CC BY
176
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НОВЫХ АКТИВНЫХ СРЕД ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ UP-КОНВЕРСИОННЫХ И ИК ЛАЗЕРОВ А.М. Ткачук, С.Э. Иванова, И.К. Разумова, В.М.Рейтеров, Е.А. Пономарева,
В.Ю. Егоров, Н.В. Никоноров
Модифицированным методом Бриджмена-Стокбаргера.-Степанова. выращены ориентированные кристаллы УЬР:РЗИ высокого оптического качества и разработана технология выращивания кристаллов двойного фторида натрия-иттрия Na^Ya^.^Er^ (NYF:Er3+), активированных ионами Исследованы спектроскопические характеристики, кинетика люминесценции, концентрационное и температурное тушение люминесценции в серии кристаллов NYF:Er3+ (Er 0.5-15%) при селективном лазерном возбуждении. Показано, что люминесценция с уровня 4S3/2 значительно тушится с повышением температуры и с увеличением концентрации эрбия. Люминесценция с уровней 4G11/2, 2G(H)9/2, 4F9/2 и 4I9/2 тушится, в основном, в результате многофононных безызлучательных переходов, а концентрационное тушение люминесценции с уровней 4I11/2 и 4I13/2 не наблюдается.
Изучены процессы формирования инверсной населенности рабочих уровней трехмикронного лазерного перехода в кристаллах двойных фторидов, активированных эрбием, под действием непрерывной накачки излучением InGaAs лазерных диодов (0.967-0.982 мкм). Экспериментально исследованы зависимости населенности уровней 4I11/2 и 4I13/2 от концентрации активаторных ионов при различной мощности селективной накачки. Сделан вывод о перспективности использования активированных эрбием кристаллов двойных фторидов в качестве активных сред для лазеров видимого и ИК диапазона.
1. Введение
В настоящее время, несмотря на огромное количество известных лазерных кристаллов, наиболее широкое практическое применение в лазерах с диодной накачкой нашли активированные неодимом кристаллы алюмо-иттриевого граната Nd:Y3Al5O12 (YAG), иттриевого ванадата Nd:YVO4 и двойого фторида лития-иттрия Nd:LiYF4 (YLF).
По сравнению с известными активными средами для твердотельных ИК лазеров на основе кислородсодержащих соединений (гранаты различного состава, алюминаты, ванадаты, вольфраматы, силикатные стекла и др.) активные среды на основе кристаллов двойных фторидов имеют следующие преимущества и особенности:
• широкая область позрачности (от 0.15 до 7.5 мкм);
• узкий фононный спектр (предельная частота фононов во фторидах состаляет 400560 см - 1, в гранатах 890 см-1), что обеспечивает, с одной стороны, низкие потери на тепловыделение при безызлучательной релаксации энергии возбуждения, с другой стороны, в этих матрицах РЗИ излучают в широком спектральном диапазоне - от ИК до УФ;
• кристаллы двойных фторидов имеют исключительно высокие термооптические характеристики, что делает их незаменимыми в лазерных системах высокой мощности с высокими требованиями к качеству выходного пучка.
Кроме того, кристаллы двойных фторидов технологичны, выращиваются при более низких температурах в графитовых тиглях, что существенно удешевляет их производство.
Кристаллы LiYF4:RE могут рассматриваться как перспективные материалы для визуализации ИК излучения, как лазерные материалы, не уступающие по выходным характеристикам кристаллам гранатов, а в некоторых случаях их превосходящие.
Расширение спектрального диапазона ИК лазеров с диодной накачкой возможно при использовании кристаллов двойных фторидов, активированных редкоземельными ионами (РЗИ): неодима, эрбия, тулия и иттербия, а также кристаллов, соактивирован-ных иттербием и празеодимом, диспрозием, гольмием. Так, на кристаллах двойных фторидов LiYF4 (YLF), BaY2F8 (BYF), активированных эрбием, тулием или гольмием с соактиваторами, возможно получить генерацию при накачке лазерными диодами в ИК
области на ряде длин волн от 0,65 до 3,9 мкм. В кристаллах двойных фторидов УЬБ и БУБ, активированных иттербием и гольмием, эффективно идут процессы ир-конверсии ИК энергии возбуждения в коротковолновую область спектра. Активированные эрбием кристаллы двойных фторидов, в том числе УЬБ:Ег3+, хорошо известны как активные среды для многоцветных лазеров, генерирующих на целом ряде длин волн в видимой и ИК области спектра как при ламповой [1-13], так и при селективной лазерной и диодной накачке [14-28], включая преобразование излучения 0.85 мкм во вторую гармонику 0.425 мкм [11, 25-28] и накачку по ир-конверсионным схемам [29-48], на них продемонстрирован эффект лавинной накачки [49]. Эффективность ир-конверсионного возбуждения кристаллов с РЗИ успешно продемонстрирована на ряде активированных РЗИ кристаллов [50]. Наиболее удобными для накачки лазерными диодами (ЬБ) являются кристаллы, активированные Ег и кристаллы соактивированные УЬ.
В работе исследованы спектроскопические характеристики и концентрационное
3+
тушение люминесценции в серии новых кристаллов Ка04У06Б22:Ег 0.5-15% и процессы формирования инверсной населенности рабочих уровней трехмикронного лазерного перехода под действием непрерывной накачки излучением 1пОаЛв лазерных диодов (0.967-0.982 мкм) и при накачке в области 1.5 мкм.
2. Выращивание кристаллов
Кристаллы УЬБ:Ег и Ш0.4У0.бБ2.2:Ег3+ (0.5-15) ат. % были выращены методом Стокбаргера-Бриджмена из шихты стехиометрического состава, приготовленной твердофазным методом. Синтез шихты для выращивания кристаллов осуществлялся путем термического фторирования каждого из компонент с последующим плавлением смесей в атмосфере аргона с фторирующими добавками.
Исследование диаграммы плавкости системы КаБ-УБ3 показало, что в области больших концентраций УБ3 существует конгруэнтно плавящаяся при 984°С фаза переменного состава со структурой флюорита. Максимум отвечает 60% УБ3. Максимальная область гомогенности флюоритовой фазы при 850-900°С составляет 52-65 мол.% УБ3. Именно эта бертолитовая фаза была использована для выращивания кристаллов Ка0.4У0.6Б22. Выращены кристаллы Ка0.4У0.6Б22: Ег3+ (0.5-100) ат. % из шихты стехио-метрического состава.
Монокристаллы УЬБ:Ег и Ка04У06Б22:Ег3+ хорошего оптического качества (моноблочные, прозрачные) имели диаметр 8 мм, длину 40-50 мм. Проведен контроль их оптического качества. Все выращенные кристаллы были без свилей и пузырей, однако имели ярко выраженную ячеистую структуру, причину возникновения которой предстоит выяснить. По результатам рентгеноспектрального анализа, проводившегося на электронно-зондовом микроанализаторе СатеЬах фирмы СЛМЕКЛ, и спектрофото-метрическим методом проведено определение концентрации активаторных ионов в контрольных образцах. Из выращенных кристаллов состава Ка04У06Б22:Ег3+ (0.5, 1, 2, 5, 10, 15 и 100) изготовлены образцы для спектроскопических исследований.
3. Структура
Кристаллы двойного фторида лития-иттрия УЬБ представляют собой кристаллы с упорядоченной структурой типа шеелита. Пространственная группа симметрии С4ь, кристаллы имеют тетрагональную структуру с параметрами решетки а=5.175 и с=10.740 Л, число молекул в элементарной ячейке 2=4. При активации кристаллов УЬБ редкоземельными ионами последние занимают позиции ионов иттрия с точечной симметрией Б4. Редкоземельные ионы (ЯЕ3+) изоморфно и изовалентно замещают ионы У3+, матрица УЬБ допускает активацию редкоземельными ионами первой половины
лантаноидного ряда в высоких концентрациях, вплоть до 100%. Концентрация редкоземельных ионов первой половины лантаноидного ряда в буле изменяется по длине кристалла в соответствии с концентрацией примеси в расплаве и зависит от длины кристалла и объема расплава, для ионов второй половины ряда коэффициент вхождения практически равен 1.
Кристаллы двойного фторида натрия-иттрия представляют собой кристаллы с неупорядоченной структурой типа твердых растворов и принадлежат к системе КаБ-УБ3.
Кристаллы состава 2КаБ-3УБ3 имеют формулу Ка0.4У0.6Б2.2 [51]. Методами рент-генофазового анализа и рентгеноструктурного микроанализа при исследовании различных участков монокристаллов обнаружено незначительное изменение постоянной кристаллической решетки по длине монокристалла, для Ка0.4У0.6Б2.2 параметр решетки а изменялся от 0.5503 до 0.5499 нм [52]. Показано, что соединения с флюоритовой структурой в системе КаБ-УБ3 не имеют стехиометрической дистектики и являются твердыми растворами с формулой Ка05.хУ05+хБ2+2х [53]. Границам устойчивости существования таких растворов в широком температурном интервале отвечают значения х в диапазоне 0.08-0.12. Кристаллы состава 2КаБ-3УБ3, имеющие формулу Ка0.4У0.6Б2.2 в дальнейшем будем называть КУБ.
Кристаллическая структура КУБ представляет собой модифицированную структуру флюорита (СаБ2), в которой 40% ионов Са2+ замещено ионами Ка+ , а остальные 60% - ионами У3+. Кристаллы имеют кубическую структуру с постоянной решетки а = 0.5503 нм, число молекул в элементарной ячейке 2= 4. Каждый катион расположен в центре куба из восьми анионов, и каждый анион окружен тетраэдром из катионов (Б-).
При активации кристаллов КУБ редкоземельными ионами последние изоморфно
3+
замещают ионы У и занимают позиции с точечной симметрией Б4. Матрица КУБ допускает активацию редкоземельными ионами первой половины лантаноидного ряда в высоких концентрациях, коэффициент вхождения неодима в кристаллы КУБ:Кё3+ близок к единице, Кш = 0,85 [54], коэффициент вхождения эрбия КЕг=1.
4. Спектроскопические характеристики и самотушение люминесценции
в кристаллах NYF:Er
Оптические спектры кристаллов КУБ:Ег представляют собой широкие слабо структурированные полосы поглощения и излучения. В спектре поглощения кристал-
3+
лов КУБ:Ег имеются широкие полосы поглощения в интервалах 790-801 нм, 965-980 нм и 1500 нм, удобные для накачки лазерными диодами. Соответствующие экспериментальные значения пиковых поперечных сечений поглощения из основного состояния (ОБЛ) для КУБ:Ег при Т=300 К равны: сгра (800)= 0,48.10-21 см2,
(970)= 1,5.10-21 см2, (1530)= 4,2.10-21 см2.
Результаты детального исследования оптических спектров кристаллов Ка04У06Б22:Ег3+ при различных температурах (6, 12 и 300 К) и различных способах возбуждения опубликованы в работе [55].
На основании данных анализа спектров поглощения и люминесценции при низких (6 и 12 К) температурах определена структура штарковского расщепления уровней эрбия как «квазицентров», для которых характерно неоднородное уширение штарковских компонент. Из спектров поперечных сечений поглощения при Т=300 К рассчитаны силы осцилляторов переходов из основного состояния эрбия на возбужденные мульти-
плеты, методом Джадда-Офельта определены параметры интенсивности О!:
-20 -20 -20 2 = 1.65-10" , = 0.56-10" , С26 = 1.01-10" см . С этими значениями параметров интенсивности рассчитаны вероятности излучательных переходов, коэффициенты ветвления и сделаны оценки вероятностей многофононных безызлучательных переходов
(МФБП) для КУБ:Ег. Изучена кинетика затухания люминесценции с излучательных уровней эрбия при их селективном возбуждении наносекундными лазерными импульсами и определены внутрицентровые времена жизни излучательных уровней эрбия при различных температурах.
В настоящей работе детально экспериментально и теоретически исследованы процессы самотушения люминесценции в кристаллах КУБ:Ег3+ при низкой (6 и 12 К) и комнатной температуре. Исследована кинетика люминесценции серии кристаллов Као.4Уо.6(1-Х)ЕгхЕ2.2 (х=0.005 -0.15) при их селективном лазерном возбуждении наносекундными импульсами перестраиваемых лазеров. Рассмотрено концентрационное и температурное тушение люминесценции с излучательных уровней эрбия (/' = 13/2, 11/2, 9/2), 4Б9/2, 4Б3/2, 20(И)9/2 и 4011/2. В работе на основании спектроскопических характеристик внутрицентровых переходов, полученных в [55], методом модельного кванто-вомеханического расчета получены микропараметры миграции и самотушения люми-
3+
несценции ионов Ег , сделаны оценки скоростей самотушения излучательных уровней в концентрационной серии кристаллов.
Рассмотрение возможных схем тушения люминесценции с уровней ('=11/2 и 13/2) показало, что люминесценция с этих уровней в кристаллах КУБ:Ег3+ концентра-ционно не тушится. Тушение люминесценции с уровней 4011/2, 20(И)9/2, ^ (/=9/2, 7/2, 5/2), 4Б3/2, и 419/2 возможно как в результате МФБП, так и при безызлучательном переносе энергии по кросс-релаксационным схемам.
Теоретические оценки скоростей переноса энергии использованы для анализа кинетики затухания люминесценции с уровней 4011/2, 20(И)9/2, 4Б9/2, 4Б3/2, и 419/2 при их селективном возбуждении. Получено хорошее соответствие экспериментальных и расчетных кинетических кривых и скоростей самотушения в зависимости от концентрации эрбия.
Показано, что люминесценция с уровня 4Б3/2 значительно тушится с повышением температуры и с увеличением концентрации. Для люминесценции с уровней 4011/2, 20(И)9/2 и 419/2 характерно тушение за счет МФБП, поскольку они отделены от нижележащих уровней энергетическими зазорами АЕр < 1900 см- . Так, при низких концентрациях эрбия (до 5 %) уровни 4011/2, 20(И)9/2 и 419/2 тушатся в значительной степени в результате МФБП, а при увеличении концентрации до 15% скорость самотушения становится сопоставимой со скоростью МФБП. Самотушение люминесценции с уровня 4Б9/2 незначительно, люминесценция с уровней ^ (/'= 7/2, 5/2) потушена за счет МФБП. Из кинетичесих кривых затухания люминесценции с уровня 4011/2 при УФ возбуждении сделано предположение о возможности ир-конверсии с этого уровня при безызлуча-тельном взаимодействии возбужденных уровней эрбия. Детально результаты исследования самотушения люминесценции в кристаллах КУБ:Ег изложены в статье [56].
Таким образом, в работе показано, что в кристаллах КУБ:Ег3+ процессы нелинейного тушения и ир-конверсии играют существенную роль, особенно при высоких уровнях накачки. Конкуренция этих процессов при вариации концентрации эрбия и плотности мощности накачки позволяет управлять населенностью на возбужденных уровнях эрбия. Эти обстоятельства создают предпосылки для получения многоцветной генерации кристаллов КУБ:Ег3+ и позволяют рассматривать их в качестве потенциальных активных сред для лазеров видимого диапазона. В дальнейшем полученные данные будут использованы при исследовании эффективности заселения возбужденных уровней эрбия при непрерывной селективной накачке излучением лазерных диодов и оптимизации состава кристаллов для получения генерации в ИК и видимой области спектра.
По совокупности излучательных характеристик сделано заключение о перспективности использования кристаллов КУБ:Ег3+ в качестве активных сред твердотельных лазеров с накачкой лазерными диодами и перестройкой длины волны излучения.
5. Исследование процессов переноса энергии в кристаллах двойного фторида лития-иттрия LiYF4:Er при селективной накачке лазерными диодами
5.1. Исследование излучательных характеристик кристаллов УЬГ:Ег
Спектроскопические параметры УЬБ:Ег лазерной среды были определены на основании результатов детального исследования спектров поглощения кристаллов УЬБ:Ег, определения параметров интенсивности методом Джадда-Офельта, расчета сил осцилляторов переходов в поглощении [57], что позволило рассчитать силы осцилляторов межмультиплетных переходов в кристаллах УЬБ:Ег.
На рис. 1 (а, б) и 2б (кривая 2) приведены фрагменты экспериментальных спектров поперечных сечений поглощения кристаллов УЬБ:Ег в областях, пригодных для лазерной диодной накачки, записанные нами при комнатной температуре.
а , 10-21 см2
эЬБ
У1_Р:Ег3
I 3,0
X
ф
? 2,5
<и
2,0
1,5 -
1,0 -
£ 0,5
ах10 , ст2
7 6 5 4 3 2 1
790 800 810 а)
У1_Р:Ег3+
I 4,
820
830 840 X, нм
а(971.8пт ) = 6.8.10-21 ст2 а(972.4 пт) = 4.96.10-21 ст2
940
960
980 1000
Длина волны, нм
1020
б)
Рис. 1. Фрагменты спектров поглощения кристаллов УЬР:Ег для п и а-поляризаций в спектральной области, удобной для накачки 1_Р, излучающими в области 800 и 975 нм
Нами исследованы излучательные характеристики кристаллов УЬБ:Ег. Спектры
4т 4т 4Т 4Т
люминесценции, соответствующие переходам 111/2 ^ 113/2 и 113/2 ^ 115/2, исследованы при непрерывной селективной накачке 1пОаЛв лазерными диодами (ЬБ), излучающими в области 972 мкм, и при накачке излучением лазера на УЬ,Ег стекле, излучающего в области 1.53 мкм. На рис. 2а, 2б приведены фрагменты поляризованных спектров люминесценции кристаллов УЬБ:Ег, соответствующие указанным переходам.
I , отн. ед.
!ит'
а)
1_1УР4:Ег3+ (5 ат.%)
1" " " п+о 2-о
X =2.84 мкм
ген
2 I
2600 2650 2700 2750 2800 Длина волны
2850 2900
X, нм
I
ф ^
о ф
2
I
ф 3 о с 1_ о с
I , отн.ед.
!ит'
1,51,00,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5
а)
У1_Р:Ег 1%.
о ь (1533 нм, п)=0.81.10-20 см2
,Х, =1617 нм
I !аБ
4| 4| , -15/2 13/2 X =1532 нм
ритр
• о ь , о - ро1.
аЬэ' ^
• °аье' П - Р0!.
• и о - Ро!
•I, ,о+п
1400
10-20 см2
1450
1500
1550
1600
1650
1700
Длина волны,нм
б)
Рис. 2. Оптические спектры кристаллов УЬР:Ег3 . а) Люминесценция, переход 1ц/2 ^ 4113/2, возбуждение 1_й 972 нм, поляризация о (кривая 1) и п+о (кривая 2). б) Переход 4113/2 ^ 4115/2 в поглощении (внизу) и в излучении (кривые вверху), возбуждение 1_й 972 нм, поляризация о - кривые 1, 3. п - кривая 2 и п+о (кривая 4)
^итт отн. ед. 1 2,0 -| I
ф о
¥ 1,5 Н
2
£ 1,0-о
0
1
т
I 0,5Н ф
0,0
960
УЬР:Ег 5% Накачка Ьй Хритр=1.53 мкм.
980 1000
Длина волны, нм
1020
о
аЬБ
Рис. 3. Спектр люминесценции кристаллов УЬР:Ег, переход 1ц/2 ^ 115/2 при ир-конверсионном возбуждении 1_й, излучающим в области 1.53 мкм
(переход 4115/2 ^ 4113/2). Т=3000К
На рис. 2.б показаны также а- и п-поляризованные спектры поперечных сечений поглощения для перехода 4115/2 ^ 4113/2. Стрелками указаны длины волн накачки ^т^ 1.53 мкм и генерации 1.617 мкм, полученной на кристалле YLF:Er при накачке излучением лазера на Yb,Er стекле. Фрагмент спектра люминесценции кристаллов YLF:Er, соответствующий переходу 4111/2 ^ 4115/2, был записан при возбуждении излучением непрерывного волоконного лазера, излучающего в области 1.53 мкм (переход
44
!ш2 ^ I15/2), он показан на рис. 3.
5.2. Концентрационные зависимости стационарных населенностей и динамика заселения уровней 41ц/2 и 4113/2 эрбия в кристаллах УЬ¥:Ег при накачке СW излучением лазерных диодов
В активной среде возможность создания инверсной населенности рабочих уровней генерационных переходов во многом определяется скоростями процессов межионного взаимодействия, роль которых резко возрастает с ростом концентрации активатора. В частности, именно эти процессы ограничивают выходные лазерные характеристики, поскольку они определяют скорость заселения рабочих уровней лазерных переходов. С целью оптимизации состава активных сред на основе кристаллов YLF:Er нами проведено детальное исследование концентрационных зависимостей стационарных на-селенностей рабочих уровней 4!11/2 и 4!13/2 эрбия в условиях стационарной накачки.
Относительная концентрация, х - N../К1
Рис. 4. Расчетные (сплошные кривые) и экспериментальные (точки) концентрационные зависимости стационарных населенностей N = п,хЫу рабочих уровней трехмикронного лазерного перехода 4111/2 ^ 4!13/2 при непрерывной накачке излучением лазерных диодов в области 0.97 мкм. Кривые 1, 2, 3 - М(х) для уровня 4!13/2, кривые 4, 5, 6, 7 - М(х) для уровня 4!11/2. Плотность мощности накачки Рритр/Б = 350 Вт.см-2 (кривая 4), 620 Вт.см-2 (кривые 1, 5), 880 Вт.см-2 (кривые 2, 6) и 1100 Вт.см-2 (кривые 3, 7). Т=3000К. На вставке - зависимость смещения максимума населенности (Ы2,тах) от плотности
мощности накачки для уровня 4!11/2
Экспериментально были исследованы поляризованные спектры люминесценции серии кристаллов ЫУ^Ег^ (х=0.003-1), соответствующие переходам с начального и
конечного уровней лазерного перехода 41ц/2 ^ 411з/2 при селективной накачке. Относительные изменения населенностей исследуемых уровней контролировались по ИК спектрам стационарной люминесценции кристаллов в диапазонах длин волн, соответствующих переходам с уровня 4111/2: переходы 4111/2 ^ 4113/2 (2.7-2.8 мкм) и 4111/2 ^ 4115/2 (0.96-1.04 мкм), а также с уровня 4113/2: переход 4113/2 ^ 4115/2 (1.45-1.65 мкм). Селективное стационарное возбуждение уровня 4111/2 осуществлялось при накачке излучением X ~ 0.97 мкм лазерных диодов. Результаты иллюстрируют кривые на рис. 4. На рис. 4 точками показаны концентрационные зависимости интенсивности люминесценции с уровней 4113/2 (кривые 1-3) и 4111/2 (кривые 4-6) при различных плотностях накачки в условиях стационарного, прямого, селективного ЬБ возбуждения верхнего уровня 4111/2 лазерного трехмикронного перехода. Экспериментальные зависимости стационарной населенности уровней 4111/2 и 4113/2 от концентрации эрбия в кристаллах УЬБ:Ег3+ при х=0.003-1 получены при плотностях мощности накачки 350, 620, 880 и 1100 Вт/см2, на рис. 4 они указаны точками. Сплошные кривые представляют собой расчетные зависимости стационарных населенностей N = щхЫу рабочих уровней трехмикронного лазер-
44
ного перехода 111/2 ^ 113/2, рассчитанные для условий непрерывной накачке излучением лазерных диодов в области 0.97 мкм.
Для выяснения динамики процессов заселения уровней эрбия при селективной ИК накачке была исследована теоретически и экспериментально кинетика люминесценции с возбужденных уровней эрбия при импульсной накачке уровня 4113/2 излучением 1.53 мкм моноимпульсного лазера.
Расчет проводился в рамках решения стационарных и кинетических уравнений баланса для шести нижайших уровней иона эрбия в кристаллах УЬБ с учетом наиболее вероятных излучательных и безызлучательных спонтанных переходов и процессов самотушения и ир-конверсии. Все процессы, учтенные в расчетах, указаны на рис. 5 тонкими стрелками, а - процессы самотушения, у - процессы ир-конверсии. Значения констант переноса определены в рамках известных теорий переноса энергии по значениям микропараметров переноса [58], полученных методом модельного квантовомеханиче-ского расчета [59-61].
Нц/2
%/2 (П5)
А^ у2 у4 а3
Х2 (П4)
Wij ЬБ
у3 а2
%/2 (Пз) 4Т
Т11/2
(П2)
у1 2.8 мкм 1
4Т13/2 (П1)
у1 у2 у3 у4 а
Т15/2 (По)
т*
4*-
а 1
I а2
а3
а4 ЬБ
Рис. 5. Уровни энергии и схемы безызлучательного Бг-Бг взаимодействия в кристаллах УЬР:Бг3+. Ду - вероятности излучательных переходов I ^ ], W¡j - безызлучательная релаксация, а| - константы самотушения, у| - константы ир-конверсии. Жирная стрелка - лазерный переход
Е
7/2
Как видно из рис. 4, максимум интенсивности излучения с уровня 111/2 лежит в области концентраций эрбия 8-15 %. Населенность уровня 41ц/2 с увеличением концентрации и плотности мощности возрастает и достигает насыщения.
YLF:Er 15%, А, =1.53 |im
ч
<и
н о ю
Я
к
<D
я
о
(U
-а
н о
в
о
к
<D
к
0,80,7 0,6^ 0,5 0,4 0,3 0,20,1 0,0
1 2 - - n 4| n0 |15/5 П 4. n1 113/2
3 n 4| n2 |11/2
4 n3x10 |9/2
5 -n4x100 4F9/2
6 n5x100 4S9/2
150 200 250 Время, |С
400
Рис. 6. Результаты расчета кинетических уравнений баланса для УЬР:Ег при ир-конверсионном возбуждении моноимпульсами 1.5 мкм лазера. Кривые 1-6 -
относительная населенность уровней эрбия 4!15/2 (основное состояние), 4!
4!Э/2, 4Рэ/2, 4Эз/2, соответственно
15/2, 113/2,
4|1
1/2
Ч <и
О
к
<D
я
о
ё S
-а
н о
В
£ В
К
К
1,2-1 1,00,8 0,60,40,20,0
YLF:Er 15%, pump=1.53 m
'11/2
Level,
lum
1
= 980 nm 2 .
3 •
exp P0 exp P0 exp P0+NG8
4--- П2 calc. P0
3, Ppump=02P0
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Время, мс
Рис. 7. Кинетика заселения кинетики заселения уровня 4!11/2 при накачке моноимпульсами 1.5 мкм лазера уровня 4!13/2. Кривые 1-3 - экспериментальные кинетики при различной плотности мощности накачки, кривая 4 - расчетная кривая населенности уровня 4!13/2
Результаты расчета кинетических уравнений баланса для условий короткого импульса возбуждения (дельта-функция) уровня 4113/2 представлены на рис. 6. Расчет про-
1
4
веден с теми же самыми значениями микропараметров переноса, что и для схем безыз-лучательного переноса энергии, приведенных на рис. 5.
Как видно из расчетных кривых, при импульсной накачке возможно создание инверсной населенности между уровнями 4S3/2 и 4I9/2, что означает возможность получения генерации в области 1.7 мкм при ир-конверсионной накачке лазерными диодами.
Экспериментальные зависимости интенсивности люминесценции с уровня 4I11/2 в кристаллах YLF:Er (15%) при накачке, наносекундными импульсами 1.5 мкм лазера на Yb,Er стекле при различной плотности мощности накачки показаны на рис. 7.
Из сравнения расчетной кинетики заселения уровня 4I11/2 с экспериментальными зависимостями следует, что одни и те же микропараметры переноса хорошо описывают процессы заселения возбужденных уровней эрбия в кристаллах YLF.
Выводы, сделанные на основании анализа расчетных и экспериментальных концентрационных зависимостей стационарных населенностей Ni = nixNY рабочих уровней 3-х микронного лазерного перехода I11/2 ^ I13/2 (рис. 4), хорошо согласуются с экспериментальными данными по исследованию концентрационной зависимости эффективности непрерывной трехмикронной генерации кристаллов YLF:Er Нами и в работе [19] получена максимальная эффективность генерации на переходе I11/2 ^ I13/2 при непрерывной накачке уровня 4I11/2 лазерными диодами на кристаллах YLF:Er3+ с концентрацией эрбия 15%. В работе [24] наибольшая эффективность генерации по наклону YLF:Er лазера nsl = 50% получена также на кристаллах с концентрацией NEr =15 ат.% при накачке Ti - сапфировым лазером.
6. Заключение
Исследование спектроскопических характеристик кристаллов YLF:Er и NYF:Er
44
показало, что непрерывную генерацию на самоограниченном переходе I11/2 ^ I13/2 при накачке излучением лазерных диодов можно получить, если использовать для расселения конечного уровня лазерного перехода процессы безызлучательного переноса энергии - самотушения и ир-конверсии. Скорость этих процессов увеличивается с ростом интенсивности накачки и концентрации эрбия по квадратичному закону. В результате
44
населенность верхнего уровня I11/2 увеличивается, а нижнего уровня I11/2 - уменьшается, и при определенном соотношении плотности мощности накачки и концентрации активатора возможно достигнуть инверсию населенности на лазерном переходе I11/2 ^ 4I13/2, несмотря на то, что время жизни конечного уровня в три раза больше времени жизни начального уровня лазерного перехода, т.е. на «самоограниченном» переходе. На основании полученных результатов сделан вывод о перспективности использования кристаллов двойных фторидов, активированных эрбием, для получения многоцветной генерации и генерации в области 2.8 мкм, что позволяют рассматривать их в качестве потенциальных активных сред для лазеров видимого и ИК диапазона.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России, ЛОТ-21, проект 9.
Литература
1. Pollack S.A. // Proc. IEEE. 1963. V. 51. P. 1793
2. Kintz G.J., Allen R., Esterowitz L. // Techn. Digest of CLEO'95. 1995. P. 215. WE5-1
3. Chicklis E.P., Naiman C.S., Linz A. // Digest of Technical Papers VII IQEC, Montreal. 1972. P. 17.
4. Morosov A.M., Podkolzina I.G., Tkachuk A.M. et al. // Opt. Spektr. 1975. Vol. 39. P. 65.
5. Petrov М.^, Tkachuk A.M. // Opt. Spektr. 1978. Vol. 45. P. 147-155.
6. Korableva S.L., Livanova L.D., Petrov M.V., Tkachuk A.M. // J. Techn. Physiki. 1981. Vol. 51. P. 2572-2575
7. Petrov М.V., Tkachuk A.M., Feofilov P.P. //Isv. Acad. Nauk SSSR. Ser. Рhys. 1981. V. 45 (3). P. 654-658
8. Kaminskii A.A., Sarkisov S.E., Seiranjan K.B. et al. // Isv. Acad. Nauk SSSR. Ser. Neorg. Mater. 1982. V. 18. P. 527.
9. Tkachuk A.M., Petrov М.V., Chilko A.V. // Spectroskopija Crystallov. L. Nayka. 1983. P. 106-123
10. Tkachuk A.M., Petrov М.V., Korableva S.L., Podkolzina I.G. // Isv. Acad. Nauk SSSR, ser. phys. 1988. Vol. 52(3). PP. 537-541
11. Hubert S., Meichenin D., Zhou B.W., Auzel F. // J. of Luminescence. 1991. Vol. 50. P. 7-15.
12. A.M.Tkachuk, V.V.Shumilin and V.V.Lazo // Proc. 4th Int. Conf. on Laser Applications in Life Sciences. SPIE. 1992. V. 1922. P. 263-271.
13. A.M. Tkachuk, V.V.Shumilin, V.V.Lazo, N.N.Smirnov, V.F.Danilichev, A.F.Gatzu, D.V.Ganin. // Proc. 4th Int. Conf. on Laser Applications in Life Sciences, SPIE. 1992. Vol. 1922. P. 255-262
14. Kintz G.J., Allen R., Esterowitz L. // Appl. Phys. Lett. 1987. Vol. 50(22). P. 1553-1555
15. Auzel F., Hubert S., Meichenin D. // Appl. Phys. Lett. 1989. Vol. 54(8). P. 681-683
16. Stoneman R.C. Lynn J.G., Esterowitz L. // IEEE J. Quantum Electron. 1992. Vol. 28(4). P. 1041-1045
17. Schmaul B., Huber G., Clausen R. et al. // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 62(6). P. 541-543.
18. Danger T., Koetke J., Brede R. et al. // J. Appl. Phys. 1994. V. 76(3). P. 1412-1422.
19. Jensen T., Diening A., Huber G., and Chai B.H.T. // Optics Lett. 1996. V. 21. P. 585-587.
20. Pollnau M., Luthy W., Weber H.P., Jensen T., Huber G., Cassanho A., Jenssen H.P., McFarline R.A. // Opt. Lett. 1996. Vol. 21. №1. P. 48-50.
21. Pollnau M., Spring R., Ghisler et. al. // IEEE QE. 1996. V. 32(4). P. 657-662.
22. Pollnau M., Spring R., Wittwer S. et al. // J. Opt. Soc. Am. B 1997. V. 14(4). P. 974-978.
23. Wyss Chr., Luthy W., Weber H.P. et al. // SPIE. Biomedical System and Technologies II. 1997. V. 3199. P. 206-214.
24. Wyss Chr., Luthy W., Weber H.P., Rogin P., Hulliger J. // Opt. Commun. 1997. V. 139. P. 215-218.
25. Wyss Chr., Luthy W., Weber Heinz P.// IEEE QE 1998. V. 34(6). P. 1041-1045.
26. Voss H., Massmann F. // Techn. Digest CLEO'97, 1997. P.74. CTuE-2
27. Mobert P.E.-A., Heumann E., Huber G., Chai B.H.T. // Appl. Phys. Lett. 1998. V. 72(2). P. 139.
28. Voss H., Massmann F. // OSA TOPS ASSL 1997. V.10. P.217.
29. Pollack S.A., Chang D.B. // J. Appl. Phys. 1988. V. 64(6). P. 2885-2893
30. Lenth W., Silversmith, Macfarline R.M. // Advances in Laser Spectroscopy. 1988. V. 5. P. 5-12.
31. S.A., Chang D.B., Birnbaum M. // Appl. Phys. Lett. 1989. V. 54(6). P. 869-871
32. Tong F., Risk W.P., Macfarline R.M., Lenth W. // Electronic Letters. 1989. V. 25(20). P.1389-1391.
33. Macfarline R.M. // Appl. Phys. Lett. 1989. V. 54(23). P. 2301-2302.
34. Hebert T., Wannemacher R., Lenth W., Macfarline R.M. // Appl. Phys. Lett. 1990. V. 57(17). P. 1727-1729.
35. Hebert T., Risk W.P., Macfarline R.M., Lenth W., Jenssen J.P., Dube G. //Proc. ASSL, OSA. 1990. P. 379.
36. McFarline R.A., Robinson M., Pollack S.A. // Proc. SPIE. 1990. V. 1223. P. 294.
37. Macfarline R.M. // Optics Lett. 1991. V. 16(18). PP. 1397-1399.
38. Knowles D.S., Jenssen J.P. //IEEE QE. 1992. V. 28(4). PP. 1197-1208.
39. Macfarline R.M., Whittaker E.A., Lenth W. // Electronic Letters. 1992. V. 28. P. 2136.
40. Xie P., Rand S.C. // Optics Lett. 1992. V. 17(17). P. 1198.
41. Xie P., Rand S.C. // Appl. Phys. Lett. 1990. V. 57(12). P. 1182.
42. Stephens R.R., Macfarline R.M. // Optics Lett. 1993. V. 18. P. 34.
43. Xie P., Rand S.C. // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 63. P. 3125.
44. Xie P., Rand S.C. // J. Opt. Soc. Am. B. 1994. V. 11(5). P. 901.
45. Brede R.., Heumann E., Koetke J., Danger T., Huber G., Chai B. // Appl. Phys. Lett. 1993. V. 63(15). P. 2030-2031.
46. Heine F. // Appl. Phys. Lett. 1994. V. 65. P. 383.
47. Heine F., Heumann E., Mobert P., Huber G., Chai B. // Techn. Digest of ASSL. 1995. P. WD2.
48. Pinto J.F., Rosenblatt J.H., Esterowitz L. // Electron. Lett. 1994. V. 30. P. 1596.
49. Auzel F., Chen Y. // J. Lumin. 1995. V. 65. P.45.
50. Auzel F. // Chem. Rev. 2004. V. 104. P. 139-173.
51. Багдасаров Х.С., Каминский А.А., Соболев Б.П. // Кристаллография. 1969. Т.13. С. 779.
52. Заморянская М.В, Петрова М.А., Семенова Т.С. // Неорганические материалы. 1998. Т. 34б. № 6. С.752-757.
53. Заморянская М.В., Морозова Л.Г., Полетимова А.В. и др.// ЖПС. 1991. Т. 55. №6. С. 1010-1013.
54. Ткачук A.M., Полетимова А.В., Петрова M.A. и др. // Опт. и спектр. 1991. Т. 70, вып. 6. С. 1230-1235.
55. Ткачук А.М., Иванова С.Э., Joubert., M.-F., Guyot Y..// Опт. и спектр. 2004, Т. 97. № 2. С. 266-285.
56. Ткачук А.М., Иванова С.Э., Joubert., M.-F., Guyot Y. //. Опт. и спектр. 2005. Т. 99. № 6. С. 969-986.
57. Ткачук А. М., Полетимова А.В., Петров М.В. // Опт. и спектр. 1985. T. 59. № 5. C. 1136-1139.
58. Ткачук A.M., Клокишнер С.И., Петров M3. // Опт. и спектр. 1985. T. 59. № 4. C. 802-811.
59. Ткачук A.M., Клокишнер С И. // Опт. и спектр. 1986. T. 61. № 1. С. 84-90
60. Ткачук A.M., Клокишнер С И. // Опт. и спектр. 1990. Т. 68. №. 4. С. 745-752.
61. Ткачук A.M. // Опт. и спектр. 1990. Т. 68. №. 6. С. 1324-1336.
