CC BY
12
Л / ТТ Т/" Г'1|> -1
«7 /ОД^ ООЭ.1.
Ап-КОНВЕРСИОННЫИ ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ С УРОВНЯ 483/2 ИОНОВ Ег3+ В КРИСТАЛЛАХ УАЮз И У1ЛГ4
В. П. Данилов, В. П. Калинушкин, М. И. Студеникин
Проведены спектрально-кинетические исследования антистоксовой люминесценции ионов Ет3_г в кристаллах и УАЮз и УЫР,4, соответствующей переходу 2Рз/2 ~4 Лб/2 = 318 — 320 нм) при лазерном возбуждении ионов Ег3+ в 2Нц/2 - уровень (Л = 518 — 520 нм). Численными методами получены расчетные кривые, описывающие кинетику нарастания и убывания антистоксовой УФ-люминесценции. Из расчетных кривых определены значения макропараметров ап-конверсионного безыз-лучательного переноса энергии электронного возбуждения с уровня 45з/2 ма уровень /2 при взаимодействии возбужденных ионов Ег3+ в указанных кристаллах.
Процессы ап-конверсионного переноса энергии электронного возбуждения в кристаллах Ег:УА10з и Ег.УЬЕ интенсивно изучаются с целью создания компактных ап-конверсионных лазеров с диодной накачкой, излучающих в видимой области [1 - 4]. Перспективной сферой применения таких лазеров является оптическая запись информации, при этом дифракционные ограничения требуют продвижения длины волны лазеров в коротковолновую область спектра. Суммирование энергии возбуждения благодаря внутрицентровым ступенчатым многофотонным переходам и кооперативным процессам безызлучательного переноса энергии может привести к формированию инверсной населенности на высокоэнергетических уровнях активатора, что открывает возможности создания твердотельных ап-конверсионных УФ лазеров. В связи с этим в последние годы началось изучение ап-конверсионных процессов с участием высокоэнергетических уровней ионов Ег3+ в лазерных материалах [5-8].
го о
40
30
20
Щ
10
о
11/2
Рис. 1. Упрощенная энергетическая диаграмма ионов Ег3+ в кристалле У'АЮ3: 1 - лазерное возбуждение кристалла (Л = 519.5 нм); 2 - ап-конверсионный безызлучателъный перенос энергии; 3 - УФ люминесценция с уровня 2Рз/2 (А = 319 нм).
К настоящему времени известно [5, 6, 8], что при оптическом возбуждении кри сталлов ЕгУЫК4 и ЕгУАЮз в зеленой области спектра ДА и 520 — 540 нм (уровни 2.Нц/2 и 45з/г) в спектре излучения кристаллов наблюдается УФ люминесценция (А « 319 — 320 мл«), соответствующая переходу 1Р3/2 - 5/2 (см- Рис- !)• Возбуждение уровня 2Рз/2 происходит благодаря совместному действию двух физических механизмов: двухфотонному ступенчатому возбуждению через уровень 5з/2 и кооперативному процессу переноса энергии при взаимодействии двух возбужденных ионов Егм или, другими словами, ап-конверсионному безызлунательному переносу энергии электронного возбуждения (рис. 1). Целью настоящей работы является изучение ап-конверсии в кристаллах ЕгУАЮз и ЕгУ ЫЕ4, в частности, определение макропараметров ап-конверсии (скоростей переноса энергии), ответственной за наблюдаемую в указанных объектах УФ люминесценцию (А га 319 — 320 нм). К настоящему времени в литературе практически отсутствуют количественные характеристики переноса энергии на уровень 2Р3/2, хотя потребность в них очевидна в связи с необходимостью оценю; реальной перспективности использования кристаллов ЕгУАЮз и ЕгУЫЕ\ в качестве активных сред ап-конверсионных лазеров, излучающих в УФ области спектра.
Спектрально-кинетические характеристики люминесценции исследовались на установке, состоящей из двойного монохроматора и фотоумножителя, соединенного через предусилитель с цифровым осциллографом (ТБ8-210). Образцы кристаллов были выращены методом Чохральского и представляли собой полированные пластины толщиной 2 мм и площадью га 1 см2. Для оптического возбуждения кристаллов использовал ся перестраиваемый лазер на красителях, накачиваемый эксимерным ХеС7-лазером (А = 308 нм), работающим в импульсно-периодическом режиме (энергия импульса Е = 30мДж, длительность импульса т и 15 нс). Для улучшения отношения сигнал-шум производилось усреднепие наблюдаемых сигналов люминесценции с числом накоплений N ~ 400. Измерения проводились при комнатной температуре.
1, мкс
Рис. 2. Кинетика УФ люминесценции (А = 319 нм) с уровня 2Р3/2 ионов Ег3+ (1 ат.%) в кристалле УА103 (точки - экспериментальная цифровая запись); сплошная кривая результат численного моделирования.
В результате проведенных измерений нами были получены экспериментальные кинетики затухания 2Р3/2-люминесценции (А = 319.5 нм) для ионов Ег3+ при лазерном возбуждении кристаллов Ег:УА10з и ЕгУЬЕ (концентрация активатора 1% и 5% соответственно) в 2Нц/2 уровень (рис. 2 и рис. 3). Для численного расчета кинетики ап-конверсионной УФ люминесценции мы использовали систему дифференциальных
уравнений, описывающих населенность (или концентрацию возбужденных ионов) на стартовом уровне процесса ап-конверсии 45"з/2 (уравнение 1) и на уровне 2Рз/2 (уравнение 2), который быстро заселяется благодаря безызлучательной релаксации с уровня 2Я9/2 (рис. 1).
Система уравнений, описывающая процесс ап-конверсии с уровня 45з/2 следующая:
dNi/dt = -Nx/Ti - KxNi - 2W(N1)2, (1)
dNoJdt = -N2/T2 - K2N2 + ШМ)2, (2)
где N\ и N2 - населенности уровней 45з/г и 2Р3/2 соответственно; Т\ и Т2 - времена жизни уровней 45з/2 и 2Р3/2 для изолированных ионов Ег3+ в исследуемых кристаллах; К\ и К2 - коэффициенты, которые определяются из параметров концентрационного тушения уровней *S3/2 и гР3/2 ионов £rJ+; W - макропараметр ап-конверсии (скорость переноса энергии электронного возбуждения) с уровня 4S3/2-
При компьютерном моделировании процессов ап-конверсии приходилось учитывать многостадийный характер кинетик люминесценции 453/2 и 2 Р3/2 уровней, обусловленный их концентрационным тушением [9 - 12]. Общий вид кривой безызлучательпого распада (функцию передачи энергии) при концентрационном тушении можно представить в виде P(t) = \n{J0/J) — t/to, где t0 - радиационное время жизни. В кривой распада обычно присутствуют три стадии [9]: участок упорядоченного статического распада (передача энергии на акцепторы, расположенные в непосредственной близости от допоров), когда P(t) = W^t (И/о константа статического распада); второй участок соответствует неупорядоченному статическому распаду (ферстеровский распад) и име ет вид ехр(—Q(t)), где Q(t) = Q{t) = 7i1/2 для диполь-дипольного взаимодействия (7 - параметр ферстеровского распада); третий участок обычно связывают с миграцией возбуждения по донорам до акцепторов, при этом P{t) = wt(w - скорость гибели возбуждения на акцепторе). Анализ кинетки ап-конверсионной УФ люминесценции (рис. 2 и рис. 3) в исследуемых кристаллах показал, что процесс ап-конверсии занимает начальный участок кинетики длительностью примерно 10 - 20 мкс, что соответствует v4arTKv vTTnn i плттрииптп ^^ат^ческого распада и началу ферстеровского распада в кипе тиках люминесценции 4S3/2 и 2Р3/2 уровней. Система уравнений (1 - 2) решалась таким образом при двух значениях коэффициентов Кг и К2, которые определялись из параме тров концентрационного тушения Wq и 7. Последние же для исследуемых в настоящей работе кристаллов были определены нами ранее в работах [10 - 12].
1, мкс
Рис. 3. Кинетика УФ люминесценции (А = 319.5 ми«) с уровня 2Рз/2 ионов £г3+(5аш.%) б кристалле У ЫГ4 (точки - экспериментальная цифровая запись); сплошная кривая - результат численного моделирования.
Кинетики УФ люминесценции, изображенные на рис. 2 и рис. 3 содержат также быстрые компоненты, за которые ответственны процессы двухфотонного ступенчатого поглощения с уровня 45,3/2 [8]. Особенно этот компонент заметен в кинетике УФ люминесценции кристалла Ег:У АЮз (рис. 2), в связи с чем изменение населенностей 453/2 и 2р3/2 уровней в результате двухфотонных переходов было также учтено в расчетах. В кристалле Ег:УЫЕ4 двухфотонный компонент незначителен и практически не влияет на точность определения параметра ап-конверсии ИЛ
Система уравнений (1-2) решалась методом Рунге-Кутта 4-го порядка аппроксимации. Параметры ап-конверсии с уровня 45з/2, которые наилучшим образом соответствуют экспериментальным данным, составили следующие значения: = 1.25 х 10~14 с~1 для Ег-УЫЕа и И^ — 6.5 х 10~15 с'1 для Ег:УАЮ3.
Расчеты показали также, что полученным значениям параметров ап-конверсии соответствует перекачка 30% - 35% населенности с уровня 45з/2 на уровень 2Рз/2 при начальной населенности уровня 453/27У = 5х 1018 см~3. Это означает, что при накачке кри
сталловEr:YAl03 и Er:YLiF4 в зеленой области спектра (Л та 520—540 нм) создание ап-конверсионных лазеров на переходах 2 Рз/2~4 hb/2 (Л та 319 нм), 2Рз/2~4Дз/2 ~ 408 нл) и 2Рз/2 ~ 4Ai/2 ~ 468 нм) имеет вполне реальные перспективы.
Авторы выражают глубокую благодарность профессору Д. Шмиду и доктору Б. Шпингеру (Дюссельдорфский университет, ФРГ) за помощь в работе и плодотворные дискуссии.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Weber Th-rLuthy W., and W е b е г H. P. Appl. Phys., B55, 144 (1992).
[2] W a n g J. and S i m k i n D. J. Phys. Rev., B52, 3309 (1995).
[3] H u b e r G., H e u m a n n E., Sandrock Т., and Petermann K. J. Lumin., 72 - 74, 1 (1997).
[4J M 6 b e г t P. E. -A., H e u m a n n E., H u b e г G., and С h a i В. H. T. Appl. Phys. Lett., 73, 139 (1998).
[5] S p i n g e г В., Danilov V. P., Prokhorov A. M., et al. Abstracts of the 11th Feofilov symposium on spectroscopy of crystals (Kazan, 24 - 28 September 2001),
p. 31.
[6] Данилов В. П., Прохоров А. М., С т у д е н и к и н М. И. и др. Тез. докл. межд. конф. по люминесценции. М., ФИАН, с. 5, (17 - 19 окт. 2001 г.).
[7] X u Н. and J i a n g Z. Phys. Rev., B66, 035103 (2002).
[8] X u H. and J i a n g Z. Chemical Physics, 287, 155 (2003).
[9] Б о н д а р ь И. А., Бурштейя А. И., Крутиков А. В. и др. ЖЭТФ, 81, 96 (1981).
[10] Студеникин М. И. Дис. канд. физ.-мат. наук. М., 1992, 165 с.
[11] Danilov V. Р., Р г о k h о г о v А. М., S t u d е n i к i n М. I., et al. Phys. Stat. Sol. (a), 177, 593 (1999).
[12] Данилов В. П., Прохоров А. М., Студеникин М. И. и др. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 6, 45 (2001).
Институт общей физики
им. А. М. Прохорова РАН Поступила в редакцию 13 апреля 2006 г.
