Спектроскопические свойства и безызлучательные взаимодействия трехвалентных ионов иттербия, эрбия и церия в монокристаллах оксиортосиликатов кальция-гадолиния Ворошилов, Игорь Валерьевич

Введение к работе

Актуальность темы. Сфера применения лазеров в научно-;хнической деятельности человека с каждым годом неуклонно расши-нется. Появляются более жёсткие требования к параметрам, характе-истикам и конструкции лазерных излучателей. Это, в свою очередь, симулирует поиск и исследование новых активных сред, пригодных гся применения в лазерах.

В последние годы резко повысился интерес к кристаллам и стекам, активированным трёхвалентными ионами эрбия, для создания зёрдотельных лазеров с длиной волны излучения вблизи 1.5 мкм. По-уторамикронное лазерное излучение находит применение в ряде ин-знсивно развивающихся областей науки и технологии, например, в абельной оптической и направленной связи. Электромагнитное излу-ение вблизи 1.5 мкм наименее опасно для зрения (порог поврезвдения .8 Дж/см²) и перспективно для применения в офтальмологии. Безопас-ые для зрения лазеры требуются в технологии обработки металлов, альнометрии, локации и т.д.

Известно, что накопление энергии возбуждения на лазерном уров-е ⁴Іізд Ег³* осуществляется преимущественно (или полностью) через анал сенсибилизации. Известным сенсибилизатором ионов Ег³* являлся ионы Yb³⁺. Энергетические характеристики иттербий-эрбиевых азерных сред в решающей степени определяются эффективностью езызлучательного переноса энергии возбуждения Yb³⁺ -> Ег³*.

Несмотря на многообразие известных на сегодня кристаллических гатриц, реализованных каналов генерации и функциональных лазер-ых схем в кристаллах [3], на практике основным источником полуто-амикронного излучения являются эрбиевые лазерные стёкла, посколь-у именно в них достигается высокая эффективность переноса энергии Т>³⁺ -> Ег³*. Однако стёкла характеризуются невысокими тешіофизиче-

скими характеристиками, поэтому поиск кристаллических матриц дл полугорамикронных лазеров продолжается. Основная проблема здес состоит в том, что в иттербий-эрбиевой лазерной среде, при высоки уровнях накачки доноров, помимо полезных - прямо направленны процессов переноса энергии электронного возбуждения (3) (см.рис.1)

Е. xltf

см

3-І-

Ег*

Т

7/2

1/2

*Hi

f ? f

і І І

5 і

Г" 5/2

Г7/2

_4=±

-$&

ha у inn

43/2

15/2

Рис.1. Схематическое представление некоторых энергетических процессов,

происходящих в иттербий-эрбиевой лазерной среде при диодной накачке.

Толстыми сплошными линиями показаны индуцированные накачкой (1,6) ш

спонтанные (2,7) переходы, штрих-пунктирными линиями показаны процессы мног

фононной безызлучательной релаксации (МБР) (8,3), пунктирными - процессы перец

са энергии: сенсибилизация Yb->Er (3), кумулятивные процессы с участием урові

\м (4), обратный перенос Er->Yb (5), нелинейное тушение с участием ⁴1цд(9).

развиваются паразитные процессы (4),(5),(6),(9) и т.п., которые препя ствуют эффективному заселению лазерного уровня ^пяЕг³*. Наибол шее негативное воздействие оказывают указанные процессы с участие возбуждённого предлазерного уровня ⁴I_n/2.

Объект исследования. Для снижения роли этих процессов и обес-ечения высокой эффективности заселения лазерного уровня ⁴ІізлЕг³⁺ в ристаллах, необходимо, чтобы время релаксации ⁴Іц/2-^>4Ііз/2 составля-о наименьшую величину, по крайней мере, несколько микросекунд, ж в лазерных эрбиевых стеклах. Поэтому подходящие материалы для олуторамикронных лазеров следует искать среди кристаллов с разви-,ш фононным спектром, таких как кристаллы силикатов и боратов гдких земель.

Оказывается, однако, что в боратах многофононная безызлуча-;льная релаксация развита настолько, что квантовый выход люминес-гнции лазерного уровня существенно падает (около 1% в ScB0₃ [3]). В ) же время в кристаллах силикатов люминесцентное время жизни эовня ⁴1цд хотя и существенно снижается по сравнению с радиацион-ым, но остается на уровне десятков микросекунд. Как показывают ис-іедования, этого недостаточно для эффективного заселения лазерного эовня ⁴Ііз/2 [4,5]. Таким образом, в кристаллах боратов фононный іектр развит "излишне", а в силикатах - недостаточно.

Способом повышения скорости безызлучательного перехода н/2-^>4Ііз/2 является использование примесей-релаксаторов, в частно-"и ионов Се³* [б]. К началу исследований в известной нам литературе, юме упоминания самой идеи [6], отсутствовали какие-либо данные о шменении Се³⁺ для повышения вероятности релаксации предлазерно-> уровня ⁴1ц/2Ег³⁺. В качестве матрицы для системы активаторов Yb³⁺, г³⁺ и Се³⁺ был выбран кристалл оксиортосиликата кальция-гадолиния aGd^SiO^O. Кристаллы оксиортосиликатов обладают высокой изо-эрфной ёмкостью и способны сохранять структуру и оптическое ка-:ство при их одновременной активации различными ионами ряда лан-ноидов [7].

Связь темы с плановыми исследованиями. Тематика диссертаци онной работы непосредственно связана с планами научно исследовательских работ кафедры экспериментальной физики Кубан ского государственного университета, связана с госбюджетными тема ми: "Экспериментальные исследования спектральных, люминесцен т ных, кинетических и генерационных свойств активированных кристал лов на основе сложных оксидов и разработка новых высокоэффектив ных лазерных сред" Рег.№01.9.70 002917 Минобразования РФ, руко водитель работ - доцент Лебедев В.А. и "Разработка принципов и соз дание оптически активных сред для квантовых генераторов, плазмен ных дисплеев и ламп нового поколения" Рег.№01.9.80 003897 Миноб разования РФ, руководитель работ - доцент Аванесов А.Г., с темамі региональных грантов: РФФИ - Р2000Юг ''Спектроскопические и фи зико-химические исследования механизмов формирования и взаимо действия света в полуторамикронных кристаллических лазерных ере дах для стимуляции процессов кристаллизации винного камня и лазер ной пастеризации", руководитель работ - профессор Писаренко В.Ф. і Минобразования РФ - "Новые технологии синтеза лазерных монокри сталлов с заранее заданными свойствами ", (код проекта 2574), руково дитель работ - доцент Лебедев В.А., а также с темой разработок п приоритетным направлениям молодежных исследований Краснодар ского края "Исследование спектральных и генерационных свойств мс нокристаллов оксиортосилнкатов редких земель и разработка активны сред для экологически чистых 1.5 мкм лазеров", руководитель работ аспирант Ворошилов И.В.

Целью работы является проведение комплексных исследовани спектрально - люминесцентных и кинетических свойств монокристал лов оксиортосиликата кальция-гадолиния с иттербием, эрбием и церієм Yb³⁺,Er³⁺,Ce³⁺:CaGd₄(Si0₄)30 (Yb,Er,Ce:CGS).

Для достижения цели требовалось решить следующие задачи:

1. Изучить спектрально-люминесцентные свойства ионов Yb³⁺, Ег³⁺
Се³⁺ в монокристаллах CaGd4._x.y._zYb_xEr_yCe_z(Si04)30 со следующими

гехиометрическими коэффициентами:

1) х=0.03, у=0, z=0; 2) х=0.23, у=0, z=0; 3) х=0.3, у=0, z=0; 4) х=0.22, у=0, z=0.4; 5) х=0.21, у=0, z=0.8; 6) х=0, у=0.05, z=0; 7) х=0, y=0.045,z=0.4; 8) х=0, у=0.04, z=0.8; 9) х=0.3, у=0.03, z=0; 10)x-0.3,y=0.03,z=0.8.

1. Изучить процессы безызлучательных взаимодействий Ег^-Се^31-, Ъ³⁺-Се³⁺, Yb^-Er³^ Yb³⁺-Er³⁺(Ce³⁺) в монокристаллах Yb,Er,Ce:CGS.

2. Изучить зависимость эволюции населённостей предлазерного п/2 и лазерного ⁴1)зд уровней Ег³⁺ от присутствия ионов Се³⁺ в кри-галле CGS.

3. Проанализировать получешше результаты

Научная новизна исследований заключается в выборе нового объ-ета для сенсибилизированной иттербий-эрбиевой монокристалличе-кой среды, которая, в отличие от традиционных двухактивированных гтербий-эрбиевых сред, представляет собой кристаллическую матри-у, активированную не только ионами активаторов Ег³⁺ и сенсибилиза-эров Yb³⁺, но и ионами Се³⁺, обеспечивающими эффективную релак-щию возбуждений с предлазерного уровня ⁴1п_/2 на лазерный уровень п/2 ионов Ег³⁺.

Все полученные в работе экспериментальные результаты и выводы ІЛЯЮТСЯ новыми.

Положения, выносимые на защиту:

Интенсивностные характеристики, энергетические структуры и параметры безызлучательных взаимодействий оптических центров Yb³⁺, Ег³⁺ и Се³⁺ в монокристаллах Yb,Er,Ce:CGS. Ионы-релаксаторы Се³⁺ в лазерных матрицах эффективно безызлу-чательно взаимодействуют с переходом \т-%зп&³*, подавляют

эффект обратного переноса энергии Er^^Yb³* и обеспечивают высокую эффективность заселения лазерного уровня ⁴1₁з/гЕг³⁺.

3. В кристаллах Er,Ce:CGS безызлучательные взаимодействия уровней ⁴1ц/2 и ⁴1₁₃/2 иона Ег³* с Се³¹" осуществляется не только по традиционному механизму тушения на одиночных ионах Се³⁺, но и путём кооперативного тушения парами нонов Се³⁺.

4. Монокристаллы Yb:CGS и Yb,Er,Ce:CGS являются потенциальными средами для высокоэффективных лазеров с длиной волны гене рации 1.064 и 1.55 мкм

Практическая ценность диссертации определяется возможностьк использования результатов исследования для создания новых монокри сталлических сред для лазеров с уникальными параметрами, а именн< иттербиевых лазеров с длиной волны излучения 1.064 мкм и эрбиевы; кристаллических лазеров с длиной волны излучения 1.55 мкм.

Апробация работы и публикации:

Материалы диссертации были представлены на пяти междунарол ных и двух региональных конференциях:

Международная конференция аспирантов и студентов по фундг ментальным наукам "Ломоносов-99", МГУ, 21-25 апреля 1999 г. 1999Interaational Conference on Luminescence and Optical Spectro; copy of Condensed Matter *'ICL'99" August 23-27, 1999, Osaka, Japan

Sixth International Conference "Actual problems of Solid State EIe< tronics and Microelectronics" September 6-11, 1999, Divnomorckoy Russia.

-' Third International Conference "Single Crystal Growth, Strength Prol Jems, and Heat-Mass Transfer" (ICSC-99) September, 21-24, 1999, Ol ninsk, Russia

- "Advanced Solid State Lasers" Topical Meeting 2000 (ASSL2000) Fe
ruary 13-16,2000, Davos, Swiss

- 9 *

Региональная научно-практическая конференция молодых ученых "Современные проблемы экологии" гТеленджик, 27-29 сентября 1999 г.

Региональная научно-практическая конференция молодых ученых "Здоровье и здоровый образ жизни" г.Краснодар, Кубанская государственная медицинская академия, 4 декабря 1999 г. Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 іечатньїх работах и 2 отчетах о НИР. По материалам диссертации по-[ана заявка на изобретение, получившая положительное решение фор-іальной экспертизы.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка итературы, включающего 155 наименований. Работа содержит 131 траницу машинописного текста, в том числе 31 рисунок и lg таблиц.