Введение к работе
Актуальность темы
Кристаллы со структурой граната, активированные редкоземельными (РЗ) ионами, широко применяются в качестве активных сред лазеров ближнего ИК диапазона длин волн. Широкое применение кристаллов со структурой граната в лазерной физике обусловлено тем, что они выгодно отличаются от многих других классов лазерных материалов изотропией свойств, высокой механической прочностью и теплопроводностью, а также хорошей оптической однородностью.
К настоящему времени проведено значительное количество исследований по изучению спектроскопических и структурных свойств кристаллов со структурой граната, активированных РЗ ионами. Результаты этих исследований представлены в многочисленных оригинальных статьях и значительном количестве научных обзоров [например, 1-7]. Эти результаты имеют важное значение для выбора оптимальной активной среды при получении эффективной лазерной генерации.
Среди лазерных кристаллов гранатов самое широкое практическое применение нашел иттрий-алюминиевый гранат, активированный ионами неодима (Y3Al5012:Nd). Генерацию в Y3Al5Ol2:Nd получают на переходе "Рз/2_Иімд ионов Nd3+ с длиной волны Х=1.06 мкм. На основе этого кристалла создано большое число импульсных и непрерывных лазеров для использования в промышленных технологиях, целях связи, геодезии, медицине и в научных исследованиях. Недостатком иттрий-алюминиевого граната является низкий коэффициент вхождения ионов Nd3+, что затрудняет получение кристаллов Y3Al50,2:Nd больших размеров с равномерным распределением неодима.
К настоящему времени известны и другие классы лазерных гранатов. К ним, например, относится гадолиний-скандий-галлиевый гранат с хромом и неодимом (Gd3(GaSc)5012:Cr, Nd) с высоким лазерным потенциалом. Интерес к этим кристаллам обусловлен более высоким, по сравнению с кристаллами
Y}Al50|2:Nd, коэффициентом распределения ионов Nd3+ и обнаруженной в них эффективной передачей энергии от ионов Сг3+ к ионам Nd3+ [8,9], существенно повышающей КПД генерации на переходе 4F3/2—»411|/2 ионов Nd3+.
Среди лазерных кристаллов со структурой граната можно выделить гранаты с температурой плавления около 1500 С, что значительно ниже, чем у Y3Al50i2 и Gd3(GaSc)50i2. К таким гранатам относятся кристаллы кальций-германий-галлиевого (Ca3(GeGa)50|2) и кальций-ниобий-галлиевого гранатов (Ca3(NbGa)50i2). В литературе имеются работы, в которых приводятся результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств как кристаллов Ca3(GeGa)50|2 [Щ, так и кристаллов Ca3(NbGa)50,2 [11-13].
Кристаллы Ca3(NbGa)50[2, активированные РЗ ионами, характеризуются разупорядоченнои кристаллической структурой, вследствие чего линии поглощения и люминесценции в них значительно неоднородно уширены. Данный факт делает привлекательным использование этих материалов для получения перестраиваемой лазерной генерации и генерации в режиме синхронизации мод.
Следует отметить, что любой генерационный эксперимент, как правило, базируется на результатах исследования спектроскопических свойств активированных кристаллов, которые однозначно зависят от особенностей структуры материалов. Решение задач, направленных на установление связей между особенностями структуры активированных кристаллов, их спектроскопическими характеристиками и рабочими параметрами лазеров, является важной составляющей современной физики твердотельных лазеров.
Лазерная генерация в кристаллических соединениях, активированных РЗ ионами, реализуется на оптических переходах между энергетическими уровнями частично заполненной 4f оболочки. Изучению спектроскопических характеристик f-f переходов РЗ ионов в различных кристаллах посвящено большое количество работ [например, 1-5,14]. Анализ этих работ показывает,
что интенсивность f-f переходов является структурно-зависимой величиной. Среди f-f переходов РЗ ионов особо выделяют переходы, получившие название сверхчувствительных. Эти переходы наиболее чувствительны к окружению РЗ ионов и смене лигандов.
Из обобщения результатов научных работ, посвященных исследованию спектроскопических характеристик в кристаллах со структурой граната, следует, что систематический анализ, направленный на выявление взаимосвязи между интенснвностями f-f переходов и особенностями локального окружения РЗ ионов в различных кристаллах этого класса, не проводился.
В соответствии с этим, целью настоящей работы являлось выявление взаимосвязи между особенностями локального окружения ионов Nd3+, Егн, Tm3+, Но3+, Dy3+ и их спектроскопическими характеристиками в кристаллах со структурой граната.
Для реализации поставленной цели в работе ставились и решались следующие задачи:
-
Определение спектроскопических характеристик (сил осцилляторов, параметров интенсивности, вероятностей переходов) редкоземельных ионов (Nd3\ Er3+, Tm3\ Но3+, Dy3+) в кристаллах со структурой граната (Y3Al5012:Nd, (GdY)3(Sc2Al3)0,2:Nd, Gd3(Sc2Al3)Ol2:Nd, Gd3Ga5012:Nd, (GdCa)3(GaZr)5012:Nd, Ca3(GeGa)50,2:Nd, Ca3(NbGa)5012:Nd; Y3Al5012:Er, Gd3(ScAl)50|2:Er, Gd3Ga50,2:Er; Y3Al50,2:Tm, Gd3Ga50,2:Tm, Ca3(NbGa)50J2:Tm; Y3Al50,2:Ho, Ca3(NbGa)5Ol2:Ho; Y3Al5Ol2:Dy, Gd3Ga5012:Dy, Ca3(NbGa)50,2:Dy);
-
Анализ механизмов сверхчувствительности для ряда внутрицентровых межмультиплетных f-f переходов РЗ ионов в кристаллах со структурой
граната;
3) Анализ излучательных вероятностей и коэффициентов ветвления f-f
переходов РЗ ионов (Nd3+, Er3+, Tm3+, Но3+, Dy3+) в кристаллах
различных гранатов.
Научная новизна и практическая значимость работы
Впервые были исследованы спектроскопические характеристики (силы осцилляторов, параметры интенсивности, вероятности излучательных переходов) кристаллов (GdY)3(Sc2Al3)0|2:Nd, (GdCa)3(GaZr)50|2:Nd, Gd3(Sc2Al3)0I2:Er, Gd3Ga50,2:Tm, Ca3(NbGa)5012:Ho, Y3Al5012:Dy, Ca3(NbGa)5Oi2:Dy.
Установлено, что более высокие значения сил осцилляторов для сверхчувствительных переходов 5l8-»5G6+5F|+3K8+5F2 ионов Но3+; 6Hi5/2—*6Fn/2 + 6Н9/2 ионов Dy3+, а также параметров интенсивности Q2 в кристаллах Ca3(NbGa)50|2:Ho, Ca3(NbGa)50,2:Dy обусловлены наличием в этих кристаллах оптических центров РЗ ионов с симметрией локального окружения С2, C2V, Сь
Проведен сравнительный анализ вероятностей излучательных переходов и коэффициентов ветвления люминесценции f-f переходов РЗ ионов (Nd3+, Er3+, Tm3+, Но3+, Dy3+) в ряде кристаллов со структурой граната.
Полученные в работе результаты по исследованию спектроскопических свойств кристаллов со структурой граната, активированных РЗ ионами (Nd3+, Er, Tm +, Но +, Dy3+), имеют практическую значимость, так как могут быть использованы в лазерной физике при создании твердотельных лазеров.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: 1. Результаты по определению поперечных сечений, сил осцилляторов,
параметров интенсивности, вероятностей излучательных f-f переходов
ионов Nd +, Er3+, Tm3+, Но3+, Dy3+ в перечисленных ниже кристаллах:
а) Y3AI50,2:Nd, (GdY)3(Sc2Al3)0,2:Nd, Gd3(Sc2AI3)Ol2:Nd,
Gd3Ga5012:Nd, (GdCa)3(GaZr)5012:Nd, Ca3(GeGa)5Ol2:Nd,
Ca3(NbGa)50I2:Nd;
б) Y3Al50,2:Er, Gd3(ScAl)50,2:Er, Gd3Ga50i2:Er, Ca3(NbGa)50I2:Er;
в) Y3Al50i2:Tm, Gd3Ga50,2:Tm, Ca3(NbGa)50i2:Tm;
r) Y3Al5012:Ho и Ca3(NbGa)50,2:Ho;
д) Y3Al50,2:Dy, Gd3Ga50,2:Dy, Ca3(NbGa)50,2:Dy.
-
Решение на основе полученных результатов основной задачи диссертации - выявление взаимосвязи между особенностями локального окружения РЗ ионов и их спектроскопическими характеристиками.
-
Определение механизма сверхчувствительности для ряда внутрицентровых межмультиплетных f-f переходов РЗ ионов (Nd , Ет3*, Tm3+, Но3+, Dy3+) в кристаллах со структурой граната. Апробация работы и публикации
По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ. Из них 2 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ и 5 тезисов докладов на международных и общероссийских конференциях. Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. Государственный контракт № 14.740.11.0071.
Результаты работы были представлены в виде докладов на следующих конференциях:
-
XVI-ой Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009» (Москва. МГУ им. М.В. Ломоносова. 2009);
-
8-ой Всероссийской конференции с элементами молодежной научной школы (Саранск. МГУ им. Н.П. Огарева. 2009);
-
XV-ой Научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов МГУ им. Н.П. Огарева (Саранск. МГУ им. Н.П. Огарева. 2011);
-
XIV-ой Национальной конференции по росту кристаллов и IV международная конференция «Кристаллофизика XXI века» (Москва. ИК РАН. 2010);
-
10-ой Всероссийской конференции с элементами молодежной научной школы (Саранск. МГУ им. Н.П. Огарева. 2011);
6. XVII-ой Всероссийской конференции «Оптика и спектроскопия конденсированных сред». (Краснодар. 2011г).
Личный вклад
Основные результаты работы получены автором лично, а именно: большая часть экспериментальных данных по исследованию спектрально-люминесцентных свойств кристаллов со структурой граната, активированных РЗ ионами (Nd3+, Er3+, Tm3+, Но3+, Dy3+), обработка экспериментальных данных, интерпретация результатов исследований и формулировка выводов (совместно с научным руководителем).
Кристаллы кальций-ниобий-галлиевого граната, активированного РЗ ионами, были предоставлены Еськовым Н.А; кристаллы скандиевых гранатов - д.т.н., зав.каф. химии и технологии кристаллов РХТУ им. Д.И. Менделеева Жариковым Е.В.; кристаллы Y3Al50i2:Dy и Y3Al5Oi2:Ho - д.ф.-м.н., зав. лаб.фурье-спектроскопии высокого разрешения Института спектроскопии РАН Поповой М.Н.; кристаллы Gd3Ga50i2:Nd и Gd3Ga50i2:Dy - к.х.н, зав.лаб. материалов электронной техники и оптики Кочурихиным В.В.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем диссертации 139 страниц, включая 23 рисунка, 36 таблиц и библиографию, содержащую 100 наименований.
