Введение к работе
Актуальность темы
В качестве активных сред твердотельных лазеров широко используются материалы,
о і о і "3-1- о і
где активными центрами являются ионы редкоземельных металлов Nd , Yb , Er , Tm и др. На сегодня достигнуты огромные мощности лазерного излучения - более десятков кВт в непрерывном режиме, генерация получена на различных длинах волн. Тем не менее для расширения области применения лазеров продолжается поиск и разработка новых перспективных лазерных материалов и легирующих элементов, которые могут служить активными центрами лазерной среды.
Люминесценция силикатных стекол, легированных висмутом, в ближнем инфракрасном диапазоне была продемонстрирована в 2001 году[1], несколько позже было продемонстрировано усиление оптического сигнала в данном материале [2], что показало перспективность материалов, легированных висмутом, как активных сред лазеров и усилителей, в частности для волоконно-оптических линий связи.
К настоящему моменту получена генерация и усиление на легированных висмутом материалах в диапазоне 1.1-1.55 мкм с оптической эффективностью до 50% в волоконном исполнении. Исследованы люминесцентные свойства множества стекол и кристаллов различного состава, легированных висмутом. Однако генерация на объемных активных средах не была получена до сих пор. Таким образом, на повестке дня продолжает стоять задача разработки кристаллических активных сред, легированных висмутом, поскольку существует необходимость создания лазеров, обладающих широкой полосой генерации в ближней ИК-области.
В настоящее время выдвинуты различные модели висмутовых центров, объясняющих наблюдаемую люминесценцию и её свойства, однако ни одна из них не является на данный момент общепринятой.
Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью понимания природы активных центров в материалах, легированных висмутом, что необходимо для разработки технологии создания лазерных материалов и твердотельных лазеров, излучающих в области длин волн 1-1.8 мкм.
Цели и задачи работы
Целью работы являлось исследование природы люминесценции в ближнем ИК-диапазоне материалов, легированных висмутом, на основе их спектроскопических свойств. Важным отличием работы является то, что для достижения поставленной цели были в основном исследованы специально подобранные модельные хлоридные материалы, которые не могут быть использованы в качестве лазерных материалов, но могут обеспечить получение висмутовых центров с характерными свойствами. Поэтому анализ полученных экспериментальных данных для выбранных веществ оказывается
значительно проще по сравнению с традиционно используемыми в лазерной технике оксидными материалами. Тем не менее работа не является «замкнутой в себе» и направлена именно на изучение центров в более распространенных материалах, которые могут быть перспективны в качестве активных сред твердотельных лазеров. Показано, что полученные для модельных материалов выводы могут быть использованы и для традиционных оксидных материалов.
В процессе достижения поставленной цели решались следующие задачи:
-
Создание экспериментальной установки для исследования спектрально-люминесцентных свойств твердотельных активных сред в ближней ИК-области в диапазоне температур от 77 до 400 К.
-
Получение модельных активных сред, легированных висмутом, на основе частично восстановленных расплавов галоидных солей и оксидных стекол.
-
Исследование и сопоставление спектроскопических свойств различных модельных материалов. Идентификация центров, наиболее активно участвующих в люминесценции.
-
Исследование монокатиона Bi как одного из наиболее перспективных активных центров в кристаллических материалах. Обработка экспериментальных результатов с позиции теории электрон-фононных переходов и построение модели оптического центра Ві в материалах, легированных висмутом.
Научная новизна
-
Изучены спектроскопические свойства частично восстановленного Z11CI2-AICI3-ВіС13-стекла. Проведено сопоставление полученных спектроскопических данных с литературными данными для аналогичных материалов.
-
Изучены спектроскопические свойства поликристалла КА1СІ4, легированного висмутом.
-
Проведены оценки параметров электрон-фононного взаимодействия иона Ві в кристалле КА1СІ4.
-
Получена оценка параметра Хуанга-Риса для иона Ві в кристалле KAICI4.
-
Продемонстрирована зависимость спектрально-люминесцентных свойств иона Bi от локального окружения иона.
-
Проведено сопоставление спектрально-люминесцентных свойств оксидных и хлоридных стекол, легированных висмутом.
Практическая ценность
Несмотря на фундаментальный характер работы, полученные результаты имеют большую практическую ценность. Понимание наблюдаемых физических процессов в материалах, легированных висмутом, в том числе происходящих между активными центрами, центрами и матрицей, внутри самих центров, оказывается крайне важно для создания лазерных материалов. Полученные данные позволили не только идентифицировать наблюдаемые в эксперименте висмутовые центры, но и оценить вклад данных каждого из центров в суммарную люминесценцию исследованных материалов. Результаты диссертационной работы могут быть использованы при создании новых, более перспективных лазерных материалов, легированных висмутом.
Защищаемые положения
-
Люминесценция в ближней ИК-области спектра в ZnCb-AlCb-BiCb стекле обеспечивается присутствием нескольких типов центров, связанных с ионами висмута. Центры идентифицированы как монокатион Bi , поликатион Bi5 , а также высказано предположение о принадлежности одной из полос люминесценции димеру Ві2 +.
-
В полученном кристалле КА1С14:Ві ион Bi замещает ион К .
-
Характеристики люминесценции монокатиона висмута сильно зависят от электрон-фононного взаимодействия центра с кристаллом.
-
Схема конфигурационных кривых для иона Ві в кристалле KAICI4.
-
Центр Bi является примесным центром с сильным электрон-фононным взаимодействием и его характеристики определяются ближайшим окружением иона.
-
При происходящих с изменением температуры фазовых структурных переходах в кристалле КА1С14:Ві происходят значительные изменения спектрально-люминесцентных свойств Bi .
-
В случае оксидных стеклянных материалов, активированных висмутом, люминесценция в ближней ИК-области также определяется несколькими центрами. Предложено идентифицировать данные центры как монокатион Bi , поликатион
т->- 3+ т->- 4+
Bi5 и димер Bi2 .
Личный вклад диссертанта
Все результаты, представленные в работе, получены автором лично либо в соавторстве при его непосредственном участии.
Апробация работы
Основные результаты были доложены на международной конференции 20th INTERNATIONAL LASER PHYSICS WORKSHOP (LPHYS'll, г. Сараево, Босния и Герцеговина), на X Всероссийской молодежной научной школе «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (ВНКШ-2011, г.Саранск), на конкурсе молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН (2012, г. Москва).
Публикации
Основные результаты опубликованы в 7 публикациях, из них 5 в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и в 3 тезисах российских и международных конференций. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем диссертации составляет 148 страниц, включая 77 рисунков. Список цитируемой литературы составляет 102 наименования, из которых 98 на иностранных языках.
