авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Спектрально-кинетические и лазерные характеристики кристаллов na0,4y0,6f2,2, активированных редкоземельными ионами

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Гордеев Егор Юрьевич

Спектрально-кинетические и лазерные характеристики кристаллов Na0,4Y0,6F2,2, активированных редкоземельными ионами

Специальность 01.04.05 – оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Казань – 2010

Работа выполнена на кафедре квантовой электроники и радиоспектроскопии физического факультета ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Наумов Александр Кондратьевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Попов Иван Иванович

кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Герасимов Константин Игоревич

Ведущая организация: Научный центр лазерных материалов и технологий Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН

Защита состоится «___» 2010 г. в ч. мин. на заседании диссертационного совета Д 212.081.07 при ФГАОУВПО «Казанский (Приволжский) федеральный университет» по адресу: 420008, г. Казань, ул. Кремлевская, д. 18, физический корпус, ауд. 210

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. Н.И. Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального университета

Автореферат разослан «_____»_______________ 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Камалова Дина Илевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Лазеры, в которых в качестве активных элементов используется твердое тело – активированные кристаллы – являются весьма популярными. Это связано, в первую очередь, с высоким удельным съёмом энергии с кристаллических активных сред и простотой реализации лазерных генераторов на их основе при высокой монохроматичности генерируемого излучения. Кроме того, компактность и возможность получения перестраиваемого излучения лазеров на твердом теле делают их незаменимыми в широком кругу проблем. Поэтому актуальной задачей является поиск новых кристаллических активных сред для твердотельных лазеров с наилучшими выходными характеристиками, а также с возможностью получения лазерного излучения с длинами волн, на которых ранее лазерная генерации не была реализована.

Одной из последних тенденций квантовой электроники является поиск кристаллических активных сред с разупорядоченной структурой, в которых спектры поглощения и люминесценции активаторных ионов неоднородно уширены [1]. Такая спектроскопическая ситуация в активных элементах способствует (за счет широких полос усиления) получению на них перестраиваемого по частоте излучения и возможности получения и усиления лазерных импульсов ультракороткой длительности. Кроме того, кристаллы с разупорядоченной структурой в сравнении со стеклами, в которых спектры активаторных ионов также неоднородно уширены, имеют большую теплопроводность.



Еще одним направлением развития квантовой электроники является поиск активных сред для лазеров ультрафиолетового (УФ) и вакуумно-ультрафиолетового (ВУФ) спектральных диапазонов. Это связано с потребностями фотохимии, биологии, экологии, медицины, получением сверхчистых веществ и т.п.

Прогресс в развитии квантовой электроники в УФ и ВУФ диапазонах спектра во многом обязан применению в качестве матрицы-основы для активных элементов лазеров – фторидных кристаллов, имеющих широкую (~10 эВ) запрещенную зону, а в качестве ионов для их активации – ионов редкоземельных элементов (РЗЭ). В настоящее время на лазерах с активными элементами на основе фторидных кристаллов, активированных ионами Сe3+ и Nd3+, осуществлена лазерная генерация в УФ и ВУФ диапазонах спектра [2, 3].

Для освоения УФ и ВУФ диапазонов спектра, наряду с поиском новых материалов для активных сред лазеров, не менее важным является создание базы пассивных элементов оптики: зеркал, призм, линз, фазовых элементов, затворов и т.п. К материалам этих элементов для УФ и ВУФ диапазонов предъявляются жесткие требования по их устойчивости к воздействию интенсивного УФ и ВУФ излучения. Удовлетворить этим требованиям могут далеко не все материалы, которые используются традиционно в квантовой электронике в ИК и видимом диапазонах – различные сорта стёкол и кварца. Поэтому совместно с поиском активных элементов для УФ и ВУФ лазеров должен осуществляться поиск материалов для оптических элементов и лазерных устройств УФ и ВУФ диапазонов спектра. Наиболее подходящими материалами для этих целей, как показала практика, являются фторидные кристаллы.

Из всего вышесказанного следует, что поиск новых активных сред для твердотельных лазеров, в особенности для УФ и ВУФ диапазонов, является актуальной задачей, причем поиск материалов для таких активных сред предпочтительно вести среди фторидных кристаллов с разупорядоченной структурой, активированных ионами РЗЭ.

Актуальность данного диссертационного исследования отражена в приоритетных направлениях развития науки, технологий и техники в Российской Федерации [4].

Цель работы – исследование спектрально-кинетических и лазерных характеристик монокристаллов Na0,4Y0,6F2,2 с разупорядоченной структурой, активированных ионами Yb3+ и Сe3+, для установления перспективности их применения в лазерах и лазерных устройствах ИК и УФ диапазонов спектра.

Основные задачи

  1. Выращивание образцов кристалла Na0,4Y0,6F2,2, (далее – NYF), активированных различными ионами Yb3+ и Сe3+, высокого оптического качества.
  2. Измерение температурной зависимости теплопроводности выращенных образцов.
  3. Исследование спектрально-кинетических и лазерных характеристик выращенных образцов кристалла NYF, активированного ионами Yb3+, в ИК области спектра.
  4. Исследование спектрально-кинетических характеристик выращенных образцов кристалла NYF:Ce3+,Yb3+ в УФ области спектра в условиях интенсивного УФ излучения возбуждения.

Научная новизна работы обусловлена тем, что в ней впервые:

1) Измерена температурная зависимость теплопроводности кристаллов NYF и NYF:Yb3+ в диапазоне температур от 50 до 300 К;

2) На кристалле NYF:Yb3+ получена лазерная генерация в непрерывном режиме, перестраиваемая в области от 1005 до 1060 нм;

3) Исследованы оптические свойства кристалла NYF:Ce3+ в условиях воздействия интенсивного лазерного излучения, по результатам которых установлено, что в области полосы 5d-4f люминесценции ионов Се3+ от 301 до 319 нм в кристалле NYF:Ce3+ имеет место наведенное поглощение, обусловленное поглощением из возбужденного 5d состояния;

4) Предложено использовать наведенное УФ излучением возбуждения поглощение в кристалле NYF:Се3+,Yb3+ в устройстве квантовой электроники – оптическом затворе для УФ области, характеристиками которого можно управлять внешним оптическим излучением.

Практическая значимость работы:

  • выявлена новая активная среда NYF:Yb3+ для перестраиваемого лазера ближнего ИК диапазона спектра с практически значимыми выходными характеристиками;
  • предложено использовать кристалл NYF:Ce3+, Yb3+ в качестве оптического затвора для УФ области спектра, характеристиками которого можно управлять внешним оптическим излучением.

Из перечисленного выше сделан вывод, что кристалл Na0,4Y0,6F2,2, активированный различными ионами Yb3+ и Ce3+, является перспективным для его применения в качестве материала-основы различных оптических элементов, для устройств квантовой электроники в ИК и УФ диапазонах спектра.

Защищаемые положения

1. Кристалл Na0,4Y0,6F2,2, активированный ионами Yb3+, может применяться в качестве активной среды перестраиваемого лазера ближнего ИК диапазона с диапазоном перестройки от 1005 до 1060 нм при непрерывной диодной накачке.

2. Поглощение из возбужденного 5d состояния ионов Се3+ в области от 301 до 319 нм препятствует получению УФ лазерной генерации на 5d-4f переходах ионов Се3+ в кристаллах Na0,4Y0,6F2,2:Ce3+.

3. Скорость восстановления пропускания кристалла Na0,4Y0,6F2,2:Ce3+ до исходного состояния при снятии возбуждения можно увеличить в десятки раз путем его соактивации ионами Yb3+.

4. При возбуждении кристалла Na0,4Y0,6F2,2:Ce3+,Yb3+ излучением, резонансным межконфигурационным переходам ионов Се3+, с плотностью энергии 0,5 Дж/см2 существует пороговое значение плотности энергии излучения зондирования на 310 нм около 8 мДж/см2, при котором происходит просветление возбужденного кристалла Na0,4Y0,6F2,2:Ce3+,Yb3.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены в виде устных и стендовых докладов на 3 международных, 1 всероссийской и 1 региональной конференциях и симпозиумах: XIII Feofilov Symposium on Speсtroscopy of Crystals Activated by Rare Earth and Transitional ions (Irkutsk, Russia, 2007), VIII, X, XI международной научной молодежной школе «Когерентная оптика и оптическая спектроскопия» (Казань, Россия, 2004, 2006, 2007), VI научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов НОЦ КГУ «Материалы и технологии XXI века» (Казань, Россия, 2006). Общее число работ по теме диссертации, включая опубликованные тезисы докладов, составляет 12 публикаций. Перечень публикаций по теме диссертации приведён в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Материал изложен на 122 страницах, содержит 40 рисунков, 1 таблицу и список цитируемой литературы из 95 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность данного диссертационного исследования, формулируются цель и задачи работы и положения, выносимые на защиту. Также приводится общее описание работы.

В первой главе формулируются современные требования к материалам квантовой электроники, которых предпочтительно придерживаться при поиске новых материалов. Отмечается, что кристалл Na0,4Y0,6F2,2 удовлетворяет большинству перечисленных требований.

Приводится фазовая диаграмма системы NaF–YF3 [5], указывается, что в средней области составов этой системы, согласно работе [5], образуется флюоритовая фаза Na0,5-xY0,5+xF2+2x (при х=0,1 имеем кристалл NYF).

Отмечается, что в химическом и структурном аспекте специфика соединений Na0,5-xY0,5+xF2+2x состоит в том, что они образуются в системе, где ни один из компонентов которой не имеет флюоритовой структуры. Флюоритовая структура образуется в средней области составов с использованием в качестве «строительного материала» катионов, сильно различающихся по валентности (Na+ и Y3+). Статистическое распределение их во флюоритовой структуре, возникающее при высоких температурах, сменяется дифференциацией Na+ и Y3+ по различным кристаллографическим позициям при понижении температуры. Результатом являются многочисленные упорядоченные фазы с производной от флюорита структурой [5].

Приводится описание некоторых физических свойств кристалла NYF для его потенциального применения как материала для оптических элементов лазеров, отмечается высокая технологичность выращивания кристалла NYF в сравнении с простыми фторидами, обосновывается выбор кристалла NYF в качестве объекта исследований, который был обусловлен следующими причинами:

– большая ширина запрещенной зоны (~10 эВ) [6];

– разупорядоченность структуры;

– высокий коэффициент распределения РЗЭ (~1) [7];

– изотропность физических свойств, обусловленная кубической структурой кристалла [5];

– относительная простота технологии выращивания [7].

Во второй главе приводится описание экспериментальной техники, применявшейся при проведении исследований, отмечается, что для фторидных кристаллов наиболее подходящим методом выращивания является метод Бриджмена-Стокбаргера. Описывается кристаллизационная установка, реализующая этот метод, которая была создана для выращивания образцов кристалла NYF, активированного ионами Yb3+ и Сe3+.

Необходимый температурный градиент в зоне кристаллизации, который составлял 50 °С/см, формировался особой геометрической формой графитового нагревателя. Регулирование питания и стабилизация температуры нагревателя осуществлялись с помощью пропорционально-интегрально-дифференциального регулятора типа РИФ-101, который подключался к нагревателю через согласующий трансформатор. Отмечается, что при относительной дешевизне получившейся установки обеспечивается необходимая скорость увеличения (уменьшения) температуры нагревательного элемента и хорошая стабильность ее удержания в течение всего цикла выращивания – ± 1 °С.





Далее описываются особенности конструкции тиглей, использовавшихся при выращивании кристаллов (однокамерного и многокамерного), приводится описание методики выращивания кристаллов NYF. В ходе выполнения настоящей работы было выращено 13 образцов кристаллов NYF, активированных ионами Се3+, Yb3+, вводимых в кристаллы как по отдельности, так и вместе.

Приводится описание экспериментальных установок, применявшихся для изучения спектрально-кинетических и лазерно-спектроскопических характеристик кристаллов NYF:Се3+, Yb3+.

В третьей главе описываются методы контроля качества выращенных образцов кристалла NYF: визуальный оптический и лазерно-спектроскопический. Критерием качества при визуальном оптическом методе контроля было отсутствие внутренних напряжений в кристалле. При лазерно-спектроскопическом методе контроля критерием качества было значение неравномерности распределения примеси по поперечному сечению образца, не превышающее ±15 %. Отмечается, что все выращенные и подготовленные для исследований образцы удовлетворяли поставленным критериям качества.

В конце главы приводятся результаты измерений температурной зависимости теплопроводности кристаллов NYF и NYF:Yb3+ в диапазоне от 50 до 300 К. Указывается, что зависимость теплопроводности кристалла NYF от температуры является возрастающей [А.1]. Приводится сравнение полученного значения теплопроводности кристалла NYF при 300 К с кварцевым стеклом и упорядоченным кристаллом LiYF4.

В четвертой главе приводятся результаты исследований спектрально-кинетических и лазерных характеристик кристалла NYF, активированного ионами Yb3+, в ИК области спектра. Отмечается, что простая схема энергетических 4f-состояний ионов Yb3+, в которой эффекты кросс-релаксации, апконверсии и поглощения из возбужденного состояния минимальны [1], выгодно отличает его от других ионов РЗЭ (например, Nd3+) при применении в качестве активатора кристаллов для активных сред лазеров ближнего ИК диапазона с накачкой лазерными диодами. Указывается, что лазер на кристаллах, активированных ионами Yb3+, работает по квазитрехуровневой схеме. Обсуждается перспективность использования кристалла NYF для его активации ионами Yb3+.

Рис. 1. Спектр сечения поглощения (прерывистая линия) и спектр сечения вынужденных переходов (сплошная линия), рассчитанные по экспериментальным данным для кристалла NYF:Yb3+ при комнатной температуре

Далее описываются результаты исследований спектрально-кинети-ческих характеристик кристалла NYF:Yb3+. Приводится спектр погло-щения образцов кристалла, зарегист-рированный в области от 870 до 1050 нм. Представлены результаты расчета спектра сечения поглощения и сече-ния вынужденных переходов, прове-денного с использованием интег-рального метода соответствия [8] (рис. 1).

Затем приводятся результаты исследования кинетики затухания люминесценции, обусловленной переходами 2F5/2 – 2F7/2 ионов Yb3+. Отмечается, что для активных сред, работающих по квазитрехуровневой схеме, характерны затягивание кинетики и деформация формы спектров люминесценции, связанные с эффектом перепоглощения излучения люминесценции. Для устранения факторов, связанных с этим эффектом, был использован метод, предложенный в работе [9], суть которого заключается в измерении времени затухания люминесценции в суспензии, состоящей из микрочастиц исследуемого кристалла в жидкости. Люминесценция возбуждалась излучением параметрического генератора света (изл=950970 нм, имп=10 нс). Регистрация кинетики осуществлялась на длине волны 980 нм при температуре 300 К. Концентрация ионов Yb3+ в суспензии изменялась от 0,0065 до 2,0 ат. %. Отмечается, что для всех значений концентрации кинетика люминесценции с хорошей точностью (коэффициент корреляции 0,9999) описывается одноэкспоненциальным законом затухания. Определенное по результатам исследования кинетики затухания люминесценции значение радиационного времени жизни ионов Yb3+ в кристалле NYF составило 2,13±0,06 мс.

Далее представляются результаты расчета спектральной зависимости коэффициента усиления для различных значений относительной населенности возбужденного состояния ионов Yb3+. Отмечается, что при значении относительной населенности возбужденного состояния, равной 0,15, ширина полосы усиления (по уровню 0,1 от максимального значения коэффициента усиления) составляет 70 нм.

По результатам спектрально-кинетических исследований делается вывод о том, что кристалл NYF:Yb3+ является перспективным материалом для активных элементов лазеров ИК диапазона спектра [А.2, А.3].

Далее в главе сообщается о получении непрерывной перестраиваемой лазерной генерации на переходах 2F7/2 – 2F5/2 иона Yb3+ в ближнем ИК диапазоне при накачке лазерными диодами и приводятся результаты измерений генерационных характеристик.

На рис. 2 а представлены зависимости выходной мощности лазерной генерации на кристалле NYF:Yb3+ в непрерывном режиме от поглощенной мощности накачки для различных значений коэффициента пропускания выходного зеркала Твых=1,5 %, 3,5 % и 5,7 % [А.4].

При использовании выходного зеркала с коэффициентом пропускания 5,7 % дифференциальный КПД лазерной генерации составил 57,9±0,3 %.

В экспериментах по возбуждению перестраиваемой лазерной генерации получена спектральная зависимость выходной мощности лазерной генерации, которая представлена на рис. 2 б [А.4]. Отмечается, что кривая перестройки плавная без явно выраженных максимумов. По ширине перестроечной кривой произведена оценка возможной длительности импульса, составившая 60 фс, которая может быть получена в режиме синхронизации мод.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:









 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.