CC BY
0Ш ▲ lilEEEiE* НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ
Спектрально-люминесцентные, механические и лазерные генерационные характеристики нового лазерного кристалла Tm3+:ZnWO4
Зимина Ю.И.12, Титов А.И.12, Кулешова К.В.12, Павлов С.К.12,
Диденко Я.С.1,2
1- Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва
2- Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
Е-mail: yulia_zimina@inbox.ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-108-110
В последнее время моноклинные кристаллы вольфраматов (пр. гр. P2/c) двухвалентных ионов MWO4 (где M = Mg, Zn), легированные редкоземельными ионами (РЗИ, R3+), активно исследуются в качестве перспективного класса материалов для создания на их основе активных лазерных сред ближнего ИК диапазона [1]. Данный класс кристаллов обладает существенным штарковским расщеплением мультиплетов R3+-ионов, высокими значениями и сильной анизотропией пиковых сечений поглощения и стимулированной люминесценции, а также неоднородную уширенность полос излучения и поглощения R^-ионов в данных матрицах.
В частности, на кристалле Tm3+:MgWO4 была получена перестраиваемая генерация в диапазоне, выходящем за пределы 2 мкм [2]. Однако выращивание кристалла MgWO4 проблематично. Структурным аналогом кристалла MgWO4 является ZnWO4. Этот кристалл плавится конгруэнтно и может быть легко выращен методом Чохральского.
Целью данной работы являлось выращивание концентрационной серии кристаллов ZnWO4, легированных ионами Tm3+ и исследование их оптических, механических прочностных, спектрально-люминесцентных, а также лазерных генерационных характеристик.
Кристаллы Tm3+,Li+:ZnWO4 были выращены методом Чохральского на воздухе из Pt тигля. В качестве затравки использовался номинально-чистый кристалл ZnWO4, вырезанный вдоль кристаллографического направления [001]. Скорости вытягивания и вращения составляли 0,5-2 мм/ч и 6 об/мин,
ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
, «ПРОХОРОВСКИЕНЕДЕЛИ-
22-24 октября 2024 г.
соответственно. Выращенные кристаллы дополнительно отжигались на воздухе при 800 °С в течение 2 недель.
Методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой были установлены фактические концентрации легирующих примесей.
Методом призмы были измерены дисперсии и температурные коэффициенты показателей преломления для кристалла 1,59 ат.% Тт, 1,65 ат.% Li:ZnWO4. Показатели преломления Пр и Пg кристалла изменяются в пределах 2,09^2,16 и 2,23^2,35, соответственно (^=0,4^1,0 мкм, 300 К). Температурные коэффициенты показателей преломления уменьшаются от 1,2 ><10-5 до 2,0 ><10-6 в том же диапазоне длин волн.
Методом индентирования были измерены микротвердости и трещиностойкости кристаллов для трех кристаллографических направлений. Микротвердость кристалла Tm3+,Li+:ZnWO4 составляет от 3,9 до 4,8 ГПа, трещиностойкость — от 0,43 до 0,74 МПа-м1/2 для различных направлений.
Ионы Тт3+ в ZnWO4 демонстрируют сильную анизотропию спектроскопических свойств. Полосы поглощения очень широкие (рис. 1а), пиковое сечение поглощения перехода 3Нб^3Н составляет 1,09*10-20 см2 на длине волны 803,6 нм для поляризации Е\\Ы%. Спектры излучения также очень широкие, простираются за пределы 2 мкм (рис. 1б). Пиковое сечение стимулированной люминесценции составляет 0,77*10-20 см2 на длине волны 2015 нм для поляризации
Длина волны (нм) Длина волны (нм)
Рис. 1. Спектры поглощения (а) и вынужденного излучения (б) ионов Тт3+ в кристалле Tm,Li:ZnWO4
Время жизни уровня 3Б4 ионов Тт3+ в ZnWO4 составляет 1,57 мс при температуре 300 К. При помощи низкотемпературной
ШКОЛА-КОНМРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ
(12 К) спектроскопии определено штарковское расщепление в кристалле ZnWO4 мультиплетов 3Нб и 3р4 ионов Тш3+. Показано, что расщепление указанных мультиплетов в данном кристалле довольно велико, и равно АЕ(3Нб) = 644 см-1.
Была получена непрерывная лазерная генерация на кристалле 1,59 ат.% Тт, 1,65 ат.% Li:ZnWO4 с использованием полусферического резонатора. Источником накачки служил титан-сапфировый лазер с рабочей длиной волны 804 нм. Энергетические характеристики и спектр лазерного излучения приведены на рис. 2.
Рис. 2. Лазерные характеристики кристалла Tm,Li:ZnWO4. Энергетические характеристики(а) и спектр лазерного излучения (б)
Авторы выражают благодарность научному руководителю, к.т.н. Субботину К.А. и Лису Д.А. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов.
1. Zhang L., Chen W. et al., Opt. Mater. Express. 2016, 6, 1627-1645.
2. Loiko P., Zhang L., et. al., J. Alloy Compd. 2018, 763, 581-591.
Длина волны
2000 , 1Ы (нм)
