Введение к работе
з
Актуальность темы. Оптическая спектроскопия активированных кристаллов имеет длительную историю, однако основные направления, возникшие на начальном этапе ее развития, остаются актуальными и в наше время. Развитие оптической спектроскопии кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов и металлов переходных групп, было стимулировано в начале 60-х годов использованием этих кристаллов в твердотельных лазерах.
В настоящее время интерес к этой области обусловлен интенсивным поиском новых перспективных материалов для квантовой электроники. Благодаря уникальным оптическим и другими физическим свойствам, таким как: высокая температура плавления, твердость, широкое окно прозрачности, наличие нескольких типов лигандного окружения для замещающей примеси, - все больший интерес исследователей вызывают кристаллы со структурой граната. На кристаллах алюминиевых и галлиевых гранатов с примесями редкоземельных элементов был сконструирован целый ряд лазеров с различными спектрально-генерационными и физическими характеристиками. Для повышения эффективности подобных лазеров в кристалл могут вводиться ионы с конфигурацией последней электронной оболочки За, такие как Cr3+, Mn4f, используемые в качестве сенсибилизаторов. Кроме того, эти ионы сами могут являться активными излучающими центрами.
Одинаковое строение электронной оболочки предполагает схожесть оптических свойств ионов Сг3+ и Мп4+, однако спектры иона четырехвалентного марганца демонстрируют индивидуальные особенности, что может быть обусловлено несколькими факторами, вероятнее всего, большим значением параметра кристаллического поля и большим зарядом: +4. Такая величина заряда приводит к необходимости его компенсации, что может сказаться на оптических свойствах исследуемого центра. Кроме того, ион Мп4+ в гадолииий-галлиевом гранате (ПТ) проявляет такие необычные свойства, как аномальная ширина R-линии и большой стоксов сдвиг спектров люминесценции по отношению к спектрам возбуждения.
Таким образом, исследование оптических свойств ГГГ:Мп4+ сохраняет значительный интерес как в теоретическом, так и в
практическом отношении, и поэтому выбранная тема диссертационной работы является актуальной.
Цель работы - выяснение механизмов, определяющих особенности спектра люминесценции четырехвалентного марганца в гадолиний-галлиевом гранате.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-детально исследуются спектры люминесценции ПТ:Мп4+ при различных уровнях лазерного возбуждения;
- разрабатываются алгоритмы расчета характеристик излучательных и безызлучательных переходов 2Е—>4А2 и 4Т2—»4Аг;
-анализируются причины аномального уширения R-линии и большого стоксового сдвига спектра излучения по отношению к спектру возбуждения фотолюминесценции ПТ:Мп4+;
-на основе анализа спектра люминесценции теоретически обосновывается и экспериментально осуществляется определение плотности фононных состояний, участвующих в оптических переходах;
-проводится модельный расчет формы спектральной линии люминесценции ГГГ:Мп4+.
Научная новизна
-
Впервые обнаружена и исследована полоса в спектре фотолюминесценции ГГГ:Мп4+, соответствующая переходу 4Тг—^А.%. Усиление относительной интенсивности этой полосы наблюдается при высоком уровне лазерной накачки.
-
Теоретически обоснованы и выполнены расчеты скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации с термов 4Т2 и 2Е на основной, а также параметров электрон-фононного взаимодействия для системы ПТ:Мп4+.
-
Развита теория уширения R-линии в ПТ:Мп4+, базирующаяся на гамильтониане изотропного спин-спинового взаимодействия. Теория позволяет объяснить аномально большую ширину R-линии, а также значительный стоксовский сдвиг R-линии в спектрах люминесценции по отношению к спектрам возбуждения фотолюминесценции.
-
Разработан метод определения плотности фононных состояний, участвующих в оптическом переходе, из анализа формы полосы люминесценции.
Практическая ценность работы
-
Предложен алгоритм определения скоростей излучательной и безызлучателыюй релаксации из температурных зависимостей времени жизни на терме 2Е и вероятностей оптических переходов 4Т2~+4А2и2Е-*4А2.
-
Предложен алгоритм определения плотности фононных состояний, участвующих в оптическом переходе, из спектра фотолюминесценции.
-
На основании вычисленных скоростей излучательной и безызлучательной рекомбинации делается вывод о возможности использования ПТ:Мп4+ в качестве рабочего материала твердотельных лазеров с непрерывной перестройкой частоты.
-
Предложена методика контроля температуры объема кристалла ГГГ по отношению интенсивностей люминесценции, измеренных в двух точках спектра Мп +.
-
Разработан новый метод сглаживания данных, искаженных случайными шумами, позволяющий сократить продолжительность эксперимента за счет выбора меньшего значения времени интегрирования, что важно при экспрессных измерениях.
Положення, выносимые на защиту
-
В спектрах люминесценции ГГГ:Мп4+ при высоком уровне лазерного возбуждения возрастает относительная интенсивность перехода 4Т2-+4А2, что обусловлено двумя основными факторами: различием температурных зависимостей вероятностей оптических переходов 4Т2—>4А2 и 2Е—>4А2, а также усилением индуцированного излучения.
-
Скорости излучательной и безызлучательной рекомбинации в ГГГ:Мп + сравнимы по величине с соответствующими параметрами с?3-ионов в других кристаллах, в частности, в рубине, что даст основание использовать изучаемый материал для создания лазеров с непрерывной перестройкой частоты генерации.
-
Аномальное уширение R-линии и ее большой стоксов сдвиг в спектрах фотолюминесценции ГГГ:Мп4+ обусловлено главным образом расщеплением уровня основного терма в результате спин-спинового взаимодействия иона Мп4+ с окружающими ионами Gd3+.
4. Спектр фононных состояний, участвующих в оптическом переходе 2Е—»4А2 в ГГГ:Мп4+, хорошо моделируется четырьмя стоксовыми модами, включающими как четные, так и нечетные компоненты.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции "Центры с глубокими уровнями в полупроводниках и полупроводниковых структурах" (Ульяновск, 1997), конференции «Комбинационное рассеяние - 70 лет исследований», (Москва, ФИАІІ, 1998), семинаре Оптического отдела им. Г. С. Ландсберга ФИАН (8.06.2000, Москва), Международной конференции «Оптика полупроводников» (Ульяновск, 2000).
Личное участие автора. Основные теоретические положения главы 3 разработаны совместно с профессором Булярским СВ. и профессором Гореликом B.C. Постановка экспериментов, разработка моделей, предлагаемых в главах 2 и 4, а также конкретные расчеты выполнены автором самостоятельно.
Публикации. Основные результаты исследований отражены в 10 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 129 страницах, содержит 36 рисунков, 7 таблиц, 119 наименований в списке цитированной литературы, состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.
