CC BY
31
ЛЯПИН А. А., МЯГКОВ Д. В., СИДОРОВА Н. В.1 ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЗМОВ АНТИСТОКСОВОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ИОНОВ Er3+ В КРИСТАЛЛЕ YSZ:Er ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ УРОВНЯ 4I13/2 Аннотация. В настоящей работе представлены результаты исследования механизмов антистоксовой люминесценции ионов Er3+ в кристалле YSZ:Er обусловленной переходами 4S3/2—^4I15/2, 4F9/2—>4I15/2 при возбуждении на уровень 4I13/2. Показано, что за заселение уровней 4S3/2, 4F9/2 при возбуждении уровня 4I13/2 ответственны процессы межионного взаимодействия ионов
Ключевые слова: ионы кристалл YSZ, антистоксовая люминесценция.
LYAPIN A.A., MYAGKOV D.V., SIDOROVA N.V. A STUDY OF THE MECHANISMS OF ANTI-STOKES LUMINESCENCE OF Er3+
IONS IN YSZ:Er CRYSTAL UNDER EXCITATION OF 4I13/2 LEVEL Abstract. The mechanisms of anti-Stokes luminescence of YSZ:Er crystal corresponding to 4S3/2—4I15/2, 4F9/2—4I15/2 transitions upon excitation of the 4Ib/2 level of Er3+ ions were studied. Ionion interaction between Er3+ ions populate 4S3/2, 4F9/2 levels upon excitation of the 4Ib/2. Keywords: ions Er3+, crystal YSZ, anti-Stokes luminescence.
В настоящее время активно разрабатываются твердотельные лазеры, излучающие в области 1,5 мкм. Излучение данного диапазона получило широкое применение в медицине и зондировании атмосферы [1].
Для практических применений также представляет интерес лазерное излучение в более длинноволновом диапазоне спектра:1,6-1,7 мкм. Лазерное излучение в данной области длин волн, возможно получить на переходе 4I13/2—4I15/2 ионов Er3+ в полуторных оксидных материалах и кристаллах стабилизированного диоксида циркония при резонансном возбуждении уровня 4I13/2. Редкоземельные ионы, например Er3+, в данных матрицах обладают специфическим расщеплением энергетических уровней на штарковские подуровни по сравнению, например, с кристаллом YAG:Er.
В 2008 году [2] была получена лазерная генерация на длине волны 1558 нм на керамике Sc2O3:Er. В работе [3] сообщается о получении лазерной генерации при криогенных температурах на переходе 4I13/2—4I15/2 ионов Er3+ в керамике Y2O3:Er (0,5 %) на
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Государственного задания Министерства образования
и науки РФ (проект №. 3.384.2014/К проект № 07080210059611).
длине волны 1,6 мкм при возбуждении волоконным лазером с длиной волны 1537,5 нм. Максимальная выходная мощность составила 9,3 Вт.
При возбуждении лазерным излучением уровня 4Ii3/2 ионов Er3+ [4] возникает антистоксовая люминесценция этих ионов в видимой и ближней инфракрасной областях длин волн. Данное явление способствует разгрузке верхнего лазерного уровня 4Ii3/2 ионов Er3+ и тем самым, препятствует созданию инверсной населенности данного уровня и получению лазерной генерации на переходе 4Ii3/2—>4Ii5/2- В связи с этим, особый интерес представляет изучение механизмов, ответственных за возникновение антистоксовой люминесценции ионов Er3+.
В работе [4] изучалась антистоксовая люминесценция ионов Er3+ в керамике Y2Ö3:Er при возбуждении уровня 4Ii3/2 волоконным лазером с длиной волны 1,53 мкм. Было показано, что процессы поглощения с возбуждённого состояния (ESA) участвуют в заселении 4Ь/2 уровня, а процессы последовательной передачи энергии (ETU) участвуют в заселении 4S3/2, 4F9/2 и 2H9/2 уровней.
Кристаллы YSZ:RE являются перспективными лазерными средами. Редкоземельные ионы в кристаллах YSZ обладают широким спектром люминесценции, что способствует созданию на основе данных материалов перестраиваемых твердотельных лазеров.
Целью настоящей работы являлось исследование механизмов ответственных за возникновение антистоксовой люминесценции ионов Er3+ в кристалле Zr02-13.4мол.%Y20з-0.6мол.%Ег203 при возбуждении на уровень 4Ii3/2 этих ионов лазерным излучением с длиной волны 1537 нм.
Методика эксперимента. В качестве объекта исследования в настоящей работе был выбран кристалл следующего состава Zr02-13.4мол.%Y20з-0.6мол.%Er20з (далее по тексту YSZ:Er). Рост кристалла осуществлялся на установке «Кристалл-407» методом кристаллизации расплава путем прямого индуцированного нагрева в холодном тигле при скорости роста 10 мм/час [5]. Образец для исследования был вырезан в виде плоскопараллельной пластинки толщиной 0,75 мм.
Спектры поглощения ионов Er3+ в кристалле YSZ:Er были зарегистрированы с помощью спектрофотометра Perkin Elmer Lambda 950.
В качестве источника возбуждения ионов Er3+ на уровень 4Ii3/2 использовался оптический параметрический осциллятор NT 342/1/UVE фирмы EKSPLA (Литва). Длина волны возбуждения составила 1537 нм, длительность импульса возбуждения - 5 нс, частота повторения импульсов - 20 Гц.
Антистоксовая люминесценция, кинетики разгорания и затухания люминесценции ионов Er3+ регистрировались с использованием монохроматора МДР-23. В качестве детектора излучения использовался ФЭУ-79.
Время жизни ионов Er3+ на уровне ^3/2 в кристалле YSZ:Er определялось с помощью резонансного возбуждения этого уровня ^^ лазером при температуре жидкого азота.
Регистрация спектров поглощения и люминесценции, а также кинетические исследования ионов Er3+ проводились при комнатной температуре.
Результаты и обсуждение. Спектр поглощения ионов Er3+ для перехода ^[15/2—^13/2 в кристалле YSZ:Er приведен на рисунке 1. Также на рисунке стрелкой показана длина волны возбуждения.
Рис. 1. Спектр поглощения для кристалла YSZ:Er, при Х=300 К, переход 4Г15/2—
13/2.
Энергетическая схема уровней ионов Er3+ показана на рисунке 2. Также на этом рисунке стрелками указаны: 1) переход на который осуществлялось возбуждение лазерным излучением, 2) переходы, соответствующие люминесценции с верхних уровней ^3/2, ^9/2, 4Ь/2 на основной уровень 4!15/2 ионов Er3+.
Рис. 2. Схема энергетических уровней ионов бг3+.
Спектры антистоксовой люминесценции ионов Er3+ в кристалле YSZ:Er, обусловленные переходами ^3/2—4115/2, ^9/2—4115/2, 4I9/2—>4Il5/2 приведены на рисунке 3 при возбуждении лазерным излучением с Хвозб=1537 нм на уровень 4!1з/2 этих ионов.
500 550 600 650 700 750 800 850 Длина волны,нм
Рис. 3. Спектры антистоксовой люминесценции ионов Бг3+ для кристалла YSZ:Er при T=300 K.
Анализ литературных данных, посвященных исследованию антистоксовой люминесценции ионов Er3+ в полуторных оксидных материалах [4, 6], а также схемы энергетических уровней ионов Er3+, показал, что в кристалле YSZ:Er могут быть два основных механизма, приводящих к заселению верхних энергетических уровней: процессы межионного взаимодействия и поглощение с возбужденного состояния (ESA).
С целью выявления механизмов, ответственных за возникновение антистоксовой люминесценции ионов Er3+ в кристалле YSZ:Er при возбуждении лазерным излучением c ^возб=1537 нм уровня 4Ii3/2 ионов Er3+, были зарегистрированы кинетики затухания люминесценции ионов Er3+ с уровней 4S3/2 (рис. 4а) и 4F9/2 (рис. 4б) при возбуждении коротким импульсом (длительность 5 нс), по сравнению с временем жизни данных уровней.
б
Рис. 4. Кинетика разгорания и затухания люминесценции ионов Бг3+ с уровней ^3/2 (а) и 4Б9/2 (б) в кристалле У82:Бг при возбуждении уровня 41гз/2 ионов Бг3+ в различном временном масштабе.
Если бы в заселении уровней 4S3/2 и 4F9/2 ионов Er3+ преобладали процессы ESA, то в момент прекращения импульса возбуждения, люминесценция с уровней 4S3/2, 4F9/2 должна затухать со временем жизни ионов Er3+ на данных уровнях. Если же в заселении уровней 4S3/2, 4F9/2 участвуют процессы межионного взаимодействия, то в момент прекращения импульса возбуждения будет наблюдаться «затягивание» люминесценции, на порядок превышающее время жизни ионов Er3+ на данных уровнях. Время жизни ионов Er3+ на уровнях 4S3/2 и 4F9/2 в кристалле YSZ:Er составило 28 цс и 6 цс [7], соответственно.
Из анализа рис. 4, следует, что кинетики разгорания и затухания люминесценции ионов Er3+ с уровней 4S3/2 и 4F9/2 состоят из двух частей: медленного разгорания (по сравнению с длительностью импульса возбуждения) и последующего медленного затухания.
Данный результат явно свидетельствует о том, что доминирующим механизмом в заселении уровней 4S3/2 и 4F9/2 являются процессы межионного взаимодействия ионов Er3+.
Таким образом, проведенное в настоящей работе исследование кинетик разгорания и затухания люминесценции с уровней 4S3/2 и 4F9/2 ионов Er3+ при возбуждении на уровень 4Ii3/2 этих ионов показало, что за возникновение антистоксовой люминесценции с уровней 4S3/2 и 4F9/2 в кристалле 2г02-13.4мол.%У203-0.6мол.%Ег203 ответственны процессы межионного взаимодействия ионов Er3+.
ЛИТЕРАТУРА
1. White J. O., Dubinskii M., Merkle L. D. et al. Resonant pumping and upconversion in 1.6 |m Er^ lasers // J. Opt. Soc. Am. B. - 2007. - Vol. 24. - pp. 2454-2460.
2. Ter-Gabrielyan N., Merkle L.D., Ikesue A. et al. Ultralow quantum-defect eye-safe Er:Sc203 laser // Opt Lett. - 2008. - Vol. 33. - pp. 1524-1526.
3. Ter-Gabrielyan N., Merkle L.D., Newburgh G.A. et al. Resonantly-pumped Er3+:Y203 ceramic laser for remote C02 monitoring // Laser Physics. - 2009. - Vol. 19. - pp. 867869.
4. Brown Ei. E., Hommerich U., Bluiett A. et al. Near-infrared and upconversion luminescence in Er:Y203 ceramics under 1.5 |m excitation // J. Am. Ceram. Soc. -2014. - Vol. 97. - pp. 2105-2110.
5. Jian Zhang, Shiwei Wang, Liqiong An et al. Infrared to visible upconversion luminescence in Er3+:Y203 transparent ceramics // Journal of Luminescence. - 2007. -Vol. 122-123. - pp. 8-10.
6. Кузьминов Ю. С., Осико В. В. Фианиты. Основы технологии, свойства, применение. - М.: Наука, 2001. - 208 c.
7. Merino R. I., 0rera V. M., Cases R. et al. Spectroscopic characterization of Er3+ in stabilized zirconia single crystals // Phys.: Condens. Matter. - 1991. - Vol. 3. -pp. 8491-8502.
