужденными ионами Та*+ и Но3* в лазерных кристаллах ИСГГ:Сг,Та,11о. //Тезисы докладов Всесоюзной конференции по люминесценции. 20-28 марта, 1991, Москва, с. 109.

All. А.11.Алпатьсв, А./!.Денисов,Е.В.5ариков. Д.А.Зубенко, С.П.Калитин, Г.Б.Лцтц, И.А.Ногинов, И.Р.Рустаыов.З.С.Саидов, В.А.Смирнов, И.Т.Сорокина, А.О.Ммисков, И.А.Цирбаков. 2-мки лазеры на кристаллах скандиевых гранатов с хромой. // Тезисы докладов Всесовзной конференции "Оптика лазеров". Ленинград, 2-7 нарта 1990 г., т.2. с. 38.

А12. Д.А.Зубенко, И. А.Логинов, В.А.Сыирнов, Н.А.Щербаков. Взаимодействие ионов !1о3* и Тп*+ в лазерной кристалле ИСГГ:Сг,Те,Но. // Сборник материалов Всесовзной конференции "Физика и применение тпердотельних лазеров" , Иоскиа, 1Q-17 апреля 1990 г..с. 79-80.

А13. Д.А.Зубенко, М.А.Ногинов, В.Г.Остроумов, С.Г.Семенков, В.А.Смирнов, И.Л.Щербаков. Взаимодействие возбужденных ионов-активаторов в лазерных кристаллах. //

Тезисы XIII Иевдународной конференции по когерентной и нелинейной оптике, Ленинград, 24-27 сентября 1991 г., т.З, с. 58-59.

014. H.A.Noginov, U.G.Ostrouiov.U.A.Selrnov, 1. A.S!;cherbakov, D.A.Zubenko. Interaction of excited Cr ions in laser crystals. "Advanced Sol id-State Lasers" , March 18-20,1991, Hilton Head, SC., Postdeadline papers, pdp 14-1-14-2.

A15. Д.А.Зубенко, М.А.Ногинов, В.Г.Остроумов, В.А.Смирнов, И.П.Щербаков. Процессы взаимодействия возбу!денных ионов Сг3+ в кристаллах. // Тезисы докладов VIII Всесоюзного совещания-семинара "Спектроскопия лазерных материалов", Краснодар. 1991, с.24.

А16. H.A.Noginov, A.H.Prokhorov, U.A.Seirnov, I.A.Shcherbakov, E.Hintner, D.A.Zubenko. Interaction of excited chroaiui and rare-earth ions in scandiue garnet crystals. "Advanced Solid-State Lasers" , March 5-7,1990, Salt Lake Sity, Utah, Postdeadline papers, TuPD 3-1-3-4.

A17. Д.А.Зубенко, Н.А.Ногинов, В.А.Смирнов, И.А.Щербаков. Ступенчатая сенсибилизация люминесценции ионов TR3+ ионами Сг3+ в кристаллах гранатов. //Сборник материалов Всесовзной конференции "Физика и применение твердотельных лазеров" , Москва, 16-17 апреля 1990 г.. с.75-77.

А18. A.L.Denisov, S.P.Kalitin.H.ft.Hoginov. U.A.Siirnov, I.A.Shcherbakov.E.U.Zharikov, D.fl.Zubenko. Ispurity quenching о f Er5* ions luainescence in YSGG laser crystals. "Advanced Solid-State Lasers" , March 5-7,1990, Salt Lake Sity, Utah, Postdeadline papers, TuPD 2-1-2-4.