ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2004, том 97, № 2, с. 266-285
^ СПЕКТРОСКОПИЯ ^^^^^^^^^^^^^^
ТВЕРДОГО ТЕЛА
УДК 543.42
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИВИРОВАННЫХ ЭРБИЕМ КРИСТАЛЛОВ ДВОЙНОГО ФТОРИДА НАТРИЯ-ИТТРИЯ Na0.4Y0.6F2.2:Er3+.
I. интенсивности спектров и кинетика люмИнЕсценции
© 2004 г. А. М. Ткачук*, С. Э. Иванова*, M.-F. Joubert**, Y. Guyot**
*Государственный оптический институт им. С И. Вавилова, 199034 Санкт-Петербург, Россия E-mail: tkachuk@mail.rcom.ru **Laboratoire de Physico-Chimie des Matériaux Luminescents, Universite Lyon I, 69622 Villeurbanne CEDEX, France E-mail: joubert@pcml.univ-lyon1.fr Поступила в редакцию 03.12.2003 г.
Методом Стокбаргера-Бриджмена выращены кристаллы Na0.4Y0.6F22:Er3+ (NYF:Er) с содержанием эрбия до 100 ат. % (Na04Er06F22). Исследованы оптические спектры при низкой (6 К) и комнатной температурах. Показано, что в спектре поглощения кристаллов NYF:Er имеются широкие полосы в областях 790-801 и 965-980 нм, соответствующих излучению лазерных диодов. Значение пикового поперечного сечения поглощения ca для полосы с максимумом у X = 970.4 нм равно 0.15 х х 10-20 см2. На основании результатов анализа спектров поглощения и люминесценции при низких (6 и 12 К) температурах определена структура штарковского расщепления уровней эрбия как структура "квазицентров", для которых характерно неоднородное уширение штарковских компонент. Из спектров поглощения, исследованных при T = 300 K, рассчитаны силы осцилляторов переходов из основного состояния эрбия на возбужденные мультиплеты, методом Джадда-Офельта определены параметры интенсивности Ot : О2 = 1.65 х 10-20, О4 = 0.56 х 10-20, Об = 101 х 10 см2. С этими значениями параметров интенсивности рассчитаны вероятности излучательных переходов и коэффициенты ветвления. Сделаны оценки скоростей многофононных безызлучательных переходов (МФБП) в NYF:Er. Изучена кинетика затухания люминесценции с излучательных уровней эрбия при их селективном возбуждении наносекундными лазерными импульсами. Определены внутри-центровые времена жизни излучательных уровней эрбия по кинетике люминесценции при их селективном возбуждении в образце с низкой концентрацией эрбия (0.5 %) в условиях низкого уровня плотности мощности возбуждающего света. Показано, что с повышением температуры от 6 до 300 К люминесценция с уровней 4Gn/2, 2G(H)9/2 и 4Î9/2 тушится в результате МФБП. Люминесценция с уровня 4/9/2 с повышением температуры тушится незначительно, тушение с уровней 4/11/2 и 4/13/2 не наблюдается. Исследованы спектры стационарной люминесценции кристаллов NYF:Er (0.5-15%) при широкополосном (УФ и УФ-видимом) ламповом возбуждении и селективном лазерном возбуждении с временным разрешением. Показано, что нижележащие уровни эрбия, разделенные энергетическим зазором менее 2500 см-1, заселяются по каскадным схемам. Сделано заключение о перспективности использования кристаллов NYF:Er3+ в качестве активных сред перестраиваемых лазеров с диодной накачкой.
ВВЕДЕНИЕ
Прогресс в области создания мощных лазерных диодов для накачки волноводных генераторов и волоконных усилителей на активированных редкоземельными ионами (РЗИ) кристаллах и стеклах стимулировал интерес к разработке новых активных сред, оптически прозрачных в широкой области спектра, химически и радиационно устойчивых, перспективных для использования в микролазерах с накачкой лазерными диодами, и поиск кристаллов с широкими спектрами люминесценции, перспективных для лазеров, перестраиваемых по длине волны излучения.
Кристаллы Ка0.4У0.6Р2.2:Ш3+ (КУБ:Ш3+) известны как активная среда, в которой получены лазерное излучение на переходах 4^3/2 —► ( = = 11/2 и 13/2) и перестройка длины волны генерации в области 1.04—1.07 мкм [1, 2]. Оптические спектры кристаллов КУР:Ш3+ исследованы в [3], где показано, что спектры поглощения и люминесценции представляют собой полосы с неярко выраженной структурой межштарковских переходов. Это позволяет рассматривать кристаллы КУБ, активированные РЗИ, как перспективные активные среды для перестраиваемых твердотельных лазеров. Предварительные исследова-
ния кристаллов Ка0.4У06Б22:Бг3+ (КУБ:Бг3+) показали, что они перспективны для получения генерации в области 2.8 мкм при накачке лазерными диодами [4]. При ир-конверсионной ИК накачке кристаллы куб:бг, аналогично кристаллам УЬБ:Бг, эффективно излучают в области 550 нм вследствие процессов нелинейного взаимодействия возбужденных состояний [5].
В работе приводятся результаты детального исследования оптических спектров кристаллов Као.4У06Б2.2:Бг3+ при различных температурах (6, 12 и 300 К) и различных способах возбуждения люминесценции. На основании результатов анализа спектров поглощения и люминесценции при низких (6 и 12 К) температурах определена структура штарковского расщепления уровней эрбия. Исследованы спектры поперечных сечений поглощения при Т = 300 К, рассчитаны силы осцилляторов переходов из основного состояния эрбия на возбужденные мультиплеты, методом Джадда-Офельта определены параметры интенсивности Ог: 02 = 1.65 х 10-20, 04 = 0.56 х 10-20, 06 = 1.01 х х 10-20 см2. С этими значениями параметров интенсивности рассчитаны вероятности излуча-тельных переходов, коэффициенты ветвления и сделаны оценки вероятностей многофононных безызлучательных переходов (МФБП) для КУБ:Бг. Изучена кинетика затухания люминесценции с излучательных уровней эрбия при их селективном возбуждении наносекундными лазерными импульсами и определены внутрицентро-вые времена жизни излучательных уровней эрбия при различных температурах. Исследованы спектры стационарной люминесценции кристаллов КУБ:Бг (0.5-15%) с временньш разрешением при комнатной и низких температурах (6 и 12 К) и различных способах возбуждения: широкополосном (УФ и УФ видимом) ламповом и селективном лазерном возбуждении. Показано, что в зависимости от способа возбуждения в кристаллах КУБ:Бг реализуются различные способы заселения возбужденных уровней эрбия. Показано, что с увеличением концентрации вид спектров в области переходов на основное состояние деформируется в силу эффектов реабсорбции, поглощения из возбужденного состояния 4^3/2 и ир-кон-версии.
Сделано заключение о перспективности использования кристаллов КУБ:Бг3+ в качестве активных сред твердотельных перестраиваемых лазеров с накачкой лазерными диодами.
ВЫРАЩИВАНИЕ КРИСТАЛЛОВ
Кристаллы КУБ:Бг3+ (0.5-100 ат. % ) были выращены методом Стокбаргера-Бриджмена из шихты стехиометрического состава, приготовленной твердофазным методом. Синтез шихты
для выращивания кристаллов осуществлялся путем термического фторирования каждой из компонент с последующим плавлением смесей в атмосфере аргона с фторирующими добавками. Выращивание кристаллов проводилось в графитовых тиглях в условиях высокого вакуума. Монокристаллы хорошего оптического качества (моноблочные, прозрачные) имели диаметр 78 мм и длину 40-50 мм.
СТРУКТУРА
Кристаллы двойного фторида натрия-иттрия представляют собой кристаллы с неупорядоченной структурой типа твердых растворов и принадлежат к системе КаБ-УБ3. Кристаллы состава 2КаБ-3УБ3 имеют формулу Ка0.4У0.6Б22 [2]. Методами рентгенофазового анализа и рентгеност-руктурного микроанализа при исследовании различных участков монокристаллов обнаружено незначительное изменение постоянной кристаллической решетки а по длине монокристалла: от 0.5503 до 0.5499 нм для Ка0.4У0.6Р2.2 [6]. Показано, что соединения с флюоритовой структурой в системе КаБ-УБ3 не имеют стехиометрической дис-тектики и являются твердыми растворами с формулой N^5 - Д0.5++ 2х [7]. Границам устойчивости существования таких растворов в широком температурном интервале отвечают значения х в диапазоне 0.08-0.12. Кристаллы состава 2КаБ-3УБ3, имеющие формулу Ка04У0.6Р2.2, в дальнейшем будем называть КУБ.
Кристаллическая структура КУБ представляет собой модифицированную структуру флюорита (СаБ2), в которой 40% ионов Са2+ замещено ионами Ка+ и остальные 60% - ионами У3+. Кристаллы имеют кубическую структуру с постоянной решетки а = 0.5503 нм, число молекул в элементарной ячейке г = 4. Каждый катион расположен в центре куба из восьми анионов, и каждый анион окружен тетраэдром из катионов (Б-).
При активации кристаллов КУБ РЗИ последние изоморфно замещают ионы У3+ и занимают позиции с точечной симметрией £4. Матрица КУБ допускает активацию РЗИ первой половины лантаноидного ряда в высоких концентрациях, коэффициент вхождения неодима в кристаллы ОТБ:Ш3+ близок к единице (Кш = 0.85 [8]), коэффициент вхождения эрбия КБг = 1.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА
Концентрация эрбия в выращенных нами кристаллах КУБ:Бг контролировалась по результатам рентгеноспектрального анализа, проводившегося на электронно-зондовом микроанализаторе КАМЕБАКС фирмы КАМЕКА и по
данным спектрофотометрнческой методики определения средней концентрации эрбия в кристалле, изложенной в [8].
Спектры поглощения кристаллов NYF:Er записаны в спектральном диапазоне 5900-50000 см-1 (1.7 мкм-200 нм) на спектрофотометре PERKIN-ELMER Lambda-900. Стационарные спектры люминесценции записывались при широкополосном возбуждении ртутной лампой в УФ или УФ-види-мой областях, выделяемых светофильтрами на спектрометрической установке, собранной на базе двойного монохроматора ДФС-32 с регистрацией приемником излучения ФЭУ-62 и компьютерной обработкой сигнала.
Спектрально-кинетические характеристики кристаллов Na0.4Y0.6F22:Er3+ исследовались экспериментально на установке с временньш разрешением и селективным лазерным возбуждением при низкой (6 и 12 К) и комнатной температурах. Кинетика люминесценции регистрировалась на длинах волн излучения с возбужденных уровней
эрбия ^^ ^Я)^ ^з^ ^^ 4111/2 и 4l13/2. Спектры люминесценции записывались при селективном лазерном возбуждении уровней 2G7/2, 4S3/2 и 4I9/2. Для возбуждения люминесценции с перечисленных уровней были использованы три экспериментальные установки с импульсными лазерами, излучающими в УФ, видимом и ИК диапазонах.
Для возбуждения уровня 2G7/2 эрбия в кристаллах NYF:Er использовалась третья гармоника лазера QUANTEL на кристалле YAG:Nd (длительность импульса 10 нс, частота повто
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.