Введение к работе
-3-
Актуальность темы.
Монокристаллы со структурой граната, активированные TRJ_f иона ми, широко используются в качестве активных сред твердотельных ла зеров. На основе кристалла иттрий-алюминиевого граната с неодимом WAT-Nd3* (Лрен =1.06 мкм) созданы импульсные и непрерывные. лазеры для использования в медицине, связи а также для различных тех нических применений.
В последние годы разработаны технологии для выращивания других классов гранатов. Среди них кристаллы кальций-ниобий- галлиевого граната (КНГГ) с температурой плавления 1460 С, что на 470 С ниже чем у ИАГ . Это позволяет применять для их синтеза безиридиевую технологию,что упрощает процесс выращивания этих кристаллов. Разупорядоченность кристаллической структуры кристаллов кальций-ниобий-галлиевого граната приводит к значительному неоднородному уширекию линий в спектрах Тк3+ ионов. ' Благодаря этому обеспечивается хорошее согласование спектров поглощения TR3+ ионов со спектром излучения лампы накачки. Это обстоятельство позволило получить на кристаллах KHTT-Nd3+ абсолютный кпд генерации более 3%t
превышающий кпд генерации активных элементов из кристаллов ИАГ-Nd3+ .
Для обозначенных выше практических применений, кроме неодимового, большое значение имеют лазеры, работающие в двухмикронной области спектра. К настоящему времени эффективная генерация в области двух микрон при комнатной температуре, в условиях широкополосной ламповой накачки получена на кристаллах ИАГ-Сг, Тт. Но и ИАГ-сг-Тт , а также на кристаллах скандиевых гранатов с Сг, Тт, Но. Генерациошше характеристики этих кристаллов во- многом
определяются происходящими в них процессами передачи энергии от ионов 0г3+ к ионам Tin34 и кросс-релаксации ионоб Тт . В настоящее время их изучением занимаются многие исследователи. В связи с этим является, неоомненно, актульной работа по изучению спектрально-кинетических свойств кристаллов КНГГ-Сг-Тт-Но, КШТ-Сг-Тт, КНГГ-Тт и возможности создания двухмикронных лазеров на их основе.
Целью диссертационной работы работы являлось исследование спектрально-кинетических свойств легкоплавких кристаллов разу-порядоченного кальций-ниобий-галлиевого граната с о , Тпг+ и Но3+ и возможности их использования в качестве активных лазерных сред для двухмикронной области спектра.
Для достижения поставленной цели в данной работе ставились и решались следующие задачи:
1. Исследование спектрально-люминесцентных свойств ионов Tm , Но3+ в кристаллах КНИГ (0.2 мкм< А< 2.5 мкм).
2.'Исследование процессов взаимодействия между ионами Сг3—>Тт3+ в кристаллах КНГГ-Сг-Тт (о.6 мкм< Лх0.8 мкм).
3. Исследование процесса кросс-релаксации ионов Тпг+ в кристаллах
КНГГ и сравнение его с аналогичным в ИАГ (о.7мкм< А. <о.9 мкм).
4. Проведение генерационных экспериментов на кристаллах
КНГТ-Сг3+-Тт3+-Но3+, КЖТ-Сг3+-Тт3+, КНГГ-ТтЭ+ при Т=300К в
условиях ламповой накачки в режиме свободной генерации.
Научная новизна
На основе проведенных спектрально-кинетических измерений
предложены новые активные лазерные среды на основе легкоплавких гранатов с Сг3+, Тт , Но3+ для получения генерации в двухмикронной области спектра. Проведено изучение процессов передачи энергии от ионов Сг3+ к ионам Тт3+ и кросс-релаксации ионов Тт3+ (-H4~-«3f4,-h6-.3F4) в кристаллах КНГГ. При ламповой накачке
в режиме свободной генерации получено стимулированное излучение на кристаллах КНГГ-Сг-Тт-Но, ИШТ-Сг-Тпі,- КНГГ-Тт. Практическое значение.
Полученные в работе результаты могут быть использованы при
создании твердотельных лазеров для двухмикронной области спектра
_ на основе легкоплавких кальций-ниобий-галлиевых гранатов с Сг3+,
Тт3+, Но3+.
Публикации.По материалам диссертации опубликованы 4 печатных работы и получено одно авторское свидетельство. Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Всесоюзном совещании-семинаре "Спектроскопия лазерных материалов" (Краснодар 1991), семинарах отдела ФТТ ИОФ РАН.
Личный вклад автора заключается в проведении экспериментов, обработке экспериментальных данных, интерпретации результатов и формулировке выводов (совместно с научными руководителями). Объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав,- заключения, списка литературы из 103 наименований и содержит 105 страниц (общий объем), 33 рисунка, 8 таблиц. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи диссертации, научная новизна и практическая значимость работы, излагается структура диссертации, а также приводятся сведения о публикациях и апробации работы.
Первая глава является обзорной. В ней приводится краткое описание кристаллической структуры граната, рассматривается особенности структуры кальций-ниобий-галлиевого граната, спектроскопические и генерационные свойства ионов Ncr в кристаллах КНГГ , а также спектрально-кинетические и генерацион-
чые свойства кристаллов различных гранатов с Сг , Тт3+, Но3+.
Во второй главе изложены методика и результаты исследования -.центрально-люминесцентных свойств ионов Тт3+ и Но3+ в кристаллах КНГТ.
в первом параграфе описаны методы и установки для проведший спектроскопических измерений.
В параграфах 2,3 описаны спектрально-люминесцентные своЗеиза кристаллов 'КШТ-Тт3+ и КЩТ-Но3+.
Показано, что из-за разушрядоченности крксггшиче сна* структуры кальций-ниоОии-галлиевого граната, линии в озакч-^зх поглощения и люминесценции ионов Tm3f и Но3+ значительно не-
ОДНОрОДНО уширены. ПРИВОДЯТСЯ СПеКТрЫ ПОГЛОЩеНИЯ КНПМйЗ'4 tfpf;
т=зоок для переходов 3н6-»3р3> Зн6-»3н4, Зн6->3н5, 3н6->3:^ Рае-читанные из спектров, интегральные сечения поглощения для s'EWsr ;зз-
реХОДОВ (Ojjjj^, ) В КНГТ-ТШ СООТВеТСТВеННО раВНЫ 2.49ЧО~18С;-. .
двухмикронной генерации на переходах 51?—*518 Но3+ и 3Р4-*3Н6
г.гБ'Ю'^см2, 1.5«10-18 см2, 1.7»1СГ18 см2. Для переходов 3Hg—»3Р3> 3Н&—»3Н5, 3Hg—»3F 'Tm3* интегральные сечения поглощения сравнимы с соответствующими в ИАГ-Тт3+. Исключением является переход 3Н6—»3Н., для которого ошт в КНГГ-Тт3+ в два раза больше чем в ИАГ-Тт . Анализируется спектр люминесценции с уровня 3Н. в КШТ-Тт , который при сТш> 0.5 ат.% участвует в процессе кросс-релаксации Тт3+ (%4—»3Р., 3h6->3f,), приводящего к увеличению на-.селенности на верхнем лазерном уровне р.. Приводятся спектры люминесценции с уровней 51„ ионов Но3+ и Зр. ионов Тш3+ в кристаллах КНГТ, которые являются верхними лазерными уровнями при получении
.3+
В третьей главе приводятся методика проведения кинетических измерений и результаты по изучению процессов безызлучательной
передачи энергии от ионов Сг3* к ионагд ТлЭ+ в КШТ и :сросс релаксации ионов Тт3+ (3Н,—»3Р.. 34g-»3H,) в КШТ и ИАГ.
В первом параграфе описана методика проведения кинеі и чэских измерений.
Во втором параграфе на основании литературных данных дана краткая общая характеристика.процессов мекконного взаимодействия.
Третий параграф посвящен результатам исследования процесса безызлучательной передачи энергии от ионов сР+ к ионам тт3+ в
кристаллах ИНТ. Возбуждение лшинесценции ионов Сг3+ на
уровэнь т2 осуществлялось перестраиваемым лазером на красителе
родамин 6Ж длинами волн 550нм и ЫТнм при'Т=эоок и Т=77К соответственно.
лужением на спектр свечения ионов Or3* спектра люминесценции
При исследовании кинетики затухания люминесценции с уровня 4То ионов Сг3+ в КНГГ-сг-тп), установлено, что во временном интервале 1MKC < t <55 икс она описывается в соответствии с законом Ферстера для случая диполь-дипольного моханизма взаимодействия меаду ионами. При т-зоок и т=77К расчитянн микропараметрн взаимодействия ионов Сг3+ и Тт3+ в КИТ яаСг*Тт' равные соответственно 1.27*ю""38 cMfcc_I и 7ЛЗ*ю"39 см6с . Показано, что невозможность описания кинетики распада возбужденного состояния 4Т2 Сі>3+ в соответствии с ферстеровским законом после 55 икс обусловлено'Hart н „3+
ионов Тпг
Для различных значений концентраций ионов CrJ и Тпг оценены' значения эффективности передачи энергии от ионое Or34 к ионам Тт3+
РоїмТт Таблица I).
В четвертом параграфе описаны результат:! исследования процесса кросс-ролаксации ионов 'Гт3' в кристаллах КНГГ и ИАГ. При ис-следовании кинетики затухания люминесценции о уровня -. Тпг в
ТаОлица х Значения эффективности процесса пэредачии энергии Сг3+-*тк34
*W*Tm и значвт5Я микропарамвтров передал' ода GlitVm в кристаллах КНГГ при т=зоок.
j ГІ5Г
і І39І
ИСГТ
2.Б
8.0
—
[ [151
вариацией вероятностей перехода-с уровня' н4 для различных типов
ЙЙТ-тя34"' (Ь'Тга=2.84*1019 см"3)' при резонансном вЬзОуі^ііии'длиной'волш 786НМ перестраиваемого твердотельного лазера на основе АІ20-: Ti3+ установлено, что она не является экспоненциальной. Показано, что эта невкслоненцивльшсть связана о вариацией вероятности: центров Тт3+ в КНГГ.
При'увеличении концентрации ионов Ттп3+ (0^2.84*1 о19 см ) в КНГТ-тт наблюдалось тушение люминесценции1, обусловленное процессом
кросс-релаксации Тт3+ (Зн.—»3F., 3Hg—f3F.). По интегральным
характеристикам кривых затухания люминесценции Тт3+ о уровня Зн.
опредёданв эффективность процесса кросс-релаксации' в кристаллах
КНГГ СтеЙлиЦЬ" 2). Для (образца ННГГ-Ттп3+ о концентрацией Тга
ї.ьг^ікз20 см~ кинетика распада возбужденного состояния' 3R\ Тт3+
описывается в соответствии1 с законом Ферстера для случая диполь-
дипольного' взаимодействия1 между ионами. Пріг этом1 значение
микропврвметра взаимодействия' СдатпнТт Равно З.гЭ'ИсГ39 см о" .
При увеличении концентрации йнов Тт (оТт>4*югосм- ) кинетика
{Ьасйада возбуіКденного состояния 3Н. Тт3+ в КНГГ-Тт не описывается
в соответствии с' ферстеровским законом для случая диполь-
дипоЖнЬго взаимодействия.
Для1 . Того чтобы выяснить связаны ли полученные особенности взаимодействий fm3+ в КНГГ со свойствами ионов Tff3+ или определяются особенностями структуры КНГГ, был исследован процесс кросс-релаксации в кристаллах ИАГ. Для ИАГ-Тга при концентрации е'тт= г.2*1 о19 см закон распада возбужденного состояния Зн4 Является экспоненциальным с временем распада "W542 їдке. Для
образца ИАГ-Тгл с .концентрацией Тт, равной 1.7* 10 см"0 закон
распадз возбужденного состояния 'к. опкеивается в cqote/" тствїгл с
законом Ферстера для случая диполь- дашлигого механизм-1
Таблица /^,,, Эффективность процесса кросс-релаксации РТпнТт в кристаллах КНГГ-Тт И ИАГ-Тт.
взаимодействия между ионами.
Однако, как и в случае кристаллов КНГТ-Tm , в кристаллах ІШ1-Тт при увеличении концентрации Тт свыше 4*10 см кинетика затухания люминесценции с уровня -. Тпг+ но описцвается в соответствии с законом Ферстера для случая дшоль-дипольного механизма взаимодействия.
Анализ кинетик затухания люминесценции с уровня ЭН+ ионов Тт3+ в кристаллах ИАГ и КНГГ при cTm>4*1020 см позволяет сделать вывод о вкладе более короткодействующего механизма взаимодействия между ионами Тт-3"1", чем дшголь-дипольный.
В качестве модели, где реализуется короткодействующий обменный механизм взаимодействия между тк ионами, исследовалась система ионов Eu-Yb в кристалле МАГ.
На основе исследований процесса Оезызлучательной передачи энергии Eu—>УЬ в кристаллах ИАГ проанализирован вид кинетик распада для случая короткодействующего обменного механизма безызлучателыгай передачи энергии.
В отсутствие ионов УЬ-3* кинетика затухания люминесценции с уровня 5DQ является экспоненциальной.с временем жизни т0=3.67 мс. В кристалле ИАГ-Eu-Yb с концентрацией Yb 4.17*ю20 см-3 закон рас-пада возбужденного состояния DQ также экспоненциален с временем распада %Q.
on о
Для образцов с суь> 4.17*1Сг см на начальном участке кинетики затухания люминесценции с уровня 5D„ EiP* наблюдается резкий спад, обусловленный обменным механизмом взаимодействия между ионами Еи3+ и Yb , который далее сменяется кривой, Слизкой по форме к экспоненциальной. Причем для образца с концентрацией ионов Yb , равной 6.95*1оси см начальний участок сменяется экспоненциальной кривой с временем жизни соотпзтстпупциу
радиационному времени жизни Еи3+ на уровне 5в0. При, увеличении концентрациями Yb, время распада на втором экспоненциальном участке меньше радиационного, что соответствует статическому распаду ионов Еи3+ для случая диполь- дипольного механизма взаимодействия ионов Eu—»Yb. Вследствие сильного уменьшения вероятности обменного взаимодействия с расстоянием и крайне малой величиной диполь- дипольного взаимодействия (лаЕи-»УЪ=1'4*10~42
с т
см с ) выделить участок статически- неупорядоченного (ферстеровского) распада при использовании имеющийся у нас аппаратуры не представлялось возможным.
Особенности обменного механизма взаимодействия, между ионами Eu-»Yb, отличные от закономерностей взаимодействия ионов Тт3+ в кристаллах ИАГ и КНТТ, а также результаты анализа кинетик распада возбужденного состояния Зн. Тш3+ в этих кристаллах- позволяют сделать вывод о другом короткодействующем механизме взаимодействия в канале Тт3+(3н.~-» F., 3F.--»3H6), в частности, квадруполь-квадрупольном.
В четвертой главе приводятся результаты по получению стимулированного излучения на кристаллах КНТТ-Сг3+-Тт3+-Но3+, КНГГ-Сг3+-Тт3+, КНГТ-Тт3+ при Т=ЗООК, в условиях ламповой накачки, в режиме свободной генерации.
В первом параграфе описаны результаты генерационных экспериментов в кристаллах КНТГ-Сг-Tm-Ho. В кристаллах КШТ-Сг3+-Тт3+-Но3+ при T--300K, при ламповой накачке, в режиме одиночных импульсов была получена тенерация на длине волны 2.09 мкм. Порог генерации составил бОДк.
Во втором параграфе приводятся результаты по получению генерации на кристаллах КНТТ-Сг3+-Тт3+. В кристаллах КНГГ-Сі-Тт получена генерация на длило волны 2.02 мкм. Порог генерации 122
Дж.
В третьем параграфе сообщается о генерационных исследованиях на кристаллах КНГТ-Тт-54. В кристаллах КНГГ-Tm при накачкн криптоновой лампой получена генерация на длине волш 2. Ой мк>.< энергией генерации в единичном импульсе 3.3 Дж. Показано, что лучшие генерационные параметры обеспечиваются при накачке, криптоновой лампой накачки чем ксеноновой (при прочих оданакових условиях в случае использования ксеноновой лампы накачки энергия генерации в импульсе составила 1.5 Дж.)
В заключении сформулированы основные результаты данной диссертации.
