Оглавление.
ВВЕДЕНИЕ..........................................................5
ГЛАВА 1. КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ, ФИЗИЧЕСКИЕ, СПЕКТРАЛЬНОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ И ГЕНЕРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ОКСИДНЫХ РАЗУПОРЯДОЧЕННЫХ КРИСТАЛЛОВ, АКТИВИРОВАННЫХ
РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ИОНАМИ (ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР)......................13
1.1. Группа кристаллических соединений - фианиты: физические свойства, особенности кристаллической структуры, спектрально-люминесцентные характеристики................................................13
1.2 Кристаллы кальций-ниобий-галлиевого граната (КНГГ): кристаллографические особенности, спектрально-люминесцентные и генерационные свойства........................................22
1.3 Кристаллы натрий-редкоземельных вольфраматов со структурой шеелита: физические свойства и спектральные характеристики.............29
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ, МЕТОДИКИ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И АНАЛИЗА РЕЗУЛЬТАТОВ...................36
2.1. Экспериментальные установки для спектральных, кинетических и генерационных исследований; методики проведения экспериментов.36
2.2. Методики расчета спектральных характеристик исследуемых кристаллов .42 ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ И СТРОЕНИЯ АКТИВАТОРНЫХ ЦЕНТРОВ Ш3* В КРИСТАЛЛАХ КУБИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ДИОКСИДА ЦИРКОНИЯ.............................46
3.1 Объекты исследования.......................................46
3.2. Спектры поглощения и люминесценции ионов Ш',+ в кубическом стабилизированном диоксиде циркония...........................46
3.3. Исследование локальной структуры оптических центров ионов Ыс!3* в кристаллах кубического стабилизированного диоксида циркония методом селективной спектроскопии.....................................52
3.3.1. Спектры люминесценции при температуре 77К и селективном возбуждении на переходе А^ггг-\п ионов Ш3+ в кристалле 1т02-
12мол%У2Оз-О.Змол%Нс!2С)з.......................................52
3.3.2. Кинетики затухания люминесценции уровня 4Р3/2 ионов Ш3+ в кристалле 2Ю2-12мол%У2Оз-О.Змол%Ш2Оз при селективном возбуждении
и температуре 77К...............................................57
3.3.3. Спектры люминесценции при селективном возбуждении и временном разрешении на переходе А1Рггг-\п ионов Ш3+ в кристалле гЮ2-12мол%У2Оз-
0.3мол%Ш2О3 59
3.4. Результаты..................................................60
3.5. Лазерная генерация на переходе 4¥зпг\\п ионов Ш3+ в кристалле ZrOт-12мол%У203-О.Змол%Кс12Оз при лазерной диодной накачке..........63
ГЛАВА 4. СПЕКТРАЛЬНО-КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МОНОКРИСТАЛЛОВ КАЛЬЦИЙ-НИОБИЙ-ГАЛЛИЕВЫХ ГРАНАТОВ,
АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ Тш3+.........................................67
4.1 Объекты исследования.........................................67
4.2 Исследование динамики заселения энергетических уровней ионов Тт3+ в кристаллах кальций-ниобий-галлиевого граната...................67
4.3 Спектры сечений поглощения, люминесценции, усиления на лазерном переходе получение лазерной генерации на кристалле КНГГ-.Тш при
лазерной диодной накачке.........................................77
4.4. Результаты..................................................80
ГЛАВА 5. СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ ДВОЙНОГО НАТРИЙ-ГАДОЛИНИЕВОГО ВОЛЬФРАМАТА ИаСбОУО^,
АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ Тш3+.........................................82
5.1. Объекты исследования........................................82
5.2. Спектрально-люминесцентные свойства ионов Тт3+ в кристаллах двойных вольфраматов ИаСб^О^...........................................83
5.3. Кинетики затухания люминесценции в кристаллах двойных вольфраматов NaGd(W04)2, активированных ионами Тш3+..........................86
5.4. Спектры усиления на переходе 3F4-3H6 в кристаллах NaGd(W04)2:Tm3+.89
5.5. Исследование генерационных свойств кристаллов NaGd(W04)2:Tm3+ при лазерной диодной накачке........................................91
5.6. Результаты........................................................94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................97
ЛИТЕРАТУРА...............................................................99
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в лазерной физике все большее внимание привлекают активированные редкоземельными ионами (ТЯ3*) кристаллы с разупорядоченной структурой, оптические спектры которых представляют собой неоднородно уширенные полосы поглощения и люминесценции, что при использовании лазерной диодной накачки дает ряд преимуществ перед кристаллами с регулярной кристаллической решеткой и лазерными стеклами. К преимуществам относятся.
Во-первых, лучшее согласование спектров излучения диодных источников накачки и поглощения активаторных Т113+ ионов, большая устойчивость к, вызываемому внешним воздействием, уходу длины волны накачки по сравнению с кристаллами, имеющими упорядоченную структуру.
Во-вторых, в разупорядоченных кристаллах лучше реализуется возможность перестройки длины волны лазерной генерации в пределах контура неоднородно уширенной линии люминесценции; при этом диапазон перестройки длины волны может достигать нескольких десятков нанометров. Наличие широких полос люминесценции также делает возможным получение ультракоротких импульсов генерации в режиме синхронизации мод.
В-третьих, по теплофизическим и механическим характеристикам разупо-рядоченные кристаллы превосходят промышленные лазерные стекла, которые также обладают широкими неоднородно уширенными спектрами поглощения и люминесценции активаторных ТЯ3+ ионов.
Одними из наиболее известных среди диэлектрических кристаллов с разупорядоченной структурой являются активированные кристаллы разупорядоченных гранатов: кальций-ниобий-галлиевых (КНГГ), кальций-литий-ниобий-
галлиевых (КЛНГГ), кальций-галлий-германиевых (КГГГ) и др.; кристаллы
двойных вольфраматов и молибдатов с формулой ЫаМщМущС^ (Мш - У, Сс1 ;
Муш - Мо), а также кристаллы диоксида гафния и циркония, стабилизирован-
ные иттрием (2г02-У20з, НЮг-У20з) и кристаллы других твердых растворов на основе Zr02 и НЮ2 (например, гЮг-СаО) и др.
В настоящей работе решалась актуальная на сегодняшний день задача поиска и исследования кристаллических лазерных сред с разупорядочснной структурой, обладающих подходящими спектральными свойствами и характеристиками для создания на основе этих сред эффективных перестраиваемых по частоте твердотельных лазеров с лазерной диодной накачкой и ультракороткой длительностью импульсов генерации.
В работе были исследованы кристаллы, активированные ионами Ыб3+ и Тт3+, которые традиционно привлекают пристальное внимание исследователей. На ионах Ш3+ созданы и промышленно выпускаются твердотельные лазеры ближнего инфракрасного диапазона спектра. Ионы Ыб3+ характеризуются удобной схемой электронных уровней, позволяющих осуществлять четырехуровневый режим работы лазера и получать генерацию на нескольких электронных переходах (4Рз/2-41ц/2, 411з/г) в ближней ИК-области спектра. Для накачки лазеров на основе ионов Ш3+ (в спектральном интервале 800-810 нм) разработан и промышленно выпускается широкий набор лазерных диодов на основе полупроводниковых структур АЮаАз.
Ионы Тт3*^ обладают схемой электронных уровней позволяющей реализовать трехуровневую схему лазерной генерации. Эти ионы традиционно используются для получения индуцированного излучения в спектральной области 1.85-
2.0 мкм на электронном переходе 3Р4-3Н6. Кроме того, накачка тулиевых лазеров возможна лазерными диодами на основе структур АЮаАэ, поскольку полоса поглощения иона Тт3+ находится в спектральной области 795-805 нм, и излучение диодов попадает в эту полосу.
Помимо сказанного, для ионов Тт3+ характерно существование процессов кросс-релаксации, посредством которых заселение верхнего лазерного уровня 3Р4 происходит с квантовой эффективностью близкой к двум, что положительно ска-
зывается на эффективности лазерной генерации.
На основе вышесказанного следует, что исследования спектроскопических и генерационных свойств ионов Ж3+ и Тт3+ в различных разупорядоченных кристаллах являются важным направлением для создания новых лазерных материалов.
Для исследований были выбраны три группы оксидных разупорядоченных кристаллов, структура которых существенно отличается друг от друга: кубический стабилизированный диоксид циркония ^Юг-УгОз-ШгОз), кальций-ниобий-галлиевый гранат (КНГГ), натрий-гадолиниевый вольфрамат (ЫаСс1(Ш04)2).
Цель диссертационной работы - поиск активных сред для лазеров ИК-диапазона (в области 1.0-2.0 мкм) с высокими спектроскопическими параметрами в классе оксидных кристаллов с разупорядоченной структурой.
Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:
- исследование спектроскопических свойств кристаллов: спектров поглощения и люминесценции ионов Ш3+ в кристаллах гЮг-У20з-Ш2Оз и ионов Тш3+ в кристаллах КНГГ и ЫаСс1(\У04)2, расчет сечений электронных переходов и измерение времени жизни возбужденных состояний ионов Ыс13* и Тт3+;
- исследование спектроскопических характеристик оптических центров ионов Ш3+, излучение которых представляет собой неоднородно уширенные спектральные линии, в разупорядоченных кристаллах 2Ю2-У20з-Кб20з;
- исследование динамики заселения электронных уровней ионов Тт3+ в ра-зупорядоченном кристалле КНГГ при стационарной лазерной диодной накачке;
- исследование генерационных свойств разупорядоченных кристаллов гЮг-УгОз-Ыс^Оз, КНГГ:Тт3+ и КаСб(\\Ю4)2:Тт3+ при лазерной диодной накач-
Научная новизна.
Впервые в кристаллах 7гО2-У20з-Ш20з методами селективной спектроскопии с временным разрешением выявлено наличие трех групп базовых оптических центров ионов Ш3+, отличающихся локальной структурой кристаллического окружения.
Проведен анализ заселенностей электронных уровней 3Н4, 3Р4, 3Н^ ионов Тт3+ в кристаллах КНГГ при лазерной диодной накачке на уровень 3Н4. Исследованы спектроскопические характеристики кристаллов КНГТ:Тш3+: сечения поглощения переходов 3Н6-3Н4 и 3Н6-3Г4, сечение люминесценции перехода 3Р4-3Н6, оценено Время ЖИЗНИ возбужденного СОСТОЯНИЯ Зр4. На переходе 3р4-3Нб ионов Тш3+ в кристалле КНГГ получена лазерная генерация в импульсном режиме при лазерной диодной накачке.
Впервые исследованы спектроскопические характеристики кристаллов
2 1
двойного натрий-гадолиниевого вольфрамата Ыа0с1(\У04)2:Тт : сечения поглощения переходов 3Н6-3Н4 и 3Н6-3Р4, сечение люминесценции перехода 3Р4-3Н6, времена жизни возбужденных состояний 3Н4 и 3Р4; получена лазерная генерация в импульсном режиме при лазерной диодной накачке.
Практическое значение. Полученные в работе результаты могут быть использованы при создании непрерывно перестраиваемых по частоте твердотельных лазеров с полупроводниковой лазерной накачкой и ультракороткими импульсами генерации, работающих в ближнем ИК спектральном диапазоне (1.06 мкм и 1.9-2.0 мкм). Лазеры, работающие в спектральной области 1.9-2.0 мкм, могут быть использованы в качестве источников излучения при создании лида-ров.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общий объем диссертации - 110 страниц, включая 33 рисунка, 10 таблиц и библиографию, содержащую 104 наименования.
Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, научная новизна и практическая значимость работы, излагается структура диссертации.
Первая глава представляет собой обзор литературных источников. В ней приведены сведения о физических свойствах, особенностях кристаллической структуры, спектроскопических и генерационных исследованиях кристаллов стабилизированного диоксида циркония, кальций-ниобий-галлиевого граната, двойных вольфраматов и молибдатов со структурой шеелита. Подробно рассмотрены преимущества выбранных материалов для применений в качестве активных элементов лазеров с диодной накачкой возможностью перестройки длины волны генерации и получения ультракоротких импульсов.
Во второй главе приведены схемы установок, на которых проводилась работа по исследованию спектрально-люминесцентных свойств кристаллов, активированных ионами N6^ и Тт3+. Там же приведены основные технические характеристики применявшихся приборов, обоснованы методики измерений и расчетов спектральных характеристик, которые проводились в настоящей работе.
В третьей главе рассмотрены спектроскопические свойства кристаллов стабилизированного оксидом иттрия диоксида циркония (фианит), активированного ионами Ыб3+: приведены спектры поглощения на уровни и люминесценции на переходах \ кинетики затухания люминесценции
уровня 4Рзу2- Регистрация проводилась при комнатной температуре и температуре жидкого азота. Приводятся результаты исследования взаимосвязи оптических свойств ионов Ш3+ со структурой локального кристаллического окружения в кристаллах фианита с использованием методов селективной спектроскопии с временным разрешением на электронном переходе 4Рзпг1\\а ионов Ш3+.
Четвертая глава посвящена изучению спектроскопических свойств (расчет сечений поглощения переходов 3Н6-Н4 и 3Нб-3р4, сечения люминесценции перехода 3Р4-3Н6, времени жизни возбужденного состояния 3Р4) кристаллов КНГГ, ак-
- Київ+380960830922