CC BY
53
_____________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Том 155, кн. 1 Физико-математические пауки
2013
УДК 621.373.826.038.825.2
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ И ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КРИСТАЛЛОВ МаЬаСё ДВОЙНЫХ ВОЛЬФРАМАТОВ И МОЛИБДАТОВ, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ Ш3+, Тт3+
П.А. Рябочкина, С.А. Антошкина, Ф.А. Болъщиков, С.Н. Ушаков, С.А. Климин, Д.А. Лис, К.А. Субботин, Е.В. Жариков
Аннотация
В работе представлены результаты исследования спектроскопических характеристик кристаллов NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : N(1 и смешанных ИаЬаСс! двойных вольфраматов (молибдатов) со структурой шеелита, активированных ионами Тт3+ . На основе анализа низкотемпературных спектров поглощения кристаллов NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : N1. а также сравнительного анализа сил осцилляторов сверхчувствительного перехода 41д/2 ^ ^Б/2 + ^7/2 ионов N1®+ в кристаллах NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : N1, сил осцилляторов сверхчувствительных переходов 3Иб ^ 3Н4, 3Иб ^ 3Р4 ионов Тт3+ в кристаллах смешанных КаЬаСс! двойных вольфраматов (молибдатов) со структурой шеелита с аналогичными величинами в других оксидных кристаллах с соответствующими активаторами, сделай вывод о редукции точечной симметрии редкоземельных ионов в этих кристаллах. Представлены результаты генерационного эксперимента па кристаллах смешанных КаЬаСс! двойных вольфраматов (молибдатов) со структурой шеелита, активированных ионами Тт3+.
Ключевые слова: кристалл, редкоземельный ион, спектр поглощения, спектр люминесценции, лазерная генерация.
Введение
Исследование спектрально-люминсценных свойств кристаллов двойных вольфраматов и молибдатов. активированных редкоземельными (РЗ) ионами, началось в 60-х годах XX в. В это же время были предприняты попытки создания на основе этих кристаллов твердотельных лазеров. Однако из-за сравнительно невысоких термомеханических характеристик эти кристаллы не нашли широкого применения в лазерах с ламповой накачкой. Требование к термомеханическим характеристикам кристаллов, активированных РЗ-ионами. значительным образом снижается при использовании лазерной диодной накачки. В соответствии с этим вновь представляется интересным рассматривать кристаллы двойных вольфраматов и молибдатов. активированных РЗ-ионами. в качестве активных сред для компактных лазеров средней мощности. Этот интерес обусловлен следующими характеристиками данных кристаллов:
1) кристаллы двойных вольфраматов (молибдатов) со структурой шеелита, активированные РЗ-ионами. характеризуются высокими значениями сечений поглощения и люминесценции РЗ-ионов:
2) широкие полосы поглощения РЗ-ионов в этих кристаллах обеспечивают лучшее согласование со спектром излучения диодов накачки:
3) широкие полосы люминесценции предполагают получение перестраиваемой по частоте генерации, а также ультракоротких импульсов генерации.
Значительное; количество публикаций последних лет. посвященных исследованию структуры, спектрально-люминесцентных н генерационных характеристик кристаллов двойных вольфраматов и молибдатов, свидетельствует об интересе к ним с точки зрения как фундаментальной науки, так и различных приложений в лазерной физике [1 15].
Интересной и важной особенностью этих кристаллов являются высокие значения сил осцилляторов сверхчувствительных f f-переходов РЗ-ионов [1 9]. некоторые из которых, например, сверхчувствительные переходы 3Нб ^ 3И^ 3Нб ^ 3F4 ионов Tm3+, играют важную роль при получении лазерной генерации па этих кристаллах в условиях полупроводниковой накачки.
В настоящей работе представлены результаты исследования спектроскопических характеристик кристаллов NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd с целью выявления возможной причины сверхчувствительности перехода 419/2 ^ 4 G5/2 иона Nd3+ в этих кристаллах, а также спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик кристаллов смешанных NaLaGd двойных вольфраматов (молибдатов) со структурой шеелита, активированных ионами Tm3+ .
1. Экспериментальные результаты и их обсуждение
Кристаллы NaLai/2Gdi/2(WO4)2 : Nd выращены методом Чохральского. Концентрация ионов Nd3+ в этих кристаллах составила 0.2 ат. %, или 2.5-1019 см-3.
Спектры поглощения ионов Nd3+ щи T = 300 К, обусловленные переходами с основного состояния 419 / 2 на возбужденные мультиплеты для п- и <г-поляризаций ионов Nd3+, зарегистрированы с помощью спектрофотометра Lambda 950 (фирма Perkin Elmer).
Спектры поглощения ионов Nd3+, обусловленные переходами с основного состояния 419/2 та возбужденные мультиплеты 4F3/2, 4F5/2 + 2Н9/2, 4F7/2 + 4S3/2, 4F9/2, 4G5/2 + 2G7/2 в интервале температур 4.5-260 К, зарегистрированы с помощью вакуумного фурье-спектрометра высокого разрешения IFS 125/HR (фирма Bruker). Для получения низких температур использовался оптический криостат замкнутого цикла CryoMech ST 403. Силы осцилляторов для внутрицентровых межмультиплетных f-f-переходов ионов Nd3+ в кристаллах NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd определялись по формуле
rm С2 С
иР = -ГМ k(A) dX, (1)
ne2N A J
где m и e - масса и заряд электрона, с - скорость света, A - средняя длина волны межмультиплетного перехода J ^ J7, N - концентрация ионов Nd3+.
Среднее значение силы осциллятора соответствующего перехода иона Nd3+ в кристаллах NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd при данном значении температуры находилось по формуле
/ср = (2/ + / )/3. (2)
Для определения параметров интенсивности fit (t = 2, 4, 6) применялся хорошо известный метод Джадда Офельта [16, 17]. При этом анизотропия спек-
NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd путем усреднения параметров интенсивности fit (t = 2, 4, 6) для двух поляриза-
fit = (2^ст + )/3. (3)
На рис. 1, ад представлены спектры поглощения кристаллов
NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd для <г- и п-поляризаций переходов, обусловленных
Табл. 1
Экспериментальные значения энергий штарковских подуровней иона Nd3+ в кристаллах NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd
23+^л Энергия, см 1 Г5.6, Г7,8
%/2 0, 95, 157, 233, 420 2, 3
4т 111/2 1966, 2002, 2020, 2059, 2174, 2208 3, 3
4т т13/2 3920, 3950, 3972, 4013, 4142, 4188, 4350 3, 4
4I15/2 5845, 5900, 5943, 6018, 6238, 6274, 6352 4, 4
4Рз/2 11404, 11477 Р 1
4?5/2 + 2Нд/2 12422, 12457, 12514, 12532, 12556, 12623, 12687, 12723 4, 4
4 ч 2 + 4 съ СО 2 *, 13371, 13410, 13498, 13526, 13531 3, 3
4Рд/2 14553, 14633, 14664, 14746, 14771, 14823 2, 3
4С5/2 + 2С7/2 16992, 17059, 17109, *, 17247, 17300, 17421 4, 3
4гл ^7/2 18898, 18921, 18999, 19036 2, 2
2Сд/2 19383, 19416, 19495-19504, 19535 3, 2
2Оз/2 + 4Сп/2 20918, 20960, 21155, 21247 4, 4
2Р1/2 23180 1, 0
поглощением с основного состояния 41д/2 та возбужденные мультиплеты 4Рз/2; 4р5/2 + 2Ид/^ 4Р7/2 + ^3/2, 4С5/2 + 2С7/2 иопов Ш3+ при Т = 4.5-265 К. Приведенные спектры поглощения свидетельствуют о том. что даже при низких температурах линии в этих спектрах характеризуются значительной шириной. Данный факт, по мнению авторов работы [11], обусловлен вхождением ионов в две
неэквивалентные 26- и 2й-познцпн кристаллической решетки двойных вольфрама-тов и молибдатов со структурой шеелита, а также статистическим распределением ионов в ближайшем окружении Мё3+ .
Применяя подход, который использовался авторами работ [3, 5], начальный анализ переходов между штарковскими подуровнями мультиплетов 4Рз/2, 4Р5/2 + 2Ид/2, 4Р7/2 + 4Яз/^ ^5/2 + 2С7/2 ионов Ш3+ в кристаллах NaLal/2Gdl/2(WO4)2 : Мё мы проводили в случае симметрии локального окружения ионов Мё3+, соответствующей Б4. Данная группа точечной симметрии соответствует позициям, которые замещают РЗ-ионы в кристаллах с тетрагональной пространственной группой 14, к которым относятся двойные вольфраматы и молибдаты с шеелитовой структурой.
Путем анализа спектров поглощения кристаллов NaLal/2Gdl/2(WO4)2 : М, зарегистрированных при Т = 4.5-300 К, были определены значения штарковских подуровней энергии ряда мультиплетов ионов Мё3+ в кристаллах NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Мё, соответствующие значения энергий которых представлены в табл. 1.
Из таблицы видно, что кристаллическое поле с симметрией й4 расщепляет основной мультиплет 419/2 та 5 крамерсовых дублетов 419/2 ^ 3Г7,8 + 2Г5,6, а возбужденный мультиилет 4Рз/2 - та два крамерсовых дублета 4Рз/2 ^ Г7,8 + Г5,6. Правила отбора для электродииольных переходов п- и а-поляризаций ионов Ш3+ , соответствующие симметрии £4, представлены в табл. 2.
Из таблицы следует, что электродипольные переходы Г7,8 ^ Г7,8 и Г5,6 ^ ^ Г5,6 для ионов Мё3+ с симметрией £4 являются запрещенными в п-поляризации. Однако зарегистрированные экспериментально спектры поглощения для п-поляризации для перехода 419/2 ^ 4Рз/2 ионов ^з+ в кристаллах NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : N<4 при Т = 4.5 К свидетельствуют о наличии в них
11200 11400 ИМИ) і:’00 12400 їмо
Длина волны (нм)
Рис. 1. Спектры поглощения кристалла NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd при Т = 4-300 К
Табл. 2
Правила отбора для электродп-польиых переходов иопов Ш3+, соответствующие симметрии Я4
Гб,6 оо Г
Гб,6 а а п
00 Ь-~ Г а, п а
полосы поглощения с максимумом 11404 см 1. Необходимо заметить, что в спектрах для п-поляризации, обусловленных переходами между подуровнями муль-
ТИПЛЄТОВ 4І9/2 ^ ^5/2 + 2Нд/2 , 419/2 ^ *^7/2 + 4йз/^ 41д/2 ^ 4^5/2 + ^7/2 ИОНОВ
ш3+ в кристаллах МаЬа^Сё^^О^ : Мё, зарегистрированных при Т = 4.5 К, также присутствуют линии, запрещенные правилами отбора для симметрии £4. Аналогичная ситуация наблюдалась авторами работы [3] при анализе низкотемпературных спектров ионов Тт3+ в кристалл ах МаСё^О4)2 : Тт. Авторы работ [8, 9] связывают это с тем, что в этих кристаллах из-за наличия в кристаллической
Табл. 3
Значения сил осцилляторов в кристаллах, активированных ионами Nd3+ с различной симметрией локального окружения РЗ-иопов
Кристалл N У *> 2 У20з : ™ [21] Саз (NbGa)5 О12 : Nd [19] NaLa(W04)2 : Nd [14] ( N О ^ 2 2 : ^ а / 2
Тип симметрии окружения РЗ-иопа £>2 С2, С31 С2„, С2, С1 S4 ^4(С2)
Конечный мультнплет перехода 41с>/2 ^ У /ехр • 10-6
2Кхз/2 + 4С7/2 + 4гл ^9/2 5.19 9.56 (4С7/2 + 4С9/2) 8.37 8.87 8.26
4Сб/2 + 2С7/2 8.50 + + — 3 г;? ^ з о * '•—■'•СЧ 26.93 47.54 39.95
4Р7/2 + 4Йз/2 7.98 5.56 6.69 6.25 6.21
4Рб/2 + 2Н9/2 8.24 6.78 7.71 7.31 7.10
4Рз/2 1.47 2.17 1.70 2.14 2.87
Табл. 4
Значения параметров интенсивности в кристаллах, активированных ионами Nd3+ с различной симметрией локального окружения РЗ-иопов
Кристалл Тип симметрии окружения РЗ-иопа Параметры интенсивности П (Ь = 2, 4, 6)
П •Ю20 ,см-2 П •ю20 , см-2 Пб •ю20 , см-2
УзА15012 : Ш [19] £2 0.37 2.29 5.97
У20з : Ш [21] С2„, С2, С1 8.55 5.25 2.89
Caз(NbGa)50l2 : Nd [19] С2ъу С2У С1 5.26 4.09 3.58
^&а^04)2 : Nd [14] Я4 11.36 3.79 3.34
NaLa1/2Gd1/2(W04)2 : Nd Я4 (С2, со 8.93 3.34 2.00
решетке двух неэквивалентных 26- и 2^-иозиций, которые могут занимать ионы Тш3+, а также из-за статистического распределения ионов Ма+, Ьа3+, Сё3+ в ближайшем окружении ионов Мё3+, происходит редукция симметрии локального окружения ионов Тш3+.
В [18 20] нами показано, что значения интенсивности сверхчувствительных переходов РЗ-иопов в ряде кристаллов зависят от группы точечной симметрии этих ионов. Так. например, нами показано, что для кристаллов кальций-ниобий-галлиевого граната, в котором присутствуют оптические центры с симметрий локального окружения - С2, характерны высокие значения сил осцилляторов сверхчувствительных переходов, а также параметра интенсивности .
В табл. 3 представлены значения сил осцилляторов для переходов между энергетическими уровнями ионов Мё3+ в кристаллах У3А15012 : ^ [19], У203 : Мё [21], Са3(МЪСа)5012 : Мё [19], NaLa(W04)2 : Мё [4], а также значения для NaLal/2Gdl/2(W04)2 : Мё, полученные в настоящей работе. В табл. 4 приведены значения параметров интенсивности для этих кристаллов.
Из табл. 3. 4 следует, что силы осцилляторов и параметры интенсивности для кристаллов NaLal/2Gdl/2(W04)2 : Мё имеют близкие значения с аналогичными величинами в кристаллах У203 : Мё и Ca3(NЪGa)5012 : М, в которых присут-
С2
а также результаты представленного выше анализа низкотемпературных спектров ионов Мё3+ в кристаллах NaLa1/2Gd1/2(W04)2 : Мё позволяют сделать предположение о редукции симметрии <54 для ионов Мё3+ в этих кристаллах, а именно
С2
Как отмечалось выше, сверхчувствительные переходы 3Нб ^ 3Р-4) 3Нб ^ 3Н4 ионов Тш3+ имеют непосредственное отношение к получению двухмикронной генерации па переходе 3Р4 ^ 3Нб ионов Тш3+ в различных кристаллах.
На заселение верхнего лазерного уровня 3Р4 ионов Тш3+ при получении генерации в двухмикронной области спектра значительным образом влияет процесс кросс-релаксации (3Н4 ^ 3Р4, 3Н6 ^ 3Р4) ионо в Тш3+ при накачке на уровень 3Н4. Подобная схема, обеспечивающая увеличение населенности уровня 3Р4, в настоящее время широко используется при накачке туллпевых лазеров коммерческими лазерными диодами с Аизл = 800 нм.
В работе [2] впервые сообщается о генерации ионов Тш3+ в кристаллах двойного вольфрамата NaGd(W04)2 ^СУУ-Тт) с диодной накачкой.
Ниже представлены результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств кристаллов вольфраматов NaLaxGd1_x(W04)2 : Тш и молибдатов NaLaxGd1_x(Mo04)2 : Тш (ж = 0-1) со структурой шеелита, а также генерационные характеристики лазеров на кристаллах смешанного натрий-лантан-гадоли-ниевого вольфрамата NaLa1/2Gd1/2(W04)2 : Тш с концентрацией тулия 2.6 ат. % (КЪО\¥-2.6Тт) и NaLa1/3Gd2/3(Mo04)2 : Тш с концентрацией тулия 4.8 ат. % (ХЬОМ-4.8Тш) в условиях диодной накачки. Кристаллы смешанных двойных вольфраматов NaLaxGd1_x(W04)2 : Тш и молибдатов NaLaxGd1_x(Mo04)2 : Тш с вариацией состава Ьа 0(1 занимают промежуточное положение между натриевыми вольфраматами (молибдатами) лантана и гадолиния со структурой шеелита.
Исследованные кристаллы двойных вольфраматов и молибдатов выращены методом Чохральского из иридиевого тигля в атмосфере (М2 + 1-2 об.% 02) при скорости вытягивания на номинальной стаднн роста 0.7 мм/ч. Выращенные монокристаллы отжигались на воздухе в течение 4 сут при температуре 800 ° С для снятия термических напряжений, а в случае кристаллов молибдатов также и для удаления черной окраски, типичной для кристаллов молибдатов со структурой шеелита при их выращивании в недостаточно окислительной атмосфере.
Ориентация выращенных кристаллов относительно оптической осп (главной кристаллографической оси 4-го порядка) в первом приближении задавалась направлением монокрпсталлической затравки, вырезанной перпендикулярно этой оси. Ориентация кристаллов уточнялась рентгено-дифракционными методами на дифрактометре ДРОН-3, а также методом оптической коноскопии в скрещенных ннколях на поляризационном микроскопе МИН-8.
Значения фактических концентраций компонентов в выращенных кристаллах определялись методом реитгеноспектралыюго микроанализа на установке БХ 100 (САМЕСА, Франция).
Активные элементы вырезались из исследуемых кристаллов в форме цилиндров диаметром 3 мм и высотой 5 мм таким образом, чтобы оптическая ось кристалла была перпендикулярна осп цнлнндра. На торцы активных элементов наносилось просветляющее покрытие па длины волн накачки (Анак = 795 нм) и генерации (Аген = 1910 нм). На длине волны накачки коэффициент остаточного отражения составил 0.67%, а на длине волны генерации 0.21%.
Рис. 2. Спектры поглощения кристаллов NaLaxGd1-x (WO4)2 : Тш, Т = 300 К, переход 3Нб ^ 3Н4
2
и
760 780 800 820 840 760
Длина волны, нм
780 800 820 840
Рис. 3. Спектры поглощения кристаллов NaLaxGd1-x(MoO4)2 : Тш Т = 300 К, переход
33 Нб ^ Н4
Как отмечалось выше, при получении двухмикроииой лазерной генерации на кристаллах, активированных ионами Тш3+, накачка осуществляется на уровень 3И4 ионов Тш3+. Спектры поглощения ионов Тш3+, обусловленные переходом 3Иб ^ 3И4, для кристаллов смешанных вольфраматов МаЬажСё1_ж^04)2 : Тш и молибдатов МаЬажСё1-х(Мо04)2 : Тш (ж = 0-1) представлены на рис. 2, 3. Из рисунков видно, что спектры поглощения для смешанных двойных МаЬажСё1_ж вольфраматов и молибдатов незначительно отличаются от кристаллов предельных членов ряда (ж = 0, ж = 1).
Спектральные зависимости сечений поглощения и люминесценции переходов 3Иб ^ 3Р4 для кристаллов NaLa1/2Gd1/2(W04)2 : Тш и МаЬа1/3Сё2/3(Мо04)2 : Тш представлены на рис. 4, 5 соответственно.
Оптическая схема лазера для получения генерации на переходе 3Р4 ^ 3И6 ионов Тш3+ в кристаллах 1ЖС\¥-2.6Тт и 1ЖСМ-4.8Тт показана на рис. 6.
В качестве источника накачки при проведении генерационных экспериментов использовалась линейка лазерных диодов 1 мощностью 40 Вт. Температура поддерживалась па уровне 26.5 °С, что соответствовало длине волны излучения вблизи 794 им. Для уменьшения тепловой нагрузки на активный элемент 7 средняя мощность накачки уменьшалась с помощью обтюратора 5, формирующего импульсы накачки длительностью 10 мс с частотой повторения 5 Гц. Излучение линейки лазерных диодов с волоконным выходом 2 (диаметр волокна 800 мкм, числовая
Длина волны, нм
Рис. 4. Зависимости сечения поглощения стаь8(Л) перехода 3Иб ^ 3Р4 и сечения люминесценции стет (Л) вынужденного перехода 3Р4 ^ 3Иб для кристалла МаЬа1/2Gd1/2(WO4)2 : Тт (образец № 2), Т = 300 К
Длина волны, нм
Рис. 5. Зависимости сечения поглощения стаьв (Л) перехода 3Иб ^ 3Р4 и сечения люминесценции стет(Л) перехода 3Р4 ^ 3Иб для кристалла МаЬа1/3Gd2/3(Мо04)2 : Тт (образец № 6), Т = 300 К
Рис. 6. Оптическая схема лазеров па кристаллах ]МЪСЛ¥-2.6Тт, ]МЪСМ-4.8Тт
апертура 0.14) проецировалось внутрь активного элемента с помощью системы линз 3, 4 с фокусными расстояниями, равными 5 и 3 см соответственно. Расстояние между линзами составляло б см. Линза 3 была расположена на расстоянии 5 см от торца волокна, таким образом, она выступала в качестве коллиматорной линзы. Расположение активного элемента соответствовало фокусу линзы 4.
Для эффективного охлаждения активный элемент, обернутый индиевой фольгой, помещался в медный радиатор, температура которого поддерживалась постоянной и равной 180 С. В экспериментах использовался резонатор длиной 5 см, образованный плоским дихроичным зеркалом 6 (Тлнак ~ 90% Тлген ~ 0.5%)
0,30
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
а)
те-поляризация
(^поляризация
а
и
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
0,30п
0,25
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
я-полнризацня о поляризация
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Средняя мощность накачки, Вт
Рис. 7. Зависимость средней выходной мощности генерации от средней поглощенной мощности накачки для кристаллов: а) NaLa1/2Gd1/2(W04)2 : Tm (Стт = 2.6 ат. %). б) NaLa1/3Gd2/3(Mo04)2 : Tm (Стт = 4.8 ат. %)
0,1(»
я
£ 0, М
9
1 0,12
9
3=
■А 0,10
2 й
* 0,08
£ о,0Й
и
1851)
■ Я-Г10ЛИрИ ЧНЦНЯ
о с-поллризаиня
а)
1<Н>0
Длина волны, нм
„ 0,12 со
( оде
(м.
о
* 0.06
= 0,04
= 0,02
V
с.
и 0,00
■ я-поляршаиня □ а-полнрн *:шни
б)
140(1 1950
Длина волны, нм
Рис. 8. Зависимость средней выходной мощности NaLa1/2Gd1/2(W04)2 : Tm (Стт = = 2.6 ат. %) (а) и NaLa1/3Gd2/3(Mo04)2 : Tm (Стт = 4.8 ат. %) (б) лазеров от длины волны при средней мощности накачки Р = 1.0 и 1.5 Вт соответственно
и плосковогнутым зеркалом 9 (Тлген ~ 11%) с радиусом кривизны сферической поверхности 200 мм. Для выделения лазерного излучения п- либо а-поляризаций внутрь резонатора вносилась стеклянная пластинка 8, установленная под углом Брюстера к оси системы. При проведении эксперимента по получению перестраиваемой генерации на кристалле Ж|С\¥-2.6Тт в резонатор лазера вместо стеклянной пластинки устанавливался спектрально-поляризационный фильтр Вуда. Он представлял собой сапфировую пластинку толщиной 5 мм, область свободной дисперсии фильтра составляла 80 нм. При получении перестраиваемой генерации на кристалле ХЬСМ-4.8Тш в качестве фильтра Вуда использовалась кварцевая пластинка толщиной 3 мм с областью дисперсии 160 нм.
Зависимости выходной мощности генерации от мощности излучения лазерного диода накачки, поглощенной в активном элементе, для п- и а-поляризаций для кристаллов Ж|С\¥-2.6Тт и ХЬСМ-4.8Тш представлены на рис. 7, 8.
Нами были осуществлены эксперименты по получению перестраиваемой лазерной генерации с диодной накачкой на кристаллах ХЬС\¥-2.6Тт и ХЬСМ-4.8Тт. Зависимость средней выходной мощности от длины волны для лазера на кристалле 1ЖС\¥-2.6Тт при средней мощности накачки лазерного диода Р = 1.0 Вт приведена на рис. 4, а. Достигнута перестройка длины волны генерации в диапазоне 1860-1935 нм, полуширина полосы перестройки составила ДА = 60 нм для п-поляризации и ДА = 48 нм для а-поляризации. Зависимость средней выходной мощности от длины волны для лазера на кристалле ХЬСМ-4.8Тш при средней мощности накачки лазерного диода Р = 1.5 Вт приведена на рис. 4, б. Достиг-
ДА = 58
для п-поляризации и 46 нм для а-поляризации. Таким образом, в настоящей
Табл. 5
Параметры генерации для кристаллов NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Tm (Стт =2.6 ат. %). NaLai/3Gd2/3(MoO4)2 : Tm (Стт = 4.8 ат. %)
Параметр генерации п-поляризация а-иоляризация
NLGW-2.6Tm NLGM-4.8Tm NLGW-2.6Tm NLGM-4.8Tm
Дифференциальная эффективность, % 34 27 30 23
Полпая эффективность, % 19 15 16 12
Длина волны генерации, им 1908 1910 1918 1918
работе на кристаллах с шеелитовой структурой, активированных ионами тулия, впервые получена плавно перестраиваемая двухмикронная лазерная генерация с полупроводниковой диодной накачкой. Параметры лазерной генерации для обеих поляризаций, полученной на указанных кристаллах, представлены в табл. 5.
Заключение
В настоящей работе представлены результаты исследований спектроскопических характеристик кристаллов NaLai/2Gdi/2(WO4)2 : Nd, на основании которых сделано предположение о существовании в данных кристаллах оптических центров ионов Nd3+ с симметрией локального окружения ниже S4 (C2 , C\ ).
Впервые получена лазерная генерация на кристаллах NaLai/2Gdi/2(WO4)2 : Tm (Стт = 2.6 ат. %) NaLai/3Gd2/3(MoO4)2 : Tm (Стт = 4.8 ат. %) в условиях диодной накачки.
Анализируя характеристики твердотельных лазеров на кристаллах двойных вольфраматов (молибдатов) со структурой шеелита, для которых характерны высокие значения сверхчувствительных переходов 3Иб ^ 3И^ и 3F4 ^ 3H4 ионов Tm3+ , можно сделать вывод о том, что высокие значения сил осцилляторов сверхчувствительных f f-псрсходов РЗ-ионов. участвующих в процессе получения генерации. существенно снижают требования лазеров к яркости источника накачки, а также к потерям па длине волны генерации.
Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (гос. контракт 14.740.11.0071).
Summary
P.A. Ryabochkina, S.A. Antoshkina, F.A. Bolschikov, S.N. Ushakov, S.A. Klimin, D.A. Lis, K.A. Subbotin, E.V. Zharikov. Spectroscopic and Generation Characteristics of NaLaGd Double Tungstates and Molibdates Doped with Nd3+ and Tm3+ Ions.
In this paper, we report the results of the study of the spectroscopic properties of NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd crystals and Tm3+-doped mixed NaLaGd double tungstates (molybdat.es) with scheelit.e structure. We analyzed the low-t.emperat.ure absorption spectra of NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd crystals and compared the oscillator strengths of the hypersensitive transition 4I9/2 ^ 4G5/2 + 2G7/2 of Nd3+ ions in NaLa1/2Gd1/2(WO4)2 : Nd crystals and the oscillator strengths of the hypersensitive transitions 3Иб ^ 3H^ 3Иб ^ 3F^ of Tm3+ ions in the crystals of mixed NaLaGd double tungstates (molybdat.es) having scheelit.e structure with the analogous values in other oxide crystals with the corresponding activators. We made a conclusion about, the reduction of the point, symmetry of rare-eart.li ions in these crystals. We also present the results of the experiment on laser generation in the crystals of Tm3+ -doped mixed NaLaGd double tungstates (molybdat.es) with scheelit.e structure.
Keywords: crystal, rare-eart.li ion, absorption spectrum, luminescence spectrum, laser generation.
Литература
1. Воронько Ю.К., Субботин К.А., Лис Д.А., Попов А.В., Соболь А.А., Ушаков С.Н., Жариков Е.В. Синтез и спектроскопия кристаллов патрий-гадолипиевого вольфра-мата NaGd(WO4)2, акттировапного ионами Tm3+ // Оптика и спектроскопия. -2006. Т. 100, Л» 4. С. 656 663.
2. Жариков Е.В., Лис Д.А, Попов А.В., Субботин К.А., Ушаков С.П., Шестаков А.В., Раздобрссв А.В. Генерационные свойства кристаллов патрий-гадолипиевого вольфра-мата NaGd(WO4)2 , активированного ионами Tm3+ // Квант, электроника. - 2006. -Т. 36, Л» 6. С. 515 516.
3. Cano-Torres J.M., Serranj M.D., Zaldu С., Rico М., Mateos X., Liu J., Griebnar TJ., Petrov V. Broadly tunable laser operation near 2um in locally disordered crystal of Tm3+ -doped NaGd(WO4)2 // J. Opt. Soc. Am. B. - 2006. - V. 23, No 12. - P. 2494-2502.
4. Wang H., Jia G., Yang F., Wei Y., You Z., Wang Y., Li J., Zhu Z., Lu X., Tu, G. Growth and spectral properties of Tm3+-doped NaGd(WO4)2 crystal j j Appl. Phys. B. - 2006. -V. 83, No 4. P. 579 585.
5. Gano-Torres J.M., Hana X., Garcia-Cortes A., Serrano M.D., Zaldo C., Valle F.J., Mateos X., Rivier S., Griebner U., Petrov V. Infrared spectroscopic and laser characterization of Tm in disordered double tungstates // Mat. Sci. Eng. B-Solid. 2008.
V. 146, No 1 3. P. 22 28.
6. Wei Y., Tu G., Wang H., Yang F., Jia G., You Z., Li J., Zhu Z., Wang Y. Thermal and optical properties of Tm3+ : NaLa(WO4)2 crystal j j Appl. Phys. B. - 2007. - V. 86, No 3. P. 529 535.
7. Merkle L.D., Gruber J.B., Seltzer M.D., Stevens S.B., Allik Т.Н. Spectroscopic analysis of Tm3+ : NaLa(MoO4)2 // J. Appl. Phys. - 1992. - V. 72, No 9. - P. 4269-4274.
8. Воропько Ю.К., Жариков E.B., Лис Д.А., Попов А.В., Смирнов В.А., Субботин К.А. Спектроскопия кристаллов NaLa(MoO4)2 : Tm3+ и NaGd(MoO4)2 : Tm3+ - перспективных лазерных материалов // Физика твердого тела. 2008. Т. 50, Л'! 9. С. 1547 1551.
9. Guo W., Chen Yu., Gong X., Luo Z., Huang Yi. Spectroscopic analysis and laser performance of Tm3+ : NaGd(MoO4)2 crystal // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2008. - V. 41, No 11. P. 115409-1 115409-9.
10. Rico М., Volkov V, Cascales G., Zaldo G. Measurement and crystal-field analysis of Er3+ energy levels in crystals of NaBi(MoO4)2 and NaBi(WO4)2 with local disorder // Chem. Phys. 2002. V. 279, No 2 3. P. 73 86.
11. Cascales C., Mendez-Blas A., Rico М., Volkov V., Zaldo C. The optical spectroscopy of lanthanides R3+ in ABi(XO4)2 (A = Li, Na; X = Mo, W) and LiYb(MoO4)2 multifunctional single crystals: Relationship with the structural local disorder // Opt. Mater. 2005. V. 27, No 11. P. 1672 1680.
12. Mendez-Blas A., Rico М., Volkov V., Zaldo C., Cascales C. Optical emission properties of Nd3+ in NaBi(WO4)2 single crystal // Mol. Phys. - 2003. - V. 101, No 7. - P. 941-949.
13. Kaminskii A.A., Eichler H.J., Ueda K., Klassen N. V., Redkin B.S., Li L.E., Findeisen J.,
Nd3+
undoped tetragonal PbWO4, NaY(WO4)2, CaWO4 and undoped mono clinic ZnWO4 and CdWO4 as laser-active and stimulated Raman scattering-active crystals // Appl. Optics. 1999. V. 38, No 21. P. 4533 4547.
14. Garcia-Cortes A., Cascales C., de Andres A., Zaldo C., Zharikov E.V., Subbotin K.A.,
Nd3+
in NaLu(WO4)2 // IEEE J. Quantum Electron. - 2007. - V. 43, No 2. - P. 157-167.
Nd3+
in NdBi(WO4)2 single crystal // J. Alloy. Compd. - 2001. - V. 323-324. - P. 315-320.
16. Judd B.R. Optical absorption intensities of rare-eart.li ions // Pliys. Rev. 1962. V. 127,
No 3. P. 750 761.
17. О felt G.S. Intensities of crystal spectra of rare-earth ions // J. Cliem. Pliys. 1962.
V. 37, No 3. P. 511 520.
18. Белова И.А, Больщиков Ф.А., Воропько Ю.К., Малое А.В., Попов А.В., Рябоч-кина П.А., Соболь А.А., Ушаков С.Н. Интенсивность f — /-переходов редкоземельных ионов
Nd3+ Er3+ Tm3+
в кристаллах кальций-пиобий-галлиевого граната // Физика твердого тела. 2008. Т. 50, Вып. 9. Р. 1552 1558.
19. Ryabuchkina P.A., Bolshakova E.V., Ushakov S.N., Malov A.V., Nishehev K.N. Spect.ro-
Nd3+
V. 132, No 1. P. 240 243.
20. Ryaboehkina P.A., Antoshkina S.A., Bolshakova E.V., Ivanov M.A., Kochurihin V.V., Malov A.V., Ushakov S.N., Shchuchkina N.V., Nishehev K.N. Hypersensitive transitions of Tm3+ , Ho3+ and Dy3+ rare-eart.li ions in garnet, crystals j j J. Luminescence. 2012. V. 132, No 8. P. 1900 1905.
21. Krupke W.F. Optical absorption and fluorescence intensities in several rare-eart.li-doped Y2O3 and LaF3 single crystals // Phys. Rev. - 1966. - V. 145, No 1. - P. 325-327.
Поступила в редакцию 21.11.12
Рябочкина Полина Анатольевна кандидат физико-математических паук, доцент кафедры общей физики, Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, г. Саранск, Россия.
E-mail: ryaboehMnaefreernail.rnrsu.ru
Антошкина Светлана Александровна аспирант кафедры общей физики, Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, г. Саранск, Россия.
E-mail: anabel-2005Qyandex.ru
Волыциков Федор Александрович кандидат физико-математических паук, инженер, Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева, г. Саранск, Россия. E-mail: bolsehikovfaernail.ru
Ушаков Сергей Николаевич кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва, Россия. E-mail: ushakovQlst.gpi.ru
Климин Сергей Анатольевич кандидат физико-математических паук, ведущий научный сотрудник, Институт спектроскопии РАН, г. Троицк, Россия.
E-mail: klirnineisan.troitsk.ru
Лис Денис Александрович паучпый сотрудник, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва, Россия.
E-mail: UsdenisQlsk.gpi.ru
Субботин Кирилл Анатольевич кандидат технических паук, паучпый сотрудник, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва, Россия.
E-mail: soubbotQlsk.gpi.ru
Жариков Евгений Васильевич доктор технических паук, профессор, заведующий лабораторией, Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, г. Москва, Россия: заведующий кафедрой, Российский химико-технологический государственный университет им. Д.И. Менделеева, г. Москва, Россия.
E-mail: zharikov Qretu.ru
