CC BY
3ПОЛУЧЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИОННОГО ПРОФИЛЯ ОПТИЧЕСКИХ
ЦЕНТРОВ
Шелковой В.Е., Строганова Е.В.
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный университет», Краснодар, Россия
Аннотация
В статье исследуется получение градиентно-активированного кристалла У3А15012 с концентрационным профилем УЬ . Для этого применялись: метод твердофазной диффузии и выращивание кристаллов по методу Чохральского с жидкостной подпиткой.
Ключевые слова: градиентно-активированный, кристалл У3А15012, концентрационный профиль УЬ , метод Чохральского, метод твердофазной диффузии, спектр излучения, спектр поглощения.
Для повышения энергоэффективности лазерных элементов и снижения термооптических искажений существует два основных способа, которые реализованы в технологии дисковых лазеров [1, 2, 3] (толщина активного элемента 200-400 мкм) и в технологии градиентно- активированных кристаллов с диодной продольной накачкой [4, 5].
Термооптические искажения (тепловые линзы) возникают при высоких мощностях накачки, даже в дисковых лазерах, что снижает квантовую эффективность и качество лазерного излучения. Для преодоления такой проблемы разрабатывается технология создания резкого градиента концентраций оптических примесей на незначительных размерах толщины кристаллической були и/или монокристаллической пластины.
Одна из возможностей создания такого градиента - твердофазная диффузия. Из монокристаллической були неактивированного кристалла итрий-алюминевого граната У3А15012 была вырезана пластинка перпендикулярно оси роста с толщиной около 3 мм. Плоскопараллельная монокристаллическая пластинка с двух сторон была отполирована и на нее было осуществлено
напыление тонкого слоя керамики УЬ2О3 методом лазерной абляции. Процесс нанесения керамического слоя осуществлялся по схеме, представленной на рисунке 1 [6].
Рисунок 1 - Схема расположения мишени У2О3 и пластинки У3А15О12 под
колпаком установки ВУП-5
Образец с нанесённой лазерной керамикой показан на рисунке 2.
Рисунок 2 - Образец пластинки У3А15О12, после нанесения керамического слоя УЬ2О3
После получения лабораторного образца структуры У3А15О12 со слоем керамики УЬ2О3 были проведены исследования по получению спектров поглощения и излучения примесных оптических центров в керамическом слое [7]. Однако на данном этапе обнаружить проявление оптических центров не удалось. Было сделано предположение, что высокое качество оптической полировки кристаллической пластинки, и как следствие, низкий уровень адгезии, привели к тому, что зародыши кристаллообразования лазерной керамики на гладкой поверхности пластинки не смогли развиться и разрастись, создавая устойчивое керамическое покрытие на поверхности.
Было принято решение продолжить эксперимент по получению необходимой концентрации примеси оптических центров УЬ в кристалле, но с использованием метода твердофазной диффузии [8]. Образец У3А15О12 с нанесённым на него керамическим слоем УЬ2О3, поместили в корундовый тигель. Сверху и снизу кристаллической пластинки поместили таблетки синтезированного оксида иттербия (УЬ2О3 с концентрацией УЬ около 20%). Далее был произведен термический отжиг образца в полученной структуре «сэндвича» при температурах, близких к 1000° С.
По завершению процесса твердофазного синтеза, пластинка изменила окрас (рис. 3 (б) справа), что проявилось в центрах окраски синеватого цвета в объеме пластинки. Исследование спектральных характеристик кристаллической пластинки повторили по схеме, проведённой до отжига образца, однако явного эффекта оптического проявления примесных центров УЬ достичь не удалось.
Изменение окраски кристаллической пластинки может быть объяснено попаданием неконтролируемых дефектов с алундовых нагревателей высокотемпературной печи твердофазного синтеза.
Рисунок 3 - Изменения окраски кристалла после твердофазной диффузии (б) в
сравнении до процесса отжига (а)
Второй технологический способ получения градиента оптических центров - это создание концентрационного профиля оптических центров как функции продольной координаты кристалла в процессе роста объемного монокристалла.
С помощью метода Чохральского с жидкостной подпиткой [9], в лаборатории Кубанского государственного университета был получен кристалл У3А15012 с концентрационным профилем ионов УЬ , представленный на рисунке 4.
80000 75000 А 70000
и
5 65000
I
х
о 60000
0 с
1 55000
X О.
I 50000 т
45000 40000
Рисунок 4 - Кристалл УзЛ15012:УЬ (фото були справа) и изменение интегрального коэффициента поглощения (энергия поглощения) от продольной
координаты кристалла
Полученные кристаллы были исследованы методами спектрально-люминесцентного анализа, по определению фактического концентрационного профиля УЬ.
60000
-точка 0 мм
-точка 2 мм
-точка 4 мм
-точка 6 мм
-точка 8 мм
-точка 10 мм
-точка 12 мм
-точка 14 мм
1000 1020 1040 1060 1080 1100 Длина волны, нм
50000
40000
30000
20000
10000
0
Рисунок 5 - Спектр излучения кристалла У3Л15012:УЬ при возбуждении полупроводникового лазера с длиной волны генерации 980 нм Были получены спектры поглощения кристалла в зависимости
от
координаты образца, и спектры излучения, по такой же методике (рисунок 5).
На рисунке 6 представлена зависимость изменения интенсивности интегрального излучения от продольной координаты кристалла.
Рисунок 6 - Изменение интенсивности спектра длинноволновой области излучения У3А15012:УЬ от продольной координаты кристалла
Для кристалла, представленного на рисунке 7, в процессе роста задавался максимально возможный градиент концентрации оптической примеси на конусе разрастания.
Рисунок 7 - Фото кристаллической були У3А15012:УЬ с максимальными градиентами оптических центров на конусе разрастания
От кристалла был отпилен боковой сегмент, для исследований РФА. Из кристалла была получена плоскопараллельная пластинка, и отполированы противоположные грани. На образце были проведены исследования спектров поглощения и излучения, результаты представлены на рисунках 8-9.
Проведённые исследования подтверждают наличие меняющейся концентрации оптических центров по длине кристалла, что потенциально может повысить квантовую и энергоэффективность лазерного элемента за счёт снижения термооптических эффектов.
0,5 0,45 0,4
Л
Й 0,35 о н
ё 0,3 л
а
« 0,25 и
| 0,2
Ё 0,15 О
0,1 0,05 0
Ряд 1
Ряд 2
Ряд
3
Ряд
4
880 900 920 940 960 980
Длина волны, нм
1000
1020
1040
Рисунок 8 - Спектры поглощения градиентных кристаллов У3Л15012:УЬ, измеренные в различных координатах кристалла
668000
618000
Ч 568000 <и
168000
980 1000 1020 1040 1060 1080
Длина волны, нм
1100
1120
Рисунок 9 - Спектры излучения длинноволновой части спектра кристаллов У3Л15012:УЬ, измеренный после возбуждения диодного лазера с длиной волны генерации 980 нм, в произвольных продольных координатах пластинки
Методы оптической спектроскопии были верифицированы методами
рентгено-фазового анализа кристаллических образцов. В таблице 1 приведены концентрации примесей ТО от координаты кристалла.
3~ь
Таблица 1 - Содержание Yb в образцах-спилах градиентно-активированного кристалла (РФА-исследования)
Порядковый
номер 1 2 3 4 5 6
образца
Концентрация Yb3+ 5,8 8,9 9 9,2 10 10,1
Проведенные спектральные исследования градиентно-активированных кристаллов Y3Al5O12:Yb подтверждают наличие концентрационных профилей оптических центров. Наличие концентрационного профиля подтверждено исследованием рентгено-фазового анализа экспериментальных образцов.
Библиографический список
1. Оптоволоконное лазерное оборудование по металлу (твердотельный лазер)// Компания «Абамет». - Москва. - (Рус.). -URL: https://www.abamet.ru/catalog/listoobrabatyvajushhie/oborudovanie-lazernoj-rezki/opto-volokonnye-lazery/ (Дата обращения: 24.02.2022)
2. G. Manoj Kumar, D. Narayana Rao, and G. S. Agarwal, "Measurement of local field effects of the host on the lifetimes of embedded emitters," Phys. Rev. Lett. 91(20), 203903 (2003).
3. Дисковый лазер на основе композитного активного элемента из Yb:YAG/YAG / И.И. Кузнецов, И.Б. Мухин, О.Л. Вадимова, О.В. Палашов // Квантовая электроника. - 2015. - Т.45, №3. - С. 207-210.
4. Строганова, Е. В. Исследование и синтез градиентно-активированных кристаллов на основе ниобата лития: специальность 01.04.05 «оптика» дисссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических
наук/ Елена Валерьевна Строганова; Кубанский государственный университет.
- Краснодар, 2017 - 279с. КубГУ: C. 107.
5. АО «ЛЛС»// Yb:YAG - Лазерный кристалл иттрий-алюминиевого граната, легированный иттербием// (Москва) - 2019. - (Рус.). -URL: https: //lenlasers .ru/product/ybyag-lazernyj - kri stall-ittrij -alyuminievogo-granata-legirovannyj -itterbiem/
6. Шелковой, В.Е. Получение и исследование материалов лазерной керамики на основе ниобата лития и YAG/ В.Е. Шелковой. - Краснодар: ФГБОУ ВО «Кубанский Государственный Университет», 2021. - (Рус.). - 40 с.
7. Понетаева, И.Г. Исследование оптических свойств градиентной лазерной керамики на основе ниобата лития: курсовой проект/ И.Г. Понетаева.
- Краснодар: ФГБОУ ВО «Кубанский Государственный Университет», 2021. -(Рус.). - 44 с.
8. Шелковой, В.Е. Получение концентрационного профиля оптических центров методами твердотельной диффузии/ В.Е. Шелковой. - Краснодар: ФГБОУ ВО «Кубанский Государственный Университет», 2022. - (Рус.). - 31 с.
9. Строганова, Е. В. Исследование и синтез градиентно-активированных кристаллов на основе ниобата лития : специальность 01.04.05 «оптика» дисссертация на соискание учёной степени доктора физико-математических наук/ Елена Валерьевна Строганова; Кубанский государственный университет. - Краснодар, 2017 - 279с. КубГУ: C. 38.
