Введение к работе
Актуальность темы диссертации.
Спектроскопия кристаллов с примесными центрами неразрывно связана с прогрессом твердотельных лазерных систем. Кристаллические лазерные среды имеют несомненные преимущества перед газовыми, жидкостными и пленочными стабильность, фото- и термостойкость, удобство эксплуатации. Кристаллы, активированные ионами переходных металлов, обеспечивают получение при комнатной температуре, перестраиваемой по длинам волн генерации по ннзкопороговой 4-х-уровневой схеме в видимой и ИК области. Другим применением легированных металлами группы железа кристаллов является их использование в импульсных и квазинепрерывных лазерах в качестве пассивных лазерных затворов. В ближнем ИК диапазоне (1-2 мкм), важном для связи, медицины, промышленности, наиболее предпочтительными лазерными и фототропными свойствами обладают тетракоордшшроваиные ионы-активаторы, так как им, -благодаря отсутствию центра инверсии, присущи высокие значения сил осцилляторов оптических переходов. На
основе кристаллов с примесью тетракоординнрованных ионов Сг созданы лазеры,
излучающие в области 1.1-1.6 мкм, однако их недостатком является невысокая (по
сравнению с лазерами на ионах Сг , Ті ) эффективность генерации. Причины этого не
выяснены и могут быть связаны с процессами, происходящими в возбужденных состояниях активных ионов (особенно - с поглощением из возбужденного состояния). Как альтернатива хромсодержащим активным лазерным средам могут выступать
~ 2+ кристаллы с примесью тетракоординнрованных ионов Со , характеризующихся
широкими полосами люминесценции в диапазоне 0.6-1.5 мкм.
Чтобы вести целенаправленный отбор активных и пассивных лазерных сред а затем максимально реализовать их потенциальные возможности, необходима как можно более полная информация о спектрально-кинетических параметрах конкретных ионов переходных металлов в конкретной кристаллической матрице. При взаимодействии с интенсивным оптическим излучением, присутствующим в любой лазерной системе, значительное число оптически активных центров находится в возбужденном состоянии, что обуславливает важную роль протекающих в этих состояниях внутрнцентровых процессов : стимулированного ихчучения, поглощения из возбужденного состояния.
безызлучателыюы релаксации и других. Указанные процессы, и в первую очередь -
4+ поглощение из возбужденных состояний, для тетракоорднннрованных ионов Сг в
„ 2+ ...2+ кристаллах силикатов и Со , Ni в кристаллах шпинелей оставались практически
неисследованными.
Связь работы с крупными научными программами, темами..
Работа выполнена в рамках государственной межвузовской программы фундаментальных исследований "Лазер" Министерства образования Республики Беларусь, а также по проектам Фонда Фундаментальных исследований Республики Беларусь.
Цель и задачи исследования.
Целью работы являлось выяснение основных закономерностей и определение спектроскопических характеристик процессов, происходящих в возбужденных электронных состояниях тетракоорднннрованных ионов переходных металлов в хромсодержащіїх кристаллах силикатов и кобальт-, нпкельсодсржащих кристаллах шпинелей для оценки потенциальных возможностей использования их в качестве лазерных сред, генерирующих излучение в видимом и ближнем ИК-диапазонах, а также в качестве пассивных лазерных затворов. Достижение указанной цели было сопряжено с последовательным решением следующих задаа.
На основе исследований линейного поглощения и люминесценции в новых и малоизученных средах идентификация оптически активных центров : выяснение типа центров и их энергетической структуры; определение природы излучательных уровней, вероятностей переходов.
Исследование процесса насыщения поглощения и определение ненасыщающнхея потерь, а также значений поперечных сечений поглощения из основного состояния.
Измерение в широкой спектральной области и интерпретация спектров поглощения из возбужденного состояния (ЛВС) и стимулированного излучения (СИ). Определение соответствующих поперечных сечений.
Научная новизна полученных результатов. Следующие результаты получены впервые:
В широком спектральном диапазоне измерены и интерпретированы спектры
поглощения из возбужденного состояния ионов Сг в хромсодержащіїх кристаллах
форстерита, иттриевого и гадолиниевого силикатов. Дано объяснение причин
4+ 4+
невысокой эффективности генерации на кристаллах Mg2SiO,j:Cr и YjSiOjiCr , и
4+ указаны пути ее увеличения. Определены поперечные сечения ПВС и СИ ионов Сг в
кристаллах форстерита и итгрневого силиката.
о На основе проведенных спектроскопических исследований доказано существование в
легированном хромом кристалле силиката иттрия (YjSiOjiCr) оптически активных
примесных центров, отличающихся от тетракоординированных ионов Сг и излучающих в области около 1200 нм. о В результате исследования поглощения из возбужденного состояния в кристаллах магний-алюминиевой шпинели с никелем установлено, что ПВС в полосе
люминесценции препятствует получению генерации, на ионах Ni в кристалле MgAI204:Ni. На основе результатов изучения люминесценции кобальтсодержащих монокристаллов шпинелей MgAljC^'.Co и ZnGajO^'.Co, а также стимулированного излучения и
поглощения из возбужденного состояния ионов Со в кристаллах ZnGa204 Со
показана возможность получения генерации на переходах из возбужденного
4 2+
состояния Тц, тетракоординированного иона Со в легированных кобальтом
кристаллах цинк-галлиевой шпинели.
Практическая значимость полученных результатов.
Полученные данные способствуют развитию лазерной техники и технологии и могут применяться при разработке новых лазерных сред, для выбора направлений и способов оптимизации лазерных характеристик кристаллов, активированных ионами
„ 4+ _ 2+ ...2+ Сг , Со , Ni .
Экономическая значимость полученных результатов.
Результаты работы являются экономически значимыми в перспективе, так как закладывают фундаментальную основу будущих прикладных разработок.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту. 1. Полоса наведенного поглощения, обусловленная переходами из возбужденного
3_ ' 4+ 3_
состояния Т2 ионов Сг в состояние Tjt, перекрывается со спектром поглощения
из основного состояния в области около 1 мкм и с полосой стимулированного
4 излучения, что снижает эффективность генерации четырехвалентных ионов хрома в кристаллах форстерита.
2. Поглощение и люминесценция хромсодержащнх кристаллов силиката иттрия ^SiOj)
в видимом и ближнем ИК:диапазонах обусловлены оптически активными центрами
двух типов, одним из которых является четырехвалентный ион хрома в искаженной
тетрапозиции. Низкая эффективность и ограниченный спектральный диапазон
4+ генерации ионов Сг в кристаллах Y2Si05'Cr обусловлены поглощением из первого
возбужденного состояния в полосе люминесценции.
3. Благодаря высоким значениям полеречного сечения (>2хЮ см ) и эффективному
насыщению-поглощения тетракоординнрованных ионов Сг в полосах переходов из основного состояния Aj в возбужденное состояние Т|а, хромсодержащие кристаллы форстерита и силиката иттрия (Y2S1O5) могут использоваться в качестве пассивных
лазерных затворов о диапазоне 550-800 нм.
2+
4. В кристаллах MgA^O^Ni , характеризующихся большим временем жизни (0.4 мс) и
сравнительно слабым температурным тушением широкополосной ИК-люминесценции, получению генерации при комнатной температуре препятствует поглощение из первого возбужденного состояния в полосе люминесценции
октахоордннированных ионов Ni
5. Люминесценция в видимой и ближней ИК области (670, 950 и 1250 нм) легированных
кобальтом кристаллов магний-алюминиевой и цинк-галлиевой шпинелей обусловлена
4 2+
переходами из возбужденного состояния Т|Ь тетракоординнрованных ионов Со
Высокие значения сечения стимулированного излучения и отсутствие поглощения из
2+ возбужденного состояния ионов Со в полосе люминесценции около 670 нм
свидетельствуют о возможности использования кристалла ZnGa20,j:Co в качестве
активной лазерной среды при комнатной температуре. Личный вклад соискателя.
