CC BY
38
УДК 535:543.42, 538.958, 535:530.182
СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГРАДИЕНТНО-АКТИВИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ НИОБАТА ЛИТИЯ С КОНЦЕНТРАЦИОННЫМИ ПРОФИЛЯМИ ИОНОВ Yb3+ И Er3+
Елена Валерьевна Строганова
Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптоэлектроники, тел. (928)423-12-35, e-mail: stroganova@phys.kubsu.ru
Валерий Викторович Галуцкий
Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптоэлектроники, тел. (918)419-32-95, e-mail: galutskiy17v@mail.ru
Николай Николаевич Налбантов
Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, аспирант кафедры оптоэлектроники, тел. (929)854-39-72, e-mail: nikovv92@mail.ru
Алексей Сергеевич Козин
Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, аспирант кафедры оптоэлектроники, тел. (918)291-97-77, e-mail:krogot@mail.ru
Впервые исследованы люминесцентные свойства градиентно активированных кристаллов ниобата лития с концентрационными профилями оптических центров ионов иттербия и эрбия. Показано, что спектрально-люминесцентные свойства градиентных кристаллов кор-релируются с концентрационными профилями оптических центров доноров Yb3+ и акцепто-
т- 3+
ров Er .
Ключевые слова: градиентно-активированные кристаллы, концентрационные профили оптических центров, спектрально-люминесцентные свойства.
SPECTRAL AND LUMINESCENT CHARACTERISTICS OF THE GRADIENT ACTIVATED LITHIUM NIOBATE CRYSTALS WITH CONCENTRATION PROFILES OF IONS Yb3+ AND Er3+
Elena V. Stroganova
Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropol st., Ph. D., associate Professor at the Department of optoelectronics, tel. (928)423-12-35, e-mail: stroganova@phys.kubsu.ru
Valeriy V. Galucci
Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropol st., Ph. D., associate Professor at the Department of optoelectronics, tel. (918)419-32-95, e-mail: galutskiy17v@mail.ru
Nikolai N. Nalbantov
Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropol st., postgraduate student of the Department of optoelectronics, tel. (929)854-39-72, e-mail: nikovv92@mail.ru
Aleksey S. Kozin
Kuban State University, 350040, Russia, Krasnodar, 149 Stavropol st., postgraduate student of the Department of optoelectronics, tel. (918)291-97-77, e-mail: krogot@mail.ru
Luminescent properties of lithium niobate crystals with non-uniform distribution of ytterbium and erbium ions were studied for the first time. Correlation between shapes of profiles of dopants' concentrations, and spectral and kinetic properties of infrared and green luminescence was discovered.
Key words: non-uniformly doped crystals, concentration profiles of optical centers, spectral and kinetic properties.
Лазерные кристаллы ниобата лития с неоднородным распределением ионов эрбия и иттербия [1], высокая генерационная эффективность которых была описана в работах [2-3], отличаются развитым спектром энергетических состояний, что позволяет наблюдать лазерную генерацию как в ИК-диапазоне (1,5 мкм), так и в видимой области (зеленые и красные ап-конверсионные линии). Данная особенность открывает перспективы создания многоканальных лазерных систем на базе одного кристалла. Однако эффективность совместной генерации вышеперечисленных спектральных компонент недостаточно изучена для целей оптимизации энергетических параметров системы.
На рис. 1 представлены концентрационные профили оптических центров Yb и Er (рис. 1, а) градиентно-активированного кристалла LiNbO3, полученного в КубГУ (рис. 1, б). Изменение спектров поглощения и излучения ионов эрбия в различных точках кристалла.
а)
1
0
0
10
20
30
Длина кристалла, мм
Рис. 1. Концентрационные профили оптических центров Yb и Er (а) в кристалле LiNbO3 (рис. 1, б): маркерами на рис. 1, а отмечены интегральные коэффициенты поглощения оптических центров, измеренные в различных координатах кристалла
На рис. 2 представлены спектры излучения ионов эрбия после накачки излучением полупроводникового лазерного диода АТС SEMICONDUCTOR DEVICES LDD-10 с длиной волны генерации на 980 нм в непрерывном режиме работы, измеренные в различных координатах исследуемого кристаллического образца в спектральных областях 520-580 нм (ап-конверсия) (рис. 2, а) и 14001700 нм (рис. 2, б).
а)
о
Г-
400
£ ?300
к CL
2 =200
-
100 о
5000
j « 4000
о =
О -
= ° 3000
= Z 2000
1000
—17-18mm •• 21-22 mm ■ - 24-25 mm — 26-27 mm, -27-28
б)
500 550
длина волны, нм
600
1400 1500 1600 длина волны, нм
1700
Рис. 2. Спектры излучения ионов эрбия, измеренные в различных координатах кристалла:
а) изменение интенсивности ап-конверсии Бг в спектральной области 520-580 нм; б) изменение интенсивности Бг в области 1400-1700 нм
Как видно из представленных исследований, интенсивность излучение
У 3+
процесса ап-конверсии Бг увеличивается с ростом концентрации оптических центров. Однако, интенсивность излучения в области 1,5 мкм с ростом концентрации оптических центров уменьшается.
На рис. 3 представлена корреляция процессов поглощения и излучения оптических центров с концентрационными профилями. Исследования показали, что излучение в области 1,5 мкм ионов-акцепторов Бг хорошо коррелируется с концентрационным профилем ионов-доноров УЬ . Зависимость интенсивно-
3~Ь 3+
сти 1,5 мкм излучения ионов Бг от концентрации доноров УЬ может быть объяснено с позиции прямого и обратного безызлучательного переноса энергии электронного возбуждения в системе взаимодействия доноров и акцепторов. На рис. 4 представлена кинетика люминесценции ЫКЬ03:УЬ,Бг, измеренная после импульса основной гармоники УЛО:№ лазера на длине волны 1620 нм. Неэкспоненциальный вид кривой кинетики затухания подтверждает наличие прямого и обратного процесса переноса энергии электронного возбуждения
3~Ь 3+
между донорами УЬ и акцепторами Бг .
1,2
ч® \ 0,8 в? в
I 0,6
н х
а
ш 0,4
ы
0,2
10 15 20
Длина кристалла, мм
25
—УЬ —Ег
О поглощение Ег О поглощение УЬ
Д излучение Ег на 1,5 мкм
30
Рис. 3. Корреляция процессов поглощения и излучения оптических центров
Ег3+ и УЬ3+ с концентрационными профилями
.3+
1
0
0
5
Рис. 4. Кинетика затухания люминесценции кристалла LiNbO3:Yb,Er, измеренная после возбуждения импульсом основной гармоники лазера
УАО:№ на длине волны 1620 нм
Была проведена оценка эффективности излучения ап-конверсии ионов Er3+ в спектральной области 520-580 нм. Для решения задачи использовали измеритель мощности THOR LABS S370C, с чувствительностью 3,87 мВ/Ватт. На рис. 5 представлен спектр интенсивности оптического излучения, которое по эффективности составляет порядка 10 % от поглощенной энергии лазерного диода, с длиной волны генерации 980 нм, кристаллом LiNbÜ3:Yb,Er.
Теоретические исследования, проведенные по результатам оценки квантовой эффективности процесса ап-конверсии для зеленой спектральной линии, полностью соответствуют экспериментальным данным и составляют величину порядка 12 %.
Таким образом, в результате проведенных исследований получено, что величина интенсивности 1,5 мкм излучения в градиентно-активированных кристаллах коррелируется с концентрационным профилем доноров Yb , что объясняется процессами прямого и обратного переноса энергии электронного возбуждения между примесными оптическими центрами. Проведены теоретические и экспериментальные исследования квантовой эффективности ап-конверсии в зеленой спектральной области ионов Er3+, которая составляет порядка 10-12%.
1 7 0 0 0 1 7 5 0 0 18 0 0 0 18 5 0 0 19 0 0 0 19 5 0 0
энергия, см-1
Рис. 5. Оптическая мощность излучения процесса ап-конверсии ионов
Ег в кристалле ЫКЬО3:УЬ,Ег
Работа выполнена в рамках государственного задания 2014/75 НИР №1291 (14/200-т).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Growth of single crystal with a gradient of concentration of impurities by the Czochralski method using additional liquid charging / E. V. Stroganova, V. V.Galutskiy, M. I. Vatlina // Journal of Crystal Growth. - 2009.- V. 311. - №4. - P. 1190-1194.
2. Увеличение эффективности накачки при использовании градиентно-сенсибилизированных лазерных кристаллов / Е. В. Строганова, В. В. Галуцкий, Д. С. Ткачев и др. // Оптика и спектроскопия. - 2014. - Т. 117. - №6. - С. 1012-1017.
3. Особенности преобразования частоты в градиентных кристаллах PPLN / Е. В. Строганова, В. В. Галуцкий, С. А. Шмаргилов, Н. А. Яковенко // Квантовая электроника. - 2014. -Т. 44. - №1. - С. 30-33.
© Е. В. Строганова, В. В. Галуцкий, Н. Н. Налбантов, А. С. Козин, 2016
