Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Литературный обзор 12
1.1 Сравнительная характеристика методов оптической и
нелинейной лазерной спектроскопии примесных центров 12
1.2 Основные представления спектроскопии примесных ионов
в широкозонных диэлектрических кристаллах 17
1.3 Кристаллические среды для оптической памяти и фурье
процессоров (основные требования и характеристики) 27
1.4 Современное состояние в области спектроскопии
редкоземельных ионов в кристаллах оксиортосиликатов 28
Глава 2. Техника эксперимента 31
2.1 Приборы и техника спектроскопии оптического
поглощения 31
2.2 Техника лазерной селективной спектроскопии и
спектроскопии с разрешением во времени 33
2.3 Лазерный комплекс для наблюдения фотонного эха 36
2.4 Низкотемпературная техника эксперимента 39
2.5 Образцы для исследования 40
Глава 3. Спектроскопия оптического поглощения примесных ионов
Рг3+ в кристаллах Y2Si05j Lu2Si05, Gd2Si05 41
3.1 Система термов и оптические переходы внутри f-оболочки
иона Ргэ+ 41
3.2 Спектры оптического поглощения кристаллов Y2Si05:Pr3+,
Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+ 44
3.3 Температурная и концентрационная зависимость спектров
поглощения кристаллов Y2Si03:Pr3+, Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+ .. 48
3.4 Селективная спектроскопия примесных центров в
кристаллах Y2Si05:Pr3+, Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+ 53
3.5 Симметрийный анализ спектров поглощения оптических
центров Рг3+ в кристаллах оксиортосиликатов 60
Глава 4. Лазерная селективная спектроскопия с временным разре-шением примесных ионов Рг в кристаллах Y2Si05, Lu2SiOs, Gd2Si05 .. 67 4.1 Затухание люминесценции кристаллов Y2SiOs:Pr +, Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+npH малой концентрации примесных
ионов 67
4.2 Особенности затухания люминесценции кристалла
Y2SiOs:Pr при вариации концентрации примесных ионов 69
4.3 Взаимодействие однотипных и неэквивалентных
оптических центров Рг3+ в кристалле Y2Si05:Pr + 72
4.4 Анализ экспериментальных кривых затухания
люминесценции в модели переноса и захвата на ловушки
энергии возбуждения примесных ионов 74
Глава 5. Нелинейная лазерная спектроскопия кристаллов Y2Si05:Pr ,
Lu2Si05:Pr3+, Gd2Si05:Pr3+ 80
5.1 Фотонное эхо на резонансных оптических переходах
примесных ионов Рг в кристалле Y2Si05 80
5.2 Температурная зависимость амплитуды двухимггульсного
фотонного эха в кристалле Y2Si05:Pr 85
5.3 Механизмы разрушения эхо-сигнала в кристалле
Y2Si05:Pr3+ 92
5.4 Фото стимулированная ап-конверсия квантовых уровней примесных ионов в кристаллах Y2Si05:Pr , Lu2Si05:Pr ,
Gd2Si05:Pr3+ 98
Заключение 107
Литература '. 109
Введение к работе
растущее практическое применение люминесцирующих материалов на основе специально активированных ионами переходных металлов и редкоземельными ионами широкозонных диэлектрических кристаллов делает их объектами интенсивных исследований [1-8]. Активированные кристаллы находят широкое применение не только в таких традиционных областях, как квантовая электроника и сцинтиляционная техника, В настоящее время наблюдается значительный интерес к активированным кристаллам, как резонансным оптическим средам для наблюдения когерентных переходных процессов, на основе которых возможно создание принципиально новых оптических запоминающих устройств и процессоров для параллельной обработки больших информационных потоков [9,10].
Несмотря на разные аспекты прикладного использования активированных кристаллов, центральным объектом внимания является примесный ион и его ближайшее кристаллическое окружение. Электронная структура примесного иона и его взаимодействие с кристаллическим окружением полностью определяет основные оптические и люминесцентные свойства примесного кристалла. Важнейшей характеристикой является энергетический спектр примесных ионов, непосредственно зависящий от особенностей структуры поля лигандов в катионных узлах. Для получения исчерпывающей информации о структуре энергетического спектра примесных ионов, наличии метастабильных энергетических уровней недостаточно использовать обычные методы спектроскопии оптического поглощения [11-15]. Неоднородное уширение оптических полос в спектре поглощения может скрывать многоцентровость, связанную с неэквивалентностью катионных узлов, и маскировать взаимодействие между неэквивалентными оптическими
центрами [11,12]. Для преодоления ограничений спектроскопии поглощения необходимо использовать современные методы лазерной селективной спектроскопии и спектроскопии с временным разрешением [11-14]. Для эффективного прикладного использования когерентных переходных процессов необходима информация о динамике оптических переходов между метастабильными энергетическими уровнями примесного иона [12,15]. Это, прежде всего, подразумевает знание времен энергетической и фазовой релаксации возбуждений на резонансных оптических переходах и величины дипольных моментов [12,14,15]. Поэтому, использование методов нелинейной оптической спектроскопии является практически необходимым на современном этапе исследования активированных кристаллов [11,12,14].
Кристаллы Y2Si05 (YSO), Lu2Si05 (LSO) и Gd2Si05 (GSO), относящиеся к семейству оксиортосиликатов с общей формулой RE2(SiC>4)0 (RE- элементыY, La-Lu) [16], обладают рядом уникальных свойств. Кристаллы оксиортосиликатов редких земель являются относительно новыми объектами исследования и уже сейчас в этом классе кристаллов найдены эффективные сцинтиляторы [17-19]. Кристаллы оксиортосиликатов обладают высоким оптическим качеством, широким диапазоном прозрачности, химической и фотохимической стабильностью. До начала исследований по диссертационной работе, данные по спектроскопии редкоземельных ионов, специально введенных в эти кристаллы были противоречивы и немногочисленны [20-22]. В зависимости от типа редкоземельного иона, кристаллы оксиортосиликатов принадлежат двум кристаллографическим типам [16,23]. В обоих случаях, кристаллическая решетка характеризуется двумя неэквивалентными катионными узлами с разной координацией по кислороду [23]. Однако реальная структура поля лигандов в неэквивалентных катионных узлах
остаётся неизвестной. Неизвестна, также, изоморфная ёмкость этих узлов по отношению к введению примесных редкоземельных ионов.
Ион празеодима чрезвычайно интересен по ряду причин. В его энергетическом спектре имеется несколько метастабильных энергетических уровней, что позволяет рассматривать схемы эффективной ап-конверсии его энергетических уровней под действием низкоэнергетических квантов накачки, а так же выбрать несколько пар резонансных оптических переходов для наблюдения когерентных оптических откликов [5,6,7,11,14,15]. Квантовые переходы внутри f-оболочки ионов празеодима обеспечивают многочастотную лазерную генерацию [22,24]. Ион Рг имеет хорошо сепарированный по энергии от других термов, терм lD2 [1,6,7], который может быть использован в качестве зонда для исследования микроструктуры поля лигандов катионных узлов.
Цели и задачи работы. 1 .Исследование закономерностей формирования оптических спектров поглощения примесных ионов Рг в кристаллах YSO, LSO, GSO. 2.На основе симметрийного анализа особенностей расщепления терма *D2 примесных ионов Рг получить количественную информацию о микроструктуре поля лигандов в катионных узлах кристаллов YSO, LSO, GSO.
3.Изучить изоморфную ёмкость неэквивалентных катионных узлов кристаллической решетки YSO при вариации концентрации примесных ионов Рг3+. Выяснить наличие взаимодействия между оптическими центрами Рг .
4.Исследовать механизмы разрушения амплитуды двухимпульсного фотонного эха на резонансных оптических переходах примесных ионов Рг в кристалле YSO.
5.Исследовать явление фотостимулированной ап-конверсии
энергетических уровней примесных ионов Рг3+ в кристаллах YSO, LSO и GSO под действием нерезонансной когерентной накачки.
Научная новизна.
Впервые установлено наличие двух оптических центров Рг3+,
обусловленных замещением примесными ионами неэквивалентных
катионных узлов в кристаллических решетках YSO, LSO и GSO.
Обнаружена квазисимметрия поля лигандов в катионных узлах кристаллов
YSO, LSO и GSO. В одном типе катионных узлов кристаллов YSO и LSO
для кристаллического поля лигандов наблюдается симметрия искаженного
октаэдра, а для другого типа искаженного тетраэдра. Поле лигандов в
кристалле GSO для обоих катионных узлов имеет симметрию искаженного
октаэдра. Установлено неравномерное заселение примесными ионами Рг3+
неэквивалентных катионных узлов кристалла YSO. Обнаружено
взаимодействие только между однотипными оптическими центрами Рг3+ в
кристалле YSO в интервале температур 1.5-80 К и вариации общей
концентрации примесных ионов в интервале 0.3-1.8 ат. %. Показано, что в
пределах катионного узла первого типа в кристалле YSO имеют место
термостимулированные туннельные переходы примесного иона Рг3+ между
минимумами адиабатического потенциала, определены параметры
туннелирования. Обнаружено и исследовано явление
фотостимулированной ап-конверсии энергетических уровней примесного иона Рг3+ в кристаллах YSO, LSO и GSO при нерезонансной оптической накачке.
Практическая ценность. Полученные результаты могут быть использованы в разработках новых оптических материалов, активных лазерных сред под диодную накачку и эффективных, быстродействующих сцинтилляторов для позитронных томографов и экспериментов по физике высоких энергий. Полученные
экспериментальные результаты позволяют вести целенаправленную разработку и создание новых оптических материалов на базе кристаллов оксиортосиликатов.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в
процессе выполнения диссертационной работы, обусловлена
неограниченной стабильностью объектов исследования и однозначной
воспроизводимостью результатов измерений, использованием
современных методов оптической спектроскопии и полной автоматизацией эксперимента, достаточностью экспериментального материала и прозрачностью его интерпретации, интегрированием полученных результатов в современные исследования других научных коллективов.
Автор выносит на защиту,
1. Результаты исследования оптических спектров поглощения примесных ионов Рг3+ в кристаллах YSO, LSO и GSO при вариации концентрации в интервале температур 1,5-80К.
2.Симметрийных анализ особенностей расщепления терма !D2 примесных ионов Pr + в неэквивалентных катионных узлах кристаллов YSO, LSO и GSO.
3.Результаты исследования особенностей затухания люминесценции примесных ионов Рг3+ при вариации их концентрации 0,3-1,8 ат.% в кристалле YSO.
4.Результаты исследования механизмов дефазировки резонансного оптического перехода 3Н4<-»3Ро примесных ионов Рг3+ в кристалле YSO.
5.Результаты исследования фотостимулированной ап-конверсии энергетических уровней примесных ионов Рг в кристаллах YSO, LSO и GSO при нерезонансной когерентной накачке.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы изложены в 7 статьях научных специализированных журналов и вынесены для обсуждения на следующие международные конференции: XVII Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (ICONO 2001) 2001, Минск, Беларусь; IX Международные чтения по квантовой оптике, 2003, С.-Петербург, Россия; ХШ ежегодная международная конференция по лазерной физике (LPHYS'04) 2004, Триест, Италия.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из Введения, пяти глав, Заключения и Списка цитированной литературы. Диссертация изложена на 117 страницах печатного текста, иллюстрирована 28 рисунками и 2 таблицами. Список цитированной литературы состоит из 101 источника.
Основные положения и выводы диссертационной работы: В работе исследованы оптические спектры, затухание люминесценции и динамика электронных переходов ионов активатора Рг3+ в кристаллах YSO, LSO и GSO, на основе анализа и обобщения экспериментальных результатов построена микроскопическая модель центров активации Рг3+.
1.Показано наличие двух типов оптических центров Рг+ в кристаллах YSO, LSO и GSO, возникающих в результате замещения двух неэквивалентных катионных узлов примесными ионами. Примесные ионы Рг3+ неравномерно заселяют неэквивалентные катионные узлы;
2,На основе анализа особенностей расщепления терма D2
примесных ионов Рг обнаружено сохранение квазисимметрии катионных узлов в кристаллах YSO, LSO и GSO. В кристаллах YSO и LSO, принадлежащих к одному кристаллографическому типу, в одном сорте катионных узлов наблюдается кристаллическое поле искаженного октаэдра, в другом - искаженного тетраэдра. В кристалле GSO,
относящемся к другому кристаллографическому типу, оба сорта катионных узлов имеют кристаллическое поле искаженного октаэдра;
З.При возрастании общей концентрации примесных ионов Рг3+ свыше 0,6 ат.% наблюдается отклонение закона затухания люминесценции
1-І-
примесных ионов в кристалле YSO:Pr от экспоненциального, что вызвано переносом и миграцией энергии электронного возбуждения. Наблюдаемая особенность проявляется для двух оптических центров при разной концентрации, что обусловлено неравномерным заселением неэквивалентных катионных узлов примесными ионами;
4.Миграция энергии электронного возбуждения примесных центров в кристалле YSO:Pr носит характер термостимулированной диффузии. В качестве ловушек энергии электронного возбуждения примесных ионов в кристалле YSO:Pr3+ выступают димеры примесных ионов;
5.У становлено, что при гелиевых температурах примесные ионы в
кристалле YSO;Pr испытывают термостимулированные туннельные переходы между неэквивалентными положениями в пределах одного катионного узла локализации;
6.У становлено, что высокая изоморфная ёмкость кристаллов YSO, LSO и GSO по отношению к активации РЗ ионами обусловлена относительной "рыхлостью" катионных узлов;
7.При нерезонансной когерентной лазерной накачке в кристаллах YSO, LSO и GSO с примесью ионов празеодима имеет место фотостимулированная ап-конверсия квантовых уровней Рг3+.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
1.Селективная спектроскопия примесных ионов Рг3+ в кристаллах Y2Si05, Gd2Si05, Lu2Si05 / Малюкин Ю.В., Борисов Р.С., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Гринев Б .В*, Знаменский Н.В., Маныкин Э.А., Орлов
Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // ФНТ,- 2000.- Т.26, № 12.-
С.1207-1213.
2.Природа центров активации в кристаллах Y2SiOs, Gd2S105 и Lu2Si05 /
Знаменский H.B., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина
Т.Г.» Малюкин Ю.В., Борисов Р.С., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н.,
Гринев Б.В. //ЖЭТФ.- 2001.- Т.120, вып. 2 (8).- С. 420-429.
3.Проявление квазисимметрии катионных узлов Gc^SiOs, Y2Si05 и
Lu2Si05 в спектрах примесного иона Рг3+ / Малюкин Ю.В., Борисов Р.С.,
Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Гринев Б.В., Знаменский Н.В.,. Маныкин
Э.А, Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // ФНТ.- 2001.- Т.27, № 7.-
С. 780-785.
4.Взаимодействие оптических центров Рг3+ в кристалле Y2SiOs /
Малюкин Ю.В., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н., Гринев Б.В., Знаменский
Н.В., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // ФИТ. -
2002.-Т.28}№ 1.-С. 73-78.
Echo-spectroscopy of TLS of multi-well adiabatic potential for Pr3+ activator centers in Y2Si05/ Yu.V. Malyukin R.S. Borysov P.N. Zhraurin A.N. Lebedenko B.V. Grinyov G.G. Grigoryan N.V.Znamensky E.A. Manykin Yu.V. Orlov E.A. Petrenko T.G. YukinaV/Proceedings of SPIE.- 8-261
Yu.V.Malyukin, P.N.Zhmurin, N.V.Znamensky, E.A.Petrenko, T.G. Yukina. Investigations of interaction of optical centers Pr3+ in a Y2Si05 crystal.// Proceedings of SPIE, V 5402, pp. 341-346, 2004
Ап-конверсия и перенос энергии возбуждения примесных ионов в кристаллах Y2Si05:Rr3+, Lu2Si05:Pr3+ и Gd2Si05:Pr37MunoKHH Ю.В., Жмурин П.Н., Лебеденко А.Н.,Масалов А. А., Знаменский Н.В., Маныкин Э.А., Орлов Ю.В., Петренко Е.А., Юкина Т.Г. // Квантовая электроника.-2004.-Т.34, № 7.-С-617-622.
