CC BY
5УДК 53.043
Пилиев Ю.Ю.
студент кафедры физики конденсированного состояния вещества Кубанский государственный университет (г. Краснодар, Россия)
ОПТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ВОЛЬФРАМАТА БАРИЯ С ПРИМЕСЯМИ
Аннотация: в работе были определены зависимости оптических свойств активированных кристаллов от их структуры. В ходе исследований были использованы современные экспериментальные методы и методологические подходы: комплексное исследование спектроскопических параметров кристаллических образцов, включающее измерение спектров поглощения высокого разрешения в широком спектральном диапазоне, сопоставление пиков поглощения соответствующим им переходов в активаторных центрах.
Ключевые слова: спектры пропускания, спектры поглощения, излучения, ультрафиолетовая спектроскопия, инфракрасная спектроскопия, интенсивность, спектроскопическое исследование кристаллов вольфраматов.
Активированные трёхвалентными ионами №3+ кристаллы, наряду с некоторыми другими редкоземельными ионами, являются одними из самых широко используемых активных лазерных сред. Схема энергетических уровней и переходов, на которых возможна лазерная генерация в ионе неодима, изображена на рисунке 1.
Рис. 1. Схема энергетических уровней и основных лазерных переходов иона
Диапазон перестройки генерации лазерного излучения для неодима довольно высок, начиная от возможности осуществлять генерацию на высокоэнергетическом переходе 2Ь15/2^419/2, порождающем электромагнитное излучение с длиной волны порядка 340 нм, до длинноволнового лазерного перехода 4Рз/2^4113/2, сопровождающегося излучением волны длины порядка 1350 нм.
Диапазон изменения длины волны генерации №3+ практически не зависит от кристаллической матрицы, но значения сечений испускания и сил линий ионов неодима в зависимости от кристаллической матрицы могут отличаться в 2-3 раза. Важно отметить, что значения сечений поглощения №3+ для некоторых полос в спектре легированных им кристаллах на порядок больше, чем в стёклах, что связано с разницей неоднородного уширения линий. Поэтому выбор конкретной кристаллической матрицы определяется особенностями поставленной задачи.
В области малых концентраций квантовый выход излучения с метастабильного уровня 4Б3/2 неодима близок к единице практически для всех матриц. Тушение люминесценции проявляется только в
высококонцентрированных образцах. Тушение вызвано кросс-релаксационным процессом и усиливается миграцией возбуждений между близко лежащими оптическими центрами.
Эффективность излучения иона - активатора и термическая устойчивость излучения зависят от положения редкоземельного иона в кристаллической решётке, электрическое поле которой обуславливает штарковское расщепление энергетических уровней примесных атомов.
Поскольку спектроскопические свойства редкоземельных ионов зависят от типа кристаллической решётки, необходимо определить влияние таких величин как силы кристаллического поля и симметрия окружения оптических центров на оптические свойства и частоту лазерных переходов. Для определения наиболее высокоэффективных лазерных сред необходимо оценить параметры лазерного излучения, такие как пиковое сечение испускания, коэффициент ветвления люминесценции, скорости спонтанных переходов, излучательные времена жизни энергетических уровней. Подобные исследования проводились уже неоднократно. Поэтому на основе разработанных методов определения указанных параметров, можно выделить матрицы, удовлетворяющие требованиям высокоэффективных лазерных сред.
Для измерений спектров поглощения из цилиндрической части полученных кристаллов изготавливались плоскопараллельные пластины, толщиной 2,7 мм, с полированными поверхностями, ориентированные параллельно плоскости.
Поляризованные спектры поглощения кристаллов вольфраматов бария регистрировались со спектральным разрешением 1 нм в области от 250 нм до 1000 нм на спектрофотометре ЛОМО СФ-256 УВИ, приведены на рисунках 2-3.
0,43
450 550 650 750 850 950 1050
Рис. 2. -Спектр поглощения вольфраматов бария с примесями неодима,
германия (BaWO4 :Ш, Ge)
Поляризованные спектры поглощения кристаллов вольфраматов, бария состоят из девяти групп линий переходов ионов №3+ с основного состояния 419/2 на возбуждённые энергетические уровни иона неодима: 2Р1/2;
4Gll/2+2Dз/2+2G9/2+2Kl5/2; ^13/2+^7/2+^9/2; ^5/2+^7/2; 2Нц/2; ^9/2; ^7/2+^3/2;
^Р5/2+2Н9/2 и ^3/2 максимумами поглощения вблизи длин волн 525; 583;805 и 878 нм соответственно. Максимальное значение сечения поглощения №3+' в исследуемых кристаллах, приходится на переход %/2^^5/2+^7/2 на длине волны 583 нм, которое изменяется в пределах от 5,25х10~20 до 10,92* 10-20 см2.
Обзорный спектр в области видимого диапазона имеет сложную структуру. Рассмотрим влияние активаторов на промежутки длинны волны от 560 нм до 610 нм.
Рис. 3. -Спектры поглощения вольфраматов бария, активированных с добавлением в качестве компенсирующей примеси
Спектры поглощения вольфраматов бария, активированных с добавлением в качестве компенсирующей примеси необий, германий , калий, цирконий, титан, приведены на рисунке 3.
Мультиплет (многокомплектный) 405/2+( 20, 40)7/2 имеет 7 компонент: 16792 см-1 , 16903 см-1 , 16929 см-1 , 17047 см-1 , 17112 см-1 , 17224 см-1 , 17301 см-1 , которые соответствуют длинном волн 595 нм, 591 нм, 590 нм, 586 нм, 584 нм, 580 нм, 578 нм.
Таблица 1 - Параметры полиэдров Вороного-Дирихле атомов Ме (Ва) углы и расстояния до атомов кислорода О в кристаллах со структурой шеелита
BaWO4
Кед 1,618
УуБР 17,739
УсР 54,007
ЗуБР 38,178
Срас 0,606
Ссоу 2,303
Оз 0,0811282
1-4 11,99
Dist 1-4 2,738
5-8 12,54
Dist 5-8 2,778
За^ 9-12 0,47
Dist 9-12 3,930
Таблица 2 - Параметры полиэдров Вороного-Дирихле атомов М углы и расстояния до атомов кислорода О в кристаллах со структурой шеелита
BaWO4
Кед 1,286
УуБР 8,913
Уср 16,110
ЗуБР 27,708
Срас 0,332
Ссоу 2,941
О3 0,0926016
Sang 1-4 23,19
Dist 1-4 1,782
Sang 5-8 1,81
Dist 5-8 3,314
Исходя из результатов параметров интенсивности в кристаллах вольфраматов бария BaWO4: Nd,Ge , использование ионов Ge4+, замещающих собой ионы W6+, в качестве соактиваторной примеси, компенсирующей заряд, является актуальным компенсатором заряда наряду с Nb, и не оказывает заметного негативного влияния на спектральные свойства кристаллов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Лимаренко Л.Н. Влияние структурных дефектов на физические свойства вольфраматов / Л.Н. Лимаренко, А.Е. Носенко, М.В. Пашковский, Д.Л. Футорский // Вища школа, Львов. - 1978, 160с.
Sleight A.W. Accurate cell dimensions for ABO4 molybdates and tungstates / A.W. Sleight // Acta Crystallogr. B. - 1972. - Vol. 28. - 2899.
Shannon R.D. Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomiс Distances in Halides and Chaleogenides / R.D. Shannon // Acta Cryst. - 1976. - A32. - 751-767.
Jaeger F.M. Uber die binaren Systeme der Sulfate, Chromate, Molybdate und Wolframate des Bleies / F.M. Jaeger, H.C.Germs // Z. Anorg. Allg. Chem. - 1921. -Vol. 119. - 145-76.
Плахов Г.Ф. Кристаллическая структура PbWO4 / Г.Ф. Плахов, Е.А. Победимская, М.А. Симонов, Н.В. Белов // Кристаллография. - 1970. - Т. 15. -1067-1068.
Piliev Yu.Yu.
student of the Department of Condensed Matter Physics Kuban State University (Krasnodar, Russia)
OPTICAL SPECTROSCOPY BARIUM TUNGSTATE WITH IMPURITIES
Abstract: in this paper, the dependences of the optical properties of activated crystals on their structure were determined. In the course of the research, modern experimental methods and methodological approaches were used: a comprehensive study of the spectroscopic parameters of crystal samples, including measurement of high-resolution absorption spectra in a wide spectral range, comparison of absorption peaks of corresponding transitions in activator centers.
Keywords: transmission spectra, absorption spectra, radiation, ultraviolet spectroscopy, infrared spectroscopy, intensity, spectroscopic study of tungsten crystals.
