CC BY
29
Том 152, кн. 3
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Физико-математические пауки
2010
УДК 538.958
ОПТИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ И ФОТОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В КРИСТАЛЛАХ CaF2 И KY3F10, АКТИВИРОВАННЫХ ТРЕХВАЛЕНТНЫМИ ИОНАМИ ЦЕРИЯ И ИТТЕРБИЯ
С.А Кирышева, A.C. Низамутдипов, В.В. Семашко, А.К. Наумов, С.Л. Кораблева
Аннотация
Приведены результаты исследований ипдуцироваппых ультрафиолетовым излучением накачки фотодипамических процессов в кристаллах СаРзи KY3F10, активированных ионами Се3+ и Yb3+. Оценены значения сечения поглощения из возбужденного состояния ионов Се3+ и вероятности рекомбинации свободных носителей заряда в этих кристаллах. Впервые обнаружено оптическое усиление в кристалле CaF2 :Се3+ —Yb3+ и приведены его спектральные характеристики.
Ключевые слова: 4f 5й-межкопфигурациоппые переходы, поглощение из возбужденного состояния, фотодипамические процессы, центры окраски, оптическое усиление.
Введение
Оптические технологии в настоящее время испытывают необходимость в простых и недорогих квантовых генераторах, излучающих в ультрафиолетовой (УФ) области спектра, что актуализирует задачу расширения и совершенствование элементной базы квантовой электроники этого диапазона. В свою очередь, прогресс в данном направлении связывается с успехами в области изучения фотодинамических процессов (ФДП) в твердотельных УФ-активных средах и повышения их фотохимической устойчивости по отношению к излучению накачки. Так. на кристалле КУзГю, активированном ионами Се3+. ранее была получена лазерная генерация. однако было обнаружено, что оптические характеристики этой активной среды деградируют по истечении нескольких актов накачки [1]. Попытки зарегистрировать оптическое усиление в УФ-области спектра на 5(1 4£-переходах ионов Се3+ или получить лазерную генерацию на кристалле Сар2:Се3+ не увенчались успехом [2. 3]. В обоих случаях причиной отсутствия или прекращения лазерной генерации в процессе работы являлось образование центров окраски (ЦО) в исследуемых средах под действием излучения накачки. В то же время ранее было показано, что за счет дополнительной соактивации церийсодержащих кристаллов ионами ¥Ь3+ удается понизить концентрацию индуцированных излучением накачки ЦО и существенно улучшить лазерные характеристики активной среды на основе кристалла 1л1л1Г.4:Сс3+ [4].
Целыо настоящей работы явилось исследование ФДП в кристаллах СаБг и КУзГю (КУТ). активированных ионами Се3+ и ¥Ь3+. Были исследованы нелинейные эффекты поглощения излучения накачки в этих кристаллах, а также характеристики оптического усиления в кристаллах СаБг :Се3+ —УЬ3+ в области 5(1 4£-переходов ионов Се3+.
85-, а 80-
□ КУ3Р10:Се+УЬ о КУ3Р10:Се -результат аппроксимации
□ СаР2:Се+УЬ б о СаР2:Се
-результат аппроксимации
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2
1П, Лет2
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1
2
1П, Лет
Рис. 1. Зависимость коэффициента поглощения от интенсивности падающего излучения
1. Техника эксперимента
Исследования динамики оптического усиления/поглощения возбужденных кристаллов СаГ2:Се и КУГ:Се в области И 5с1-псрсходов ионов Се3+ осуществлялись «ршпр-ргоЬс» методом с использованием импульсных лазерных источников излучения накачки и зондирования. Особенности экспериментальной установки и используемых методик описаны в [1]. Для создания активной среды в образцах использовалось излучение с длиной волны 300 нм. получаемое путем ВКР-преобразования в газообразном водороде излучения четвертой гармоники лазера на УАС:Хс1. В экспериментах исследовались зависимости коэффициента поглощения на длине волны 300 нм от плотности энергии излучения возбуждения, а также спектральные характеристики оптического усиления в области 5(1 4£-люминесценции ионов Се3+. В первом случае плотность энергии излучения изменялась в диапазоне от 0.3 Дж/см2 до 1.1 Дж/см2 . а во втором случае плотности энергии накачки и зондирующего излучения фиксировались на уровнях 0.8 Дж/см2 и 0.7 мДж/см2 соответственно. При этом длина волны зондирующего излучения сканировалась в диапазоне 305 309 нм.
2. Экспериментальные результаты
В экспериментах использовались кристаллы СаГ2:Се (С11111 = 1 ат. %), СаГ2:Сс-УЬ (С^ = 1 ат. %, С™' = 0.5 ат. % и С^ = 0.5 ат. %, ( = = 2 ат. %), К УК: Се (СШ| = 1 ат. %) и КУК:('е УЬ (С™1 = 1 ат. %, С™1 = = 1 ат. %), выращенные в НИЛ радиоспектроскопии и квантовой электроники Казанского университета. На рис. 1 представлены типичные зависимости коэффициента поглощения в области 4{ 5(1-переходов попов Се3+ от плотности энергии падающего излучения накачки с А = 300 нм для этих кристаллов.
Интерпретация полученных экспериментальных данных осуществлялась с использованием модели индуцированных излучением накачки ФДП [6]. которая в упрощенном виде представлена на рис. 2.
На рис. 2 основное состояние иона Се3+ обозначено цифрой 1. первое возбужденное состояние цифрой 2. цифрой 3 состояние, с которого наблюдаются излу-чательные переходы (люминесценция) и переходы 3 4. обусловленные поглощением излучения накачки, состояние 4 согласно [6] локализовано в зоне проводимости матрицы. Поскольку наблюдаются переходы на состояния, локализованные в зоне проводимости, их результатом является появление свободных носителей заряда.
ОПТИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ В КРИСТАЛЛАХ CAF2 И KY3F
95
Рис. 2. Модель фотодинамических процессов
которые либо рекомбинируют на примесных центрах, передавая им энергию возбуждения, либо захватываются дефектами кристаллической решетки, образуя ЦО. Существенным является то, что коэффициент поглощения ЦО в исследуемых кристаллах в области 300 нм оказывается значительно меньше, чем коэффициент поглощения ионов Се3+. Поэтому, не нарушая общности модели, можно объединить состояния зоны проводимости и дефектов кристаллической решетки в одно состояние - состояние 4 на рис. 2. При этом вероятность перехода р^2 будет представлять собой комбинацию вероятностей захвата носителя заряда дефектом, термического разрушения центра окраски и рекомбинации на ионах в результате чего по-
следние оказываются в возбужденном состоянии. В модели также учтен переход 4—1, который соответствует каналу рекомбинации свободных носителей заряда не приводящей к возбуждению ионов Се3 ' . Остальные параметры переходов, обозначенные на рисунке, имеют следующий физический смысл: - сечение вынужденных переходов на частоте излучения накачки между состояниями i и j, рх\ -вероятность безызлучательного перехода между возбужденными состояниями 2 и 3 и £>31 - вероятность спонтанного перехода между возбужденным 3 и основным 1 состояниями ионов Се3+. Данная модель может быть описана системой дифференциальных уравнений для населенностей соответствующих состояний:
dni 1
—— = -ад щ 0-12 +П4Р41 +П3 -, (1)
dt т
dn2 , fo\
—— = uni 012 + Р42 ПА ~ Р23 П2, (2)
dt
dn3 1 , ri\
—— = - - n3 + P42 n4 - и a34 n3, (3)
dt т
dn4 /(.
= PA2 n4 + Pai n4 + и cr34 n3. (4)
где пг - населенности соответствующих состояний ионов Се3+, г - время жизни возбужденного состояния, и - плотность потока фотонов излучения накачки. Решением системы (1)—(4) являлись временные зависимости населенностей на состояниях иона Се3+, что позволило оценить количество поглощенных в образцах фотонов излучения накачки. При этом искомые параметры - сечение поглощения из возбужденного состояния иона Се3+ (034) и вероятности рекомбинации свободных носителей заряда £>42 и - варьировались с тем, чтобы обеспечить минимальную невязку между экспериментально полученными и рассчитанными значениями коэффициента поглощения. Результат моделирования представлен на рис. 2, а соответствующие параметры ФДП - в табл. 1.
По результатам расчета сечения поглощения из возбужденного состояния (034) ионов Се3+ в кристаллах KY3F10 и CaF2 имеют тот же порядок величины, что и сечения переходов поглощения из основного состояния (012) • Это объясняет достаточно низкую фотохимическую устойчивость кристаллов КУзЕю:Се и CaF2:Ce
Табл. 1
Значения сечепия поглощения из возбужденного состояния ионов Се3+ (1734). а также вероятности рекомбинации свободных носителей заряда с передачей возбуждения иону Се 3+ (р42 ) и не приводящей к возбуждепию ионов Се 3+ (Р41)
Кристалл 0-34, Х1СГ18 см2 Р42, с 1 Р41, с-1
КУ3Рю:Се 1.0 ±0.3 (6.7 ±3.1) • 109 (2.3 ± 1.2) • 10Б
К Уз Р ю: Се—УЬ (1.2 ±2.2) • 1016
СаР2:Се 8.6 ± 3.8 (2.7 ±3.2) • 109 (9.1 ± 5.2) • 106
СаР2:Сс-УЬ (3.4 ±2.2) • 1016
□ СаГ2:Се 0,5%+\ПЬ 2%
X, нм
Рис. 3. Спектральная зависимость коэффициента оптического усиления для кристаллов СаР2:Се3+ (0.5 ат. 7с) - УЬ3+ (2 ат. 7с) (квадратики), СаР2*:Се3+ (1 ат. 7с) - УЬ3+ (0.5 ат. 7с) (кружочки). СаР2:Се3+ (1 ат. 7с) (треугольники)
по отношению к УФ-излучению накачки. Эти же расчеты показывают, что в кристаллах. активированных только ионами Се3+, рекомбинация индуцированных излучением накачки свободных носителей заряда в основном осуществляется по механизму с передачей возбуждения активаторным ионам (р42 <С р41 )• Важным результатом является то. что при соактивации кристаллов ионами УЬ3+ почти па 10 порядков величины увеличивается вероятность рекомбинации свободных носителей заряда, что свидетельствует о появлении нового дополнительного канала рекомбинации, способного конкурировать с захватом свободных носителей заряда ловушками. Данное обстоятельство и обусловливает эффект подавления процесса образования центров окраски и уменьшения полного коэффициента потерь в области излучательных 5(1 4£-пороходов ионов Се3+ в этих кристаллах.
На рис. 3 представлены зарегистрированные спектральные характеристики коэффициента усиления для кристаллов СаГ2:Со—УЬ.
Из полученной зависимости видно, что для кристалла с концентрацией ионов УЬ3+ С"111 = 2 ат. % наблюдается усиление в диапазоне 325 335 им. а для кристалла. не содержащего ионов УЬ3+. вместо усиления наблюдается поглощение зондирующего излучения. На основе полученных спектральных зависимостей были рассчитаны спектры поглощения центров окраски в кристаллах СаГ2:Со—УЬ. Для этого по формуле Фюхтбауэра Ладенбурга из спектров люминесценции кристаллов была рассчитана спектральная зависимость сечения стимулированного излучения в области 5(1 4£-пороходов ионов Се3+. а затем определен спектр усиления. какой имели бы исследуемые образцы при тех же условиях возбуждения, что
ОПТИЧЕСКОЕ УСИЛЕНИЕ В КРИСТАЛЛАХ САК, И К У... К .
97
40
45-
Д СаР2:Се1% о СаР^Се 1%+УЬ 0,5% □ СаРг:Се 0,5%+УЬ 2%
35-
»
20-
15
10
5-
□ □
I
о
I
о О
I
о
I .0.
310 315 320 325 330 335 340
X, нм
Рис. 4. Спектральная зависимость коэффициента поглощения долгоживущих центров окраски для кристаллов СаР2:Се3+ (0.5 ат. %) — УЬ3+ (2 ат. %) (квадратики). СаР2:Се3+ (1 % ат.) - УЬ3+ (0.5 ат. %) (кружочки), СаР2:Се3+ (1 ат. %) (треугольники)
и при проведении «ршпр-ргоЬе» экспериментов. Представленные на рис. 4 спектральные зависимости коэффициента поглощения ЦО являются разностью рассчитанного коэффициента усиления и зарегистрированного экспериментально.
Полученные зависимости представляют собой коротковолновую часть широкой полосы поглощения долгоживущих центров окраски в соответствии с работами [3. 4]. Из рис. 4 видно, что коэффициент поглощения центров окраски уменьшается с увеличением концентрации УЬ3+ в кристалле.
В результате работы с точностью 30% были оценены значения сечения поглощения из возбужденного состояния ионов Се3+ в кристаллах СаГ2 и КУзГю- Эти сечения по порядку величины оказываются близкими к значениям сечений поглощения из основного состояния ионов Се3+. Такая высокая вероятность процесса поглощения из возбужденного состояния обусловливает низкую фотохимическую устойчивость кристаллов СаГ2 :Се3+ и КУзГ ю :Се3+ по отношению к УФ-излуче-нию накачки. Показано, что в кристаллах, активированных только ионами Се3+. рекомбинация индуцированных излучением накачки свободных носителей заряда в основном осуществляется по механизму с передачей возбуждения активаторным ионам. При соактивации кристаллов ионами УЬ3+ вероятность рекомбинации свободных носителей заряда увеличивается и появляется новый высокоэффективный канал рекомбинации, способный конкурировать с захватом свободных носителей заряда ловушками.
Впервые зарегистрированы спектры оптического усиления в области 5(1 4£-переходов ионов Се3+ в кристаллах СаГ2:Се—УЬ. Показано, что путем соактивации попами УЬ3+ исследованные кристаллы становятся перспективными активными средами УФ-диапазона с широкой полосой усиления.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента РФ НШ-5289.2010.2 и Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ГК Л* П989 и Л* 02.740.11.0428).
Заключение
Summary
S.A. Kirysheva, A.S. Nizamuttlinov, V.V. Semashko, A.K. Naumov, S.L. Korableva. Optical Amplification and Pliotodynamic Processes in CaF2 and KY3F10 Crystals Doped with Trivalent. Cerium and Ytterbium.
UV-pump-induced pliotodynamic processes investigation in CaF 2 and KY 3 F10 crystals doped with Ce3+ and Yb3+ is reported. Excited-state absorption cross section values for Ce3+ ions and recombination transition rates of free carriers in those crystals have been evaluated. For the first time optical amplification in CaF 2 :Ce3+ ^Yb3+ crystal has been observed. Its spectral characteristics are reported.
Key words: 4f 5d interconfigurational transitions, excited-state absorption, pliotodynamic processes, color centers, optical amplification.
Литература
1. Abdulsabiruv R.Yu., Korableva S.L., Nizamuttlinov A.S., Marisov M.A., Naumov A.K., Semashko V.V. Laser related spectroscopy of КУз-г Ybx F ю :Ce3+ crystals // Proc. SPIE. 2006 V. 6054 P. 172 179.
2. Poyashnik D.J., Hamilton D.S. Excited state absorption of Ce3+ ions in Ce3+ :СаРз // Phys. Rev. B. 1987. V. 36, No 16. P. 8251 8257.
3. Hamilton D.S. Trivalent cerium doped crystals as tunable system. Two bad apples // Tunable solid state lasers / Eds. P. Hammerling, A.B. Budger, A. Pinto. Berlin: Springer, 1985. P. 80 90.
4. Semashko V.V., Dubinskii M.A., Abdulsabiruv R.Yu., Naumov A.K., Korableva S.L., Misra P., Haritlas C. Laser properties of the excimer-pumped pliotocliemically stabilized Ce3+:LiLuF4 tunable UV active material // Proc. Int.. Conf. 011 LASERS 2000 (Albuquerque, KM, Dec. 4 8, 2000). McLean, VA: STS Press, 2001. P. 675 678.
5. Nizamuttlinov A.S., Semashko V.V., Naumov A.K., Korableva S.L., Abdulsabirov R.Yu., Polivin A.N., Marisov M.A. Optical and gain properties of series of crystals LiF-YFe-LuFe doped with Ce3+ and Yb3+ ions // J. Luminescence. 2007. V. 127, No 1. P. 71 75.
6. Ншамутдииов А.С., Семашко В.В., Наумов А.К., Абдулсабиров Р.Ю., Корабле-оа С.Л., Марисов М.А. Исследование фотодипамических процессов в кристаллах CaF 2 , активированных ионами Се3+ и Yb3+ // Физ. тверд, тела. 2005. Т. 47, № 5. С. 1403 1405.
Поступила в редакцию 14.12.09
Кирышева Софья Александровна студент физического факультета, лаборант НИЛ MPC и КЭ Казанского (Приволжского) федерального университета.
Низамутдинов Алексей Сергеевич кандидат физико-математических паук, научный сотрудник НИЛ MPC и КЭ Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: anizamutdinovemail.ru
Семашко Вадим Владимирович доктор физико-математических паук, ведущий научный сотрудник НИЛ MPC и КЭ Казанского (Приволжского) федерального университета.
Наумов Александр Кондратьевич кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник НИЛ MPC и КЭ Казанского (Приволжского) федерального у пиверситета.
Кораблева Стелла Леонидовна кандидат физико-математических паук, старший научный сотрудник НИЛ MPC и КЭ Казанского (Приволжского) федерального у пиверситета.
