Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Спектрально-лазерные свойства кристаллов с ионами NoP+ 13
1.1. Активные среды для низкопороговых лазеров 13
1.2. Интенсивность межмультиплетных генерационных каналов -ионов 29
1.3. Некоторые задачи оптики мелкодисперсных сред 37
ГЛАВА II. Кристаллы, экспериментальная аппаратура и методы измерений 53
2.1. Кристаллы для исследований 53
2.2. Экспериментальная аппаратура и основные методы измерений 68
ГЛАВА III. Спектрально-генерационные исследования кристаллов natrkozf nd34" (где ти = U ,Y и U) со структурой оливина 77
3.1. Измерение ме}кмультиплетных коэффициентов ветвления люминесценции 78
3.2. Изучение спектрально-люминесцентных свойств кристаллов с ионами 84
3.3. Инфракрасное стимулированное излучение на переходах каналов Гз/д 1М\% и г г/г Ub/Z
ионов Nd в монокристаллах INabxalreU*, и
NaUGeO, 101
ГЛАВА IV. Комплексные исследования спектрально-генераци онных характеристик смешанных фторидных кристаллов 106
4.1. Расчет параметров интенсивности межмультиплет-ных переходов I К- -ионов в лазерных кристаллах 107
4.2. Методические особенности спектральных исследований мелкодисперсных кристаллических сред с ионами Экспериментальные данные 110
4.3. Спектроскопия и стимулированное излучение ионов |\1о1 в разупорядоченном тригональном кристал ле GdRrCaFz 118
ГЛАВА V. Поисковые исследования кристаллов с ионами nc|3+ для низкопороговых лазеров 133
5.1. Изучение спектрально-генерационных свойств соединения ШЩ-ШК 133
5.2. Исследование спектрального поведения ионов Nd в кристаллах NayYSufQjfc с разупорядоченной структурой 160
Выводы 176
Заключение 178
Литература 179
- Интенсивность межмультиплетных генерационных каналов -ионов
- Изучение спектрально-люминесцентных свойств кристаллов с ионами
- Методические особенности спектральных исследований мелкодисперсных кристаллических сред с ионами Экспериментальные данные
- Исследование спектрального поведения ионов Nd в кристаллах NayYSufQjfc с разупорядоченной структурой
Введение к работе
В истории развития квантовой электроники лазеры на основе примесных диэлектрических кристаллов занимают особое место. Они доказали свое право на. жизнь, найдя разнообразное применение в науке и технике, и в настоящее время составляют одно из перспективных направлений теоретической и экпериментальной физики. В лазерных кристаллах в качестве активаторов, обеспечивающих им генерационные свойства, используются ионы редкоземельного ряда (ТИ ) и группы железа (
Первый твердотельный лазер был создан в I960 г. на основе синтетического рубина /Чсг(/з~Сг (~0,69 мкм) [IJ . В кристаллах с I К, -ионами генерацию стимулированного излучения (СИ) впервые получили на флюорите Са гд, , активированном 5 т, , в 1961 г. (~0,7 мкм) [2 J . В том же году было сделано сообщение о создании лазера на основе шеелита Саи/Ц. с трехвалентными ионами N с\ (^1 мкм) [з] . Впоследствии ионы стали и в настоящее время являются наиболее используемыми активаторами в лазерах на основе диэлектрических кристаллов и стекол J4] .
Специфика электронного строения трехвалентных редкоземельных ионов (л 4 -конфигурация) обеспечивает в кристаллах разнообразную структуру их энергетических уровней, на основе которой могут быть реализованы различные варианты трех- и четырехуровневых, а также более сложнкх - каскадних рабочих схем для возбуждения СИ [5,б] . В частности, четырехуровневые лазерные схемы позволили получить генерацию СИ при комнатной температуре для большинства -ионов. Все это в сочетании с большим фактическим материалом, накопленным в ходе спектроскопических исследований названных ионов в различных средах, определило перспективность и_ наибольшую их используемость как активаторов лазерных диэлектрических кристаллов. В настоящее время на основе
.-..-.5.-. ~250 кристаллических матриц создано ~ 500 лазерных кристаллов, большинству из которых генерационные свойства и придают эти ионы95', их линии генерации перекрывают спектральный диапазон от ~0,17 до ~5 мкм [7J ... На рис.1 приводится диаграмма используемости I К -ионов в качестве активаторной примеси в лазерных диэлектрических кристаллах. На первом месте по применимости находятся ионы ., обнаружившие способность к генерации СИ в ~195 соединениях. Упрощенная схема энергетических уровней ионов показана на рис.2. Особенность неодима как а.ктива.тора лазерных кристаллов состоит в том, что он обладает одним метаста-бильным состоянием Гъ/х* люминесцентный распад которого (~10~ -
о т
10" с ) с квантовым выходом близким к единице осуществляется на штарковские компоненты нижайших мультиплетов | g/o-iSlz* ^и
ЭТОМ, Коэффициент ВеТВЛеНИЯ ЛЮМИНеСЦеНЦИИ На ОДИН ИЗ НИХ - Iff At
лежащий по шкале энергий на ~2000 см х над основным уровнем, составляет более 50%.. Этот канал излучения гз/г""5" Іи/z » который в физике лазерных кристаллов принято условно называть основным, у ионов Net обеспечивает генерацию СИ по четырехуровневой функциональной схеме. Интенсивные абсорбционные переходы на ряд мультиплетов, расположенных выше метастабильного до энергии
~20000 см , обеспечивают эффективную накачку применением Де -импульсных источников и ламп непрерывного горения. Все эти факторы приводят к тому, что большинство кристаллов с ионами имеет на волнах этого канала ( Я-г « 1,06 мкм) низкие пороги возбуждения -СИ.при.комнатной>температуре, т.е. в условиях наиболее
х) Во введении и главе I. статистические данные по лазерным кристаллам. приведены по работам, опубликованным на I сентября 1983 г.
6.
«о к.
1\
і г і г
П 1U і U Q-l
Рг^ Nd" Sm" Ea" ТЬ" D/+ Но" fr" Tm" Yb'
ТГ) IV -ИОЇ
Рис.1. Применение I К- -ионов в лазерных кристаллах,
генерирующих при использовании обшной техники ламповой накачки.
т.
И т т т
4С Гз/2
О"} О Юсхэ
2 О
ltf/2 І9/2
Рис.2. Упрощенная схема уровней ионов
N*!
з+
подходящих для решения прикладных задач [4J . Дополнительный лазерный канал ( Лг«*1,33 мкм), соответствующий переходу
гзД~** ЛзД» также характеризуется небольшими значениями пороговой энергии накачки., Канал Ы/г** їдь является резонансным. Это требует при возбуждении. СИ охлаждения кристалла. Данному лазерному каналу свойственны относительно высокие пороги. Генерация на переходе іг/хГ^ liS/z получена только у одного кристалла
Развитие физики лазерных кристаллов свидетельствует, что наиболее перспективными оказываются соединения, позволяющие возбуждать низкопороговую генерацию СИ при комнатной темпера.туре и использующие обычные ламповые источники накачки. Среди большого числа лазерных диэлектрических кристаллов широкое применение находят только те из них, которые наиболее полно удовлетворяют всем требованиям квантовой электроники и лазерной техники. Ведущее место в ряду генерирующих кристаллов с ионами /їй в настоящее время занимают гранат h^^S^Z * ортоалюминат YALUj и ряд других анизотропных кристаллов [4-6 J . Генерацию СИ обнаружили у первых в 1964 г. . [8J , а у вторых - в 1969 г. [9J . Если придерживаться классификации лазерных кристаллов по |5,б] , где они разделяются на упорядоченные и разупорядоченные, оксидные, фторидые и прочие, то "195 известных лазерных кристаллов с ионами IN ел. по перечисленным типам передает диаграмма, показанная на рис.3. Из нее видно, что наиболее многочисленньм является класс оксидных соединений с упорядоченной структурой. Большинство из них является одноцентровыми кристаллами, характеризующимися высокими значениями поперечного сечения генерационных переходов. Простые фторидные соединения имеют область оптической прозрачности, значительно превосходящую ее же у оксидных кристаллов. Поперечные сечения их генерационных переходов несколько меньше,
9.
g 50 ф
I *
ЗО 20
U D
Рис. 3. Распределение лазерных кристаллов, активированных
ионами , в соответствии с классификацией [б,6J : а - простые, оксидные кристаллы с упорядоченной
структурой;
б - оксидные кристаллы с разупорядоченной -структурой; в - простые, фторидные кристаллы с упорядоченной
структурой; ...
г - смешанные фторидные кристаллы с разупорядоченной
.... структурой;
д - прочие кристаллы.
а, следовательно, пороги возбуждения СИ у них выше, чем у кис-лородосодержащих соединений с упорядоченной структурой. Но эти кристаллы вследствие - большого времени жизни метастабильного состояния гз/д имеют высокие коэффициенты запасания энергии электронного возбуждения на его уровнях. Разупорядоченные фториды и оксиды примерно одинаковы по численности. Смешанные фторидые лазерные материалы по своим спектрально-генерационным свойствам стоят между кристаллами.и стеклами, превосходя последние по теп-лофизическим параметрам. Значительная эффективная ширина линии люминесценции и достаточно большое излучательное время жизни уменьшают поперечные сечения их лазерных переходов. Однако, смешанные фторидные соединения характеризуются низким нелинейным показателем преломления и высокой эффективностью использования энергии накачки. Здесь важно отметить, что к этому классу относятся самые высокотемпературные лазерные кристаллы, т.е. такие, которые генерируют при температуре в несколько раз превышающей комнатную. К тому же современная техника ростового эксперимента позволяет выращивать фторидные соединения более крупных размеров, чем большинство оксидных. Разупорядоченные оксидные материалы также характеризуются большой эффективностью использования энергии возбуждения, кроме того, имеют значения поперечного сечения, превьшающие эту же величину у смешанных фторидных кристаллов. К прочим условно отнесен немногочисленный ряд соединений, среди которых и несколько низкопороговых, содержащих в качестве анионов хлор, бром, а также серу и кислород или фтор и кислород.
Таким образом, все известные классы лазерных материалов с ионами представляют определенный интерес для решения различных задач квантовой электроники. Поэтому широкий поиск новых лазерных кристаллов с ионами \\d и изучение их спектроскопических свойств, обуславливающих в них возбуждение и протекание
- II -
СИ, являются актуальными с научной и прикладной точек зрения.
Изложенное выше, а также программа поисковых исследований лазерных кристаллов в Институте кристаллографии им.А.В.Шубнико-ва АН СССР, обусловили выбор темы настоящей диссертационной работы.
Целью работы являлось:
Поиск и спектроскопическое исследование новых низкопороговых лазерных кристаллов с ионами , способных генерировать СИ при 300 К с использованием обычной техники ламповой накачки .
Разработка спектроскопических методов анализа интенсив-ностных характеристик излучения ионов Not в кристаллах, находящихся в мелкодисперсном состоянии.
Комплексное изучение абсорбционных и люминесцентных свойств, обуславливающих эффект генерации СИ ионов ІчоІ в кристаллах
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и заключения. Первая глава - обзорная, она состоит из трех частей. Первая посвящена рассмотрению различных классов низкопороговых кристаллических систем с ионами nd , позволяющих возбуждать генерацию СИ при комнатной температуре с ламповой накачкой. Во второй части коротко, излагаются современные методы определения интенсивности переходов / К- -ионов в кристаллах. Третья часть содержит сведения о способах определения оптических характеристик мелкодисперсных сред.. Вторая глава посвящена структурно- физическим свойствам исследуемых кристаллов и описанию экспериментальной аппаратуры и методов исследования. В третьей главе представлены результаты комплексных спектрально-люминесцентных и генерационных исследований лазерных кристаллов NalrlbeU^"iicl со
структурой оливина. Четвертая глава посвящена подробному изучению спектроскопических свойств смешанных фторидных кристаллов
, включающему анализ интенсивностей переходов активаторных ионов. Особое внимание в этой главе уделено возможности исследования примесных соединений, осуществляемого на микрокристаллических образцах. Здесь приводится описание методики измерения коэффициентов поглощения ионов nd в кристаллах по спектрам пропускания плотноупакованных слоев мелкодисперсных кристаллов. Пятая глава содержит сведения о результатах поисковых исследований низкопороговых лазернрх кристаллов 1\1-0((^у^)^ f
, активированных ионами ,здесь также приведены данные подробного абсорбционно-люминесцентного анализа А/%/ 5^Цг~Па .
В основу диссертационной работы легли результаты исследований, выполненных в Институте кристаллографии АН СССР в соответствии с общим планом работ АН СССР по теме "Разработка и исследование активных сред лазеров на основе примесных кристаллов и стекол" (Гос. per. №81087560). Большинство изученных в диссертации соединений было выращено в Институте кристаллографии АН СССР под руководством д.х.н. Соболева Б.П., к.х.н. Тимофеевой В.А. и к.г.-м.н. Демьянец Л.Н.. Молибдаты и вольфраматы получены к.т.н. Павлюком А.А. с сотрудниками в Институте неорганической химии СО АН СССР.
- ІЗ -
Nd3+
Интенсивность межмультиплетных генерационных каналов -ионов
Целью предлагаемого обзора является краткое описание еостоя-ния дел в тех областях физики лазерных кристаллов, в которых реша-лись задачи, поставленные в диссертационной работе. В первой его части рассматриваются низкопороговые лазерные соединения с ионами для получения генерации СИ по простым функциональным схемам при комнатной температуре с использованием неселективных источников накачки. Вторая часть обзора посвящена современным методам определения интенсивности переходов I И ионов в кристаллах. Последняя часть содержит сведения о достижениях в области изучения оптических характеристик веществ, находящихся в мелкодисперсном состоянии, и включает анализ возможности.исследования активированных кристаллов методами спектроскопии светорассеивающих сред. I.I. Активные среды для низкопороговых лазеров. Проблема поиска соединений для низкопороговых лазеров, способных генерировать при комнатной температуре с использованием обычной техники ламповой накачки относится к числу наиболее актуальных. Задача возбуждения генерации СИ с низким порогом (EjJ тесно связана с созданием в лазерной среде большого усиления при минимальной энергии накачки. Коэффициент усиления оС\) лазерной среды на частоте ") определяется простым выражением где О є - поперечное сечение генерационного перехода и А N -число возбужденных активных ионов, характеризующее степень инверсии населенности его уровней. Формула (І.І) указывает на две возможности увеличения коэффициента усиления. Первая сводится к созданию высокой концентрации ионов-активаторов, находящихся в воз бужденном состоянии. В случае большинства кристаллических систем с ионами этому препятствует специфика строения их энергетических уровней и протяженность фононного спектра матрицы-основы, приводящие к резкому спаду длительности люминесценции (концентра.-ционному тушению) при высокой концентрации активатора ( 10с см ). Основным механизмом, ответственным за концентрационное тушение в таких соединениях с ионами Nd , согласно [см. например, 10 J, признано явление кросс-релаксации с участием пе-реходов vs/z li5jz и І9/2 і/5/г » а также процессы миграции энергии, эффективность которых увеличивается с уменьшением рассто-яния между взаимодействующими ионами .
Второй способ увеличения коэффициента усиления заключается в использовании для возбуждения СИ кристаллов с большим значением поперечного сечения генерационного перехода. Распространенным методом определения этого параметра является спектрально-люминесцентный, основанный на измерении вероятности спонтанного перехода, (коэффициента Эйнштейна для спонтанного излучения) и связанной с ним ширины линии люминесценции, на волне которой возможно возбуждение лазерной генерации. При таком рассмотрении выделяют два типа контуров спектральных линий - однородно и неоднородно уширенные. Если в процессе активирования лазерного кристалла примесные ионы замещают один тип ионов решетки, находящихся в эквивалентных позициях, то активаторные центры {Щ) - тождествены, и их спектральные линии представляют собой множество одинаковых по положению и контуру линий. Уширение при этом является однородным. Такой случай реализуется в,одноцентровых кристаллах с упорядоченной ж) К настоящему времени найдено несколько высококонцентрированных неодимовых лазерных кристаллов с ослабленным концентрационным тушением люминесценции. структурой. Пиковое поперечное сечение определяется по формуле Фюхтбауэра-Ладенбурга, которую для этого случая можно записать где А м - вероятность спонтанного перехода L j , П - показатель преломления кристалла на волне Я lj и A J д - ширина линии люминесценции. В том случае, когда АЦ в кристалле характеризуются слегка различающимися частотами и контурами полос люминесценции, тогда уширение последних является неоднородным. Таким типом уширения линий обладают разупорядоченные кристаллические системы, в которых, в общем случае, имеет место статистическое распределение активатора по позициям замещаемых ионов решетки, что приводит к образованию множества центров. Оптические спектры таких соединений в отличие от упорядоченных кристаллов, где каждому типу центров принадлежат четко разрешенные линии, состоят из широких полос, представляющих собой наложение множества линий. Формула Фюхтбауэра-Ладенбурга для линий люминесценции с неоднородно уширенным контуром записывается в виде здесь д )) І - эффективная ширина линии люминесценции, определяемая как отношение ее интегральной интенсивности к пиковой на волне А Рассмотрим теперь с этой точки зрения возможности известных низкопороговых кристаллических лазерных систем с ионами \W , разделенные, согласно классификации [б,б] на фторидные и оксидные с упорядоченной и разупорядоченной структурой и прочие. Следует отметить, что, помимо факторов, связанных с физичес
Изучение спектрально-люминесцентных свойств кристаллов с ионами
Отличительной особенностью этой разновидности лазерных сред является то обстоятельство, что примесные ионы в них входят в состав многих различающихся по струк туре Щ. Это приводит к тому, что спектры поглощения таких веществ состоят из широких и интенсивных полос, значительно увеличивающих коэффициент использования энергии источников накачки. Протекающая в них миграция энергии по уровням Щ также способствует улучшению характеристик возбуждающегося в этих кристаллах СИ. Большинство известных смешанных фторидных лазерных соединений получено в би нарной системе о- , и В зависимости от концентрации каждой из компонент кристаллическая структура образующихся твердых растворов определяется кристаллохи мическими свойствами Пегд, или I ivrj . Так, при концентрации THF,, до 40 мол$ образующиеся кристаллы имеют кубическую структуру флюорита. Твердые растворы с тригональной тисонитовой структурой ( 1К.Гз -Пег , где концентрация мег 4 20 мол%) по распространенности занимают второе место после флюоритових фаз в сме [45 - 48J. . Число анизотропных смешанных фторидных кристаллов, в которых возбуждена генерация СИ, в настоящее время невелико, хотя результаты проведенных исследований свидетельствуют (4 - 6J , что в ряде случаев их спектрально-генерационные характеристики предпочтительнее,,, чем у кубических соединений. В табл. 1.3 перечислены разупорядоченные фторидные кристаллы с ионами Nd , известные как низкопороговые в указанном ряду лазерных материалов. По своим спектрально-генерационным характеристикам смешанные фториды с ионами П я занимают промежуточное положение между одноцентровыми лазерными кристаллами и стеклами. Излучательное время жизни метастабильного состояния ионов шэнных фторидних соединениях по сравнению с простыми уменьшается в 2-3 раза. Из-за большой эффективной ширины полосы люминесценции разупорядоченные фторидные кристаллы характеризуются сравнительно малыми значениями пикового поперечного сечения лазерных переходов, несколько большими порогами возбуждения, но вместе с тем высокой эффективностью использования энергии накачки. Рабочие концентрации ионов via в смешанных фторидах достаточно высокие, при этом, как показали результаты спектроскопических.исследований, концентрационное тушение в них проявляется слабее, что также связано с особенностями их кристаллической структуры. Комплексные исследования СИ разупорядоченных фторидних кристаллов, проведенные в [l3,49,50j , показали, что эти соединения придают лазерам на их основе уникальные свойства. Так, лазерные кристаллы активированные ионами nd , способны генерировать вплоть до Ю00 К [13,50J . Фторидные разупорядоченные соединения рассматривались как перспективные среды для создания мощных лазеров [180 J, которые в настоящее время реализуются на основе неодимовых стекол [4 J .
Оксидные кристаллы с разупорядоченной структурой. Оксидные ла зерные соединения с разупорядоченной структурой также характеризу ются высокой эффективностью использования энергии возбуждения. В табл. 1.4 приводится список кислородосодержащих разупорядоченных лазерных кристаллов с ионами \Ы , в которых возбуждена низко пороговая генерация СИ при 300 К с ламповой накачкой. По сравнению со смешанными фторидами они характеризуются меньшей шириной полосы люминесценции, поэтому пороги у них значительно ниже. Первым пред ставителем этого класса соединений, у которого возбудили генерацию, стал кристалл со структурой шеелита, яв ляющийся одним из перспективных низкопороговых лазерных материалов. Структурная разупорядоченность перечисленных в табл. 1.4 соединений возникает не на основе создания твердых растворов, как в случае смешанных фторидных систем, а в результате существования в кристалле множества неэквивалентных позиций, куда может входить акти-ваторный ион [182J . Проводятся поисковые работы по получению смешанных гранатов и двойных вольфраматов. Характерным представителем указанного класса низкопороговых лазерных кристаллов является . Спектроскопические исследования этого вещества, проведенные в (54J , выявили такое распределение спектральной плотности излучения с уровней состояния гзД ионов Nd , когда основная тяжесть приходится на одну линию в спектрах люминесценции основного и дополнительного каналов. НГ, Прочие кристаллы. В табл. 1.5 приводятся низкопороговые лазер ные кристаллы с ионами Nd , невошедшие в перечисленные выше группы соединений. Здесь находятся такие материалы как іо- Ц о и СеСсз » относящиеся к лазерным кристаллам с высокими значе ниями пикового поперечного сечения и вследствие этого имеющие малые величины пороговой энергии возбуждения генерации СИ. Крис таллы фтораппатита также обладают чрезвычайно низким порогом. Спектроскопическое изучение этого материала, выпол ненное в [6IJ , показало уже известное распределение спектраль ной плотности излучения с одной выделенной линией в спектрах люми несценции основного и дополнительного генерационных каналов ионов Nd , связанное, по-видимому, с характером кристаллического находящиеся в поля на примесном ионе. Кроме того, ионы большинстве кислородосодержащих лазерных соединений в восьмирной координации, в Са и (адг характеризуются координационным числом шесть, также как и в кристаллах Di/f(jre3(s/2 » обладающих похожим распределением плотности излучения.
Методические особенности спектральных исследований мелкодисперсных кристаллических сред с ионами Экспериментальные данные
Интенсивностей переходов -ионов в кристаллах по методу [70,71] проводилось в сравнении с большим числом экспериментальных результатов [73, 150 - I53J , которое дало удовлетворительное согласие вычисленных и измеренных значений сил переходов. Анализ интенсивностей линий -ионов в кристаллах показал, что в одной и той же матрице по всему ряду редкоземельных элементов происходит регулярное изменение параметров б . Это обстоятельство позволяет проводить оценку величин и в тех случаях, когда отсутствуют результаты по интенсивностям данного иона, но имеется такая информация для соседних по ряду -ИОНОВ в той же матрице, а также, когда число наблюдаемых полос межмуль-типлетных переходов оказывается недостаточным для эмпирического определения параметров интенсивности [l54j Важной характеристикой перехода -ионов в кристаллах, определяющей возможность получения генерации СИ в данном канале излучения, как уже отмечалось ранее, является меж-мультиплетный коэффициент ветвления люминесценции Рэз с уровней начального состояния. В случае ионов А/с/ для излучательных переходов с метастабильного состояния гз/я выражение (І.ІІ) то/ для py-jt принимает простой вид из-за того, что /L,, 0 : Излучательное время жизни V метастабильного состоя ния Гз/г примесных ионов Ncl определяется по формуле где W- - вероятность многофононной безызлучательной релаксации в канале и 1 "" квантовый выход люминесценции. Если в рассматриваемой лазерной кристаллической системе вероятность безызлучательных переходов мала, т.е. W -O (этот-случай кг обычно реализуется для метастабильного состояния гъ/z ионов Nd в кристаллах), то , как следует из выражения (4.5) , При поиске новых лазерных соединений уже на первых стадиях ростовых экспериментов, характеризующихся образованием мелкодисперсных кристаллов, возникает задача изучения их спектрально-люминесцентных свойств. Из существующих методов синтеза новых соединений при поисковых исследованиях чаще всего применяются раствор-расплавный и гидротермальный, позволяющие проводить процесс кристаллизации при температурах, значительно меньших температур плавления образующихся веществ, имеющих при этом небольшие размеры. Результаты спектроскопического изучения таких мелкодисперсных кристаллических сред явились бы своеобразной рекомендацией (или, наоборот, отрицанием) для дальнейшего усовершенствования технологии и получения крупных оптически однородных образцов, которые можно использовать в генерационных экспериментах по возбуждению в них СИ. Для полного и всестороннего спектроскопического изучения активированных лазерных кристаллов совершенно необходимы сведения о коэффициентах поглощения ионов активатора. В случае однородной и изотропной среды распространение параллельного пучка света через нее описывается законом Бугера, устанавливающим связь между экспе-риментально измеряемой величиной пропускания Т (Я) = j / J0 , характеризующей среду в целом, и коэффициентом поглощения К ( Я ) света веществом, из которого она состоит:
При определении коэффициента поглощения ионов активатора в кристалле под С/о понимают общую интенсивность светового пучка, пропущенного матрицей; под Cf - интенсивность пучка, пропущенного совокупностью матрица + активаторный ион. Тогда, - пропускание иона активатора относительно прозрачной в рассматриваемой спектральной области матрицы. Описанный способ экспериментального нахождения коэффициента поглощения приводится в [l55j , где подчеркивается, что при таком расчете автоматически компенсируются потери на отражение, рассеяние и др., которые могут влиять на результаты измерений. Когда исследуемая среда представляет собой плотноупакованный слой диспергированного кристаллического вещества, количественные абсорбционные измерения усложняются вследствие того, что нет возможности определить истинную величину пути, пройденного светом в веществе. Из обзора литературы по данному вопросу, приведенному в разделе 1.3, видно, что аналитическое определение коэффициента поглощения диспергированного вещества является в данный момент неразрешимой задачей. Важное значение при этом приобретают эмпирические методы отыскания оптических параметров вещества. Для решения возникшей задачи проведены экспериментальные исследования мелкодисперсных кристаллов, активированных ионами Nd , и на основании полученных результатов предложен метод определения эффективной толщины плотноупакованных слоев, состоящих из таких микрокристаллов, т.е. толщины, которую имела бы монокристаллическая пластина из того же вещества, одинаковым образом ослабляющих проходящий через них световой поток. Построени зависимости, позволяющие с помощью градуировочных коэффициентов и показателя преломления кристалла определять эффективную толщину небольшого плотноупакованного слоя.
Исследование спектрального поведения ионов Nd в кристаллах NayYSufQjfc с разупорядоченной структурой
Идея создания разупорядоченньтх лазерных кристаллов с I К- — ионами, впервые реализованная на примере смешанных фторидных сис тем с ионами Nol [33,I67J , была с успехом распространена на кислородосодержащие кристаллические соединения. Первым таким крис таллом, в котором удалось возбудить генерацию СИ стал N d + зарекомендовавший себя как перспективный лазерный мате риал с большой эффективностью преобразования энергии накачки в лазерное излучение [52,53J . . ионами NcT [168] , как и , принадлежат к ряду двойных натрий-редкоземельных молибдатов, обладающих структурой шеелита. Ввиду разупорядоченности катионной подрешетки кристаллов , возникающей вследствии статистического распределения ионов No. и I К. по положениям Са в шеелито-вой решетке, позиции редкоземельных ионов являются неэквивалентными и влекут за собой образование множества АЦ. Следствием этого является неоднородное уширение линий в оптических спектрах поглощения и люминесценции. Подробное спектрально-генерационное исследование кристалла No.La(rloU )2 Ndl » проведенное в работах [52,53,169] позволило их авторам на основе анализа спектров поглощения и люминесценции построить схему кристаллического расщепления уровней метастабильного состояния \ щ и нижайших мультиплетов J у . Она оказалась типичной для кристаллов со структурой шеелита. Ввиду сложности идентифицирования оптических линий, их расшифровка проводилась с привлечением аналогичных спектров известных упорядоченных шеелитовых кристаллов с узкими хорошо разрешенными линиями ионов N а Проведенные в диссертации спектроскопические исследования кристаллов с ионами ічсі указали на их полную идентичность с изоструктурным соединением NQLa№UfcJj[ - Ma . Ионы активатора придают всем трем кристаллам практически одинаковые спектрально-люминесцентные и генерационные свойства. На рис.5.II представлены ориентационные спектры люминесценции основного лазерного канала (-bflT h fz ионов в системах .
Для сравнения здесь же при ведены аналогичные спектры кристалла . Анализ спектров показал, что в зависимости от ориентации оптической оси кристалла и направления исследуемой люминесценции происходит пере распределение интенсивностей на двух основных линиях перехода. Для одного из молибдатов, а именно, на рис.5.12 показаны ориентационные спектры люминесценции дополнительного канала Ръ/г hb/Z С ростом концентрации неодима ширина линий люминесценции кристаллов с ионами практи чески не менялась. Мало изменялась она и при охлаждении образцов до 77 К. Все это говорит о неоднородном характере уширения спектральных линий и согласуется с подобными же данными для кристалла NaL (M A)2.-NoPf [52,53,169] . Заметное концентрационное тушение люминесценции в этих соединениях наступает при содержании ионов Nw более 3 ат.%. При квантовом выходе люминесценции / I [53 J излучательное время жизни метастабильного состояния гзД соответствует люминесцентному, измеренному при малых концентрациях пи ( 0,5 ат.%) и равному AS 140 мкс для обоих кристаллов Возбуждение генерации СИ обоих кристаллов осуществлялось излучением импульсной _Хв лампы. На рис.5.13 показаны спектры генерации основного канала rz/z l ilz к TPex И30СТРУКТУР ных соединений с ионами Wd при 300 К. Линии генерации соответствуют обозна ченным стрелками полосам в спектрах люминесценции каждого кристал ла. Из сравнения результатов спектрального анализа и генерационных экспериментов (рис.5.II и 5.13) видно, что у кристаллов с ГІ.С генерацию можно возбудить и на второй интенсивной линии данного канала. В области 1,33 мкм генерация СИ была зафиксирована для одного из двух исследованных молибдатов - . Вы сокие пороги и оптическое несовершенство имеющихся лазерных эле-ментов не позволили получить ее на другом кристалле
Основные спектрально-генерационные характеристики соединений ионами Nd3+ , полученные в результате проведенного изучения » и для сравнения такие же пара метры для приведены в табл.5.8. К кристаллам с разупорядоченной структурой относится также соединение NcL5 іоЦО/ с высокой проводимостью по ионам NcU [I70J . С целью выявления возможности возбуждения генерации СИ в кристалле HcL olU » активированном ионами А/с/3 , были изучены его люминесцентные и абсорбционные свойства [іЗб] . Эта работа продолжила комплекс спектральных исследований иттриевых силикатов (германатов), начатых в flI9j Первой задачей спектроскопического изучения соединения было выяснение характера образования Щ. Структурная разупорядоченность этого кристалла проявляется в неоднородном уширении линий в спектрах поглощения и люминесценции, ширина, которых при изменении температуры от 77 до 300 К меняется незначительно (в 1,5 раза). Такое поведение линий обусловлено статистическим характером расположения ионов NCL (вследствие их высокой подвижности) вблизи полиэдров I (v -ионов. Спектроскопичес кие измерения позволили уточнить данные о количестве кристаллографических позиций, занимаемых -ионами в При 77 К ряд линий, например, в спектрах поглощения перехода [дҐ Yy (рис.5.14) и люминесценции канала ЩҐ 9/z (рис.5.15) имеет дублетную структуру, что говорит в пользу ацен-тричной модели тригонального кристалла /\/а5УоілО/2" Л/с/ , в которой редкоземельный ион занимает две неэквивалентные позиции. Поскольку расстояние между наблюдаемыми дублетами приблизительно равно неоднородной ширине линий, а сама дублетная структура и форма линий не зависят от концентрации активатора, сочтено возможным проанализировать энергетическую структуру уровней ионов f\(cf в NcLeY b U/g в рамках модели "квазицентра" [34J . Наибольшее внимание при этом уделялось мультиплетам, люминесцентные переходы между которыми являются потенциальными для возбуждения на их волнах СИ. Результаты анализа штарковской структуры уровней этих состояний приведены в табл.5.9. Спектры основного / Jн, и дополнительного Гзл 1ш каналов люминесценции кристалла представлены на рис.5.16 и 5,17, соответственно, где также показаны схемы кристаллического расщепления связанных с ними мультиплетов. Ввиду малости размеров исследуемых образцов при их спектрально-люминесцентном изучении применялась экспериментальная методика мелкодисперсных образований, описанная в разделе 4.2. Второй задачей спектроскопических исследований кристалла ridsfo Ojrrrld было определение интенсивностных характеристик люминесценции межмультиплетных переходов 13/2 " 1у ионов \а Она решалась нахождением межмультиплетных коэффициентов ветвления люминесценции Рзуі с уровней состояния Тз/ » а также концентрационных VJllDU( С ) и температурных 2ГЛЮМ( Т ) зависимостей его времени жизни. Значения /3„д/ определяли с исполь
