XV МЕЖДУНАРОДНЫЙ ФЕОФИЛОВСКИЙ СИМПОЗИУМ
УДК 535.374
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СМЕШАННЫХ КРИСТАЛЛОВ LiMeF4 (Me = Y, Lu, Yb), АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ Се3+
© 2014 г. А. С. Низамутдинов, Л. А. Нуртдинова, В. В. Семашко, С. Л. Кораблева
Казанский (Приволжский) федеральный университет, 420008 Казань, Россия E-mail: anizamutdinov@mail.ru Поступила в редакцию 18.11.2013 г.
Зарегистрированы спектры дифференциального усиления возбужденных кристаллов со структурой шеелита состава LiY1 _ xLuxF4 (x = 0—1), активированных ионами Ce3+, в диапазоне длин волн 295— 335 нм. Показано, что при изменении соотношения концентрации ионов Lu3+ и Y3+ в составе смешанных кристаллов удается управлять шириной полосы усиления оптического УФ излучения. Оценены сечения поглощения из возбужденного состояния на длинах волн люминесценции иона Ce3+, отношения вероятностей образования и термического разрушения центров окраски в зависимости от содержания ионов Y3+ в кристаллах LiY1_ xLuxF4. Наиболее высоким коэффициентом оптического усиления в сочетании с широкой полосой оптического усиления, не имеющей лакун, обладает кристалл LiLuF4 : Ce3+, соактивированный ионами Yb3+.
DOI: 10.7868/S0030403414050171
ВВЕДЕНИЕ
Знания о динамических процессах, индуцируемых в активных средах под действием интенсивного излучения накачки, можно использовать для совершенствования характеристик лазерных излучателей и других устройств квантовой электроники. Например, эти знания с успехом могут быть применены при организации режима синхронизации мод, модуляции добротности, увеличения эффективности и расширения полосы перестройки излучения лазеров [1]. Проведение "pump-probe" экспериментов позволяет не только оценить лазерный потенциал нового материала, но и исследовать динамические процессы, индуцированные интенсивным излучением накачки, количественно оценивая их параметры.
В настоящей работе приводятся результаты исследования спектральных зависимостей дифференциального коэффициента усиления зондирующего излучения для перспективных церийак-тивированных кристаллических активных сред УФ диапазона спектра состава LiLuF4(LLF) : Ce3+, LiYF4(LYF) : Ce3+, LiYxLu1 _ xF4 : Ce3+ (x = 0.3, ..., 0.9), а также для кристалла LiLuF4 : Ce3+, соакти-вированного ионами Yb3+ (LiLu0 99Yb0 01F4 : Ce3+).
ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования проводились методом зондирования возбужденных образцов пробным перестраиваемым по частоте излучением с использованием импульсных лазерных источников накачки и зондирования. При этом проблема их
синхронизации решалась применением одного мощного импульсного лазера LS2147 производства фирмы LOTIS TII, одновременно излучающего на длинах волн 1064, 532 и 266 нм. В эксперименте излучение с длиной волны 266 нм направлялось на водородный ВКР-преобразователь, первая стоксова компонента которого (300 нм) использовалась для организации канала накачки. Излучение с длиной волны 532 нм направлялось для накачки перестраиваемого лазера на растворе красителя феналемин 160 в этиловом спирте, преобразованное во вторую гармонику излучение которого (295—335 нм) использовалось для организации канала зондирования. Частота следования импульсов составляла 10 Гц, задержка излучения зондирования относительно излучения накачки составляла 3 нс. Все измерения проводились при комнатной температуре. В данной схеме плоскость поляризации излучения накачки всегда оставалась вертикальной, а поляризация излучения зондирования варьировалась разворотом оси резонатора лазера на красителе. Динамический диапазон изменения интенсивностей излучений в каждом из каналов составил не менее одного порядка по энергии.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Спектры усиления исследуемых образцов для различным образом поляризованных излучений накачки и зондирования представлены на рис. 1. Видно, что в случае я-поляризованных излучений накачки и зондирования (рис. 1а) для образцов, имеющих в своем составе ионы Ьи3+, коэф-
Рис. 1. Спектры дифференциального коэффициента усиления кристаллов ПЬи1_ хМехР4 : Се3+ (Ме = У3+, УЪ3+): ЫЬи1_ хУхР4 : Се3+ (х = 0 (О), 0.3 (•), 0.5 (V), 0.7 (■), 1 (□)); ЫЬи0.99УЪ001Р4 : Се3+ (Л, на рис. 1а с коэффициентом 0.2). (а) я-накачка, я-зондирование, (б) я-накачка, ст-зондирование, (в) ст-накачка, я-зондирование, (г) ст-накачка, ст-зон-дирование. Плотность энергии излучения зондирования составляла 0.035 Дж/см2, плотность энергии излучения накачки 0.62 Дж/см2.
фициент усиления принимает положительные значения во всем диапазоне длин волн люминесценции ионов Се3+ (примерно от 305 до 332 нм). Только для образца ЬУБ : Се3+ в исследованной области длин волн наблюдается поглощение зондирующего излучения с максимумом в области 314 нм. В случае ст-поляризованного излучения зондирования при я-поляризованной накачке (рис. 1б) коэффициент усиления в области коротковолнового пика оказывается значительно меньше в сравнении с этим же коэффициентом для я-поляризации зондирующего излучения, а поглощение в области 314 нм наблюдается для всех образцов, несоактивированых ионами УЪ3+. Образец ЫЬи099УЪ0.01Р4 : Се3+ обнаруживает усиление излучения зондирования во всем исследуемом диапазоне длин волн.
В целом, для образцов твердых растворов с частичным замещением катионов Ьи3+ на катионы У3+ (ЫУ05Ьи05Р4, ЫУ07Ьи03Р4) спектр усиления оказывается почти на 20 нм шире по сравнению с ЬЬБ : Се3+ и ЬУБ : Се3+. Так, со стороны коротких длин волн коэффициент усиления оказывается
тем больше, чем больше содержание ионов Ьи3+ в образцах. Это, вероятно, обусловлено большим стоксовым сдвигом и, следовательно, меньшим перекрытием спектров поглощения и люминесценции активных ионов в смешанных кристаллах, содержащих ионы Ьи3+. Преимущества смешанных кристаллов проявляются и в длинноволновой области полосы усиления (X > 320 нм). Для кристалла ЬЬБ : Се3+ для длин волн от 330 до 335 нм наблюдается поглощение, обусловленное центрами окраски (ЦО) Б-типа [2]. Для кристалла ЬУБ : Се3+ коэффициент усиления в этой области оказывается меньше по сравнению с кристаллами, содержащими ионы Ьи3+, в силу того что спектр люминесценции ионов Се3+ в этом кристалле смещен в сторону более коротких длин волн. По-видимому, в силу этих же причин для занимающих промежуточное положение смешанных кристаллов состава ЫУ05Ьи05Р4 : Се3+ и ЫУ0.7Ьи0 3Р4 : Се3+ в области длин волн более 320 нм наблюдается больший коэффициент усиления по сравнению с кристаллами ЬЬБ : Се3+ и ЬУТ : Се3+.
Подобные результаты получены и для ст-поля-ризованного излучения накачки. На рис. 1в и 1г видно, что для я-поляризованного излучения зондирования коэффициент усиления положителен почти во всем исследованном диапазоне длин волн для большинства образцов. Лишь для кристалла ЫЬиР4 : Се3+ начиная с 315 нм наблюдается наведенное поглощение, обусловленное наличием я-поляризованной полосы поглощения ЦО Б-типа [3]. В случае же ст-поляризации излучения зондирования для всех образцов наблюдается широкая полоса поглощения в области от 307 до 320 нм. Усиление излучения зондирования при данных условиях эксперимента для образцов, не-соактивированных ионами УЬ3+, наблюдается лишь в области от 322 до 330 нм, что соответствует длинноволновому ст-поляризованному пику в спектре люминесценции ионов Се3+ в этих кристаллах. Для образца ЫЬи099УЬ0.01Р4 : Се3+ наблюдается значительно больший коэффициент усиления в областях длин волн обоих пиков люминесценции ионов Се3+, однако и этот образец при данной ориентации оптической оси испытывает поглощение на длине волны 316 нм.
Спектры люминесценции, отражающие спектральные зависимости как спонтанных, так и вынужденных переходов при постепенном замещении ионов Ьи3+ ионами У3+ и УЬ3+ в смешанных кристаллах состава ЫЬи1_ ХУХБ4 : Се3+ и ЫЬи1_ хУЬхБ4 : Се3+, не обнаруживают значительных изменений, кроме смещения спектра в коротковолновую область из-за увеличения постоянной кристаллической решетки [4]. Поэтому наблюдаемые в измеренных спектрах усиления отличия обусловлены изменением спектров потерь, наведенных излучением накачки. Природа этих потерь двояка — это либо поглощение из возбужденного состояния 5d (ПВС) ионов Се3+, либо поглощение индуцированных накачкой ЦО.
Для того чтобы определить спектр наведенного поглощения в образцах, по формуле Эйнштейна (1а) [5] была рассчитана спектральная зависимость сечения вынужденных переходов 5d—4f иона Се3+ ст(Х). Затем по формуле (1б) были рассчитаны идеализированные спектры усиления
к|ат(^), обусловленные только вынужденными переходами 5d—4f ионов Се3+ и не учитывающие никаких других физических эффектов в активных средах:
ст(Х) = X 5/(Х)/ (8пп 2х гаас 1(№к), (1а)
(1б)
где X — длина волны, п — показатель преломления среды, тгай — радиационное время жизни состояния 5d ионов Се3+, с — скорость света, 1(Х) — ин-
тенсивность в исправленных на спектральную чувствительность регистрирующей системы спектрах люминесценции, ^ехс — населенность возбужденного состояния 5d иона Се3+. Количество возбужденных частиц ^ехс было оценено по поглощенной энергии излучении накачки и из анализа ки-нетик люминесценции ионов Се3+.
Разность между расчетными и экспериментально зарегистрированными спектрами усиления приведена на рис. 2 и представляет собой искомые спектры наведенного поглощения. В случае я-поляризованной накачки и я-поляризованного излучения зондирования (рис. 2а) для всех исследованных образцов наблюдается полоса наведенного поглощения с максимумом в области 308— 312 нм. Причем положение ее максимума смещается в длинноволновую область при увеличении содержания ионов У3+ в смешанных кристаллах ЫУхЬи1_ хБ4. Наиболее значительные отличия в спектрах наведенного излучением накачки поглощения наблюдаются в длинноволновой части исследованного диапазона. Так, для кристалла ЬЬБ : Се3+ наблюдается интенсивная полоса наведенного поглощения в области 330 нм, уменьшающаяся с увеличением содержания ионов У3+ и практически нерегистрируемая для кристалла ЕУБ : Се3+. В случае зондирования ст-поляризо-ванным излучением (рис. 2б) для образцов ЬЬБ : Се3+ и ЬУБ : Се3+ наблюдается широкая полоса поглощения с максимумом в облас
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.