ВВЕДЕНИЕ......................................................4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР..................................16
1.1 Особенности получения двухмикронной генерации на переходе 3Г4—*3Нб ионов Тш3+, спектрально-люминесцентные и генерационные свойства некоторых кристаллических матриц, активированных ионами Тш +.16
1.2 Кристаллографическая структура, спектрально-люминесцентные и генерационные свойства кристаллов натрий-лантан (гадолиний) вольфраматов и молибдатов, активированных ионами Тш3+........22
ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ, СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ И ГЕНЕРАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ РЯДОВ КРИСТАЛЛОВ ШЕа^^^О^ И НаТахОс11.х(Мо04)2 (х=0-1), АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ Тт3+.......34
2.1 Способы получения, определение количественного состава, геометрия образцов для исследований.................................. 34
2.2 Методика измерения показателя преломления и температурной зависимости показателя преломления кристаллов................38
2.3 Методики исследования спектрально-люминесцентных свойств и определения спектроскопических характеристик.................41
2.4 Методика исследования кинетик затухания люминесценции....50
2.5 Описание методики проведения генерационных исследований..52
ГЛАВА 3. ДИСПЕРСИОННЫЕ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРЕЛОМЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ ШЕЕЛИТОПОДОБНЫХ НАТРИЙ-ЛАНТАН (ГАДОЛИНИЙ) МОЛИБДАТОВ.........................54
3.1 Дисперсионные зависимости показателя преломления кристаллов шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) молибдатов.........54
3.2 Температурная зависимость показателя преломления кристаллов шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) молибдатов.........60
ГЛАВА 4. СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ И КИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОНЦЕНТРАЦИОННОГО РЯДА КРИСТАЛЛОВ ИдЕа^с!,. Х(\У04)2 ИНаЬахСс1ь?с(Мо04)2 (х=0-1), АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ Тш3+.........................................................62
4.1 Спектроскопические характеристики концентрационного ряда кристаллов НаЬахСс1].х(\У04)2 и НаЬахОс11.х(Мо04)2 (х=0-1), активированных ионами Тш34.........................................................62
4.2 Люминесцентные исследования кристаллов концентрационного ряда №ЕахСс11.х(\У04)2 и №ЕахО(11.х(Мо04)2 (х=0-1), активированных ионами Тш3+.........................................................82
2
4.3 Кинетики затухания люминесценции с уровней 3Н4,3Р4 ионов Тш3+ в кристаллах смешанных шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) вольфраматов и молибдатов...................................86
ГЛАВА 5. ГЕНЕРАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ СМЕШАННЫХ ШЕЕЛИТОПОДОБНЫХ НАТРИЙ-ЛАНТАН (ГАДОЛИНИЙ) ВОЛЬФРАМАТОВ И МОЛИБДАТОВ, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ
Тт3+........................................................90
5.1 Генерационные свойства кристаллов смешанных шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) вольфраматов и молибдатов, активированных ионами Тт3+.................................................90
5.2 Заселение и релаксация энергетических уровней ионов Тт3+ в кристаллах смешанных шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) вольфраматов и молибдатов в условиях лазерной генерации на переходе 3Г4—>3Н6 при накачке на уровень Н4...............................................94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................111
3
ВВЕДЕНИЕ
^ 1 о ^
Кристаллы и стекла, активированные ионами Тт (переход ¥4—> Нб) выступают в качестве активных сред для создания лазеров двухмикронной области спектра, которые используются в телекоммуникационных линиях связи, медицине, системах дистанционного зондирования атмосферы, при проведении научных исследований. Эффективность лазерной генерации в различных кристаллах, активированных ионами Тш3+, во многом
*2 , л о
определяется процессом кросс-релаксации между ионами Тт' ( Н4—► ¥4, 3Н$—ЛрД который обеспечивает эффективное заселение верхнего лазерного уровня 3Р4 с квантовой эффективностью равной 2.
Двухмикронная лазерная генерация на переходе 3Р4—>3ГТ6 ионов Тт3" при таком способе заселения уровня 3Р4 в условиях широкополосной ламповой накачки в кристаллах УАвгСг, Тт и ГСГГ:Сг, Тт впервые получена авторами [1].
В настоящее время для накачки твердотельных лазеров широкое распространение получила полупроводниковая лазерная накачка. В условиях лазерной полупроводниковой накачки двухмикронная лазерная генерация получена на кристаллах УАО:Тт [2-6], УАЮ3:Тт [7], которые характеризуются высокими термомеханическими параметрами, что обеспечивает их привлекательность в качестве активных лазерных сред. Однако следует отметить, что максимум поглощения для перехода 3Н6—>3Н4 кристаллов УАО:Тт соответствует длине волны 785 нм, поэтому для накачки данных кристаллов требуются либо дорогостоящие нестандартные диоды, либо сложные системы на основе стандартных диодов (излучение 808 нм) с охлаждением ниже 0 °С. Кроме того, малая ширина линий поглощения ионов Тт3' в приведенных выше матрицах, при значительной зависимости спектра генерации лазерных диодов накачки от температуры, приводит к повышению требований по термостабилизации источников накачки. Это в свою очередь приводит к усложнению конструкции лазера на основе
4
активированных кристаллов и затрудняет его использование при различных климатических условиях.
Наряду с кристаллами УАС:Тт и УАЮз:Тт двухмикронная лазерная генерация получена на кристаллах УУО^Тт [8, 9] и УЬР:Тт [10-12].
В то же время представляет интерес получение двухмикронной генерации на переходе 3Р4—>'3Н6 ионов Тт3* в кристаллах с разупорядоченной кристаллической структурой, активированных редкоземельными (РЗ) ионами. Широкие полосы поглощения РЗ ионов активаторов, вследствие разупорядоченности кристаллической структуры данных материалов, способствуют эффективному преобразованию энергии лазерной полупроводниковой накачки, обеспечивая меньшую критичность к спектральным вариациям источников накачки. Широкие полосы люминесценции ионов активаторов обеспечивают возможность перестройки длины волны лазерного излучения и получение генерации в режиме синхронизации мод.
К кристаллам с разупорядоченной кристаллической структурой относятся кристаллы шеелитоподобных двойных вольфраматов и молибдатов. Первые работы, посвященные исследованию спектрально-люминеценных и генерационных свойств кристаллов двойных вольфраматов и молибдатов с РЗ ионами, появились в 1960-х годах. Однако сравнительно невысокие термомеханические характеристики не обеспечили им широкого применения в лазерах с ламповой накачкой. Использование лазерной диодной накачки значительным образом снижает требование к термомеханическим характеристикам кристалла. В соответствии с этим, вновь представляется интересным рассматривать кристаллы двойных вольфраматов и молибдатов, активированных РЗ ионами, в качестве активных лазерных сред для компактных лазеров малой и средней мощности. Подобный интерес обусловлен следующими особенностями данных кристаллов. В соединениях такого класса существует возможность изменения параметров кристаллической решетки в широких пределах без
изменения типа кристаллической структуры, что позволяет найти матрицу, в которой характер спектров поглощения и излучения активных ионов привел бы к максимальной эффективности преобразования энергии накачки в энергию излучения. Обладая большой изоморфной емкостью, вольфраматы и молибдаты редкоземельных элементов при их активации другими РЗ ионами, часто образуют непрерывный ряд растворов замещения. Это позволяет вводить в эти соединения примеси РЗ ионов в широком диапазоне концентраций от 0 до 100%.
В настоящее время в научной литературе имеются работы по исследованию спектрально-люминесцентных и генерационных свойств кристаллов шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) вольфраматов [13-18] и молибдатов [19-22], активированных ионами Тт3\ Однако в научной литературе нами не обнаружены работы по исследованию спектральнолюминесцентных и генерационных свойств кристаллов натрий-лантан (гадолиний) шеелитободобных вольфраматов и молибдатов с вариацией состава Ьа-вс!, активированных ионами Тт3+. Исследование концентрационного ряда кристаллов ЫаЬахСс^.х^О^г и ЫаЬахСс11.х(Мо04)2 (х=0-1), активированных ионами Тт3+ являлось важным для поиска оптимального состава шеелитоподобных натрийсодержащих двойных вольфраматов и молибдатов, активированных ионами Тт3+, а также способствовало уточнению значений ряда важных спектроскопических характеристик, полученных для предельных членов данного концентрационного ряда: ЫаЬа^04)2:Тт [17, 18], ЫаОс1(\\Ю4)2:Тт [13-16], ЫаЬа(Мо04)2:Тт [19, 22], КаСс^МоООггТт [20, 21], значения которых у разных авторов в ряде случаев являются противоречивыми.
Важной оптической характеристикой лазерного материала является показатель преломления. Значение показателя преломления для данной длины волны необходимо при определении ряда спектроскопических и генерационных характеристик. Для увеличения эффективности лазерной генерации целесообразно нанесение антиогражающего покрытия на торцы
активного элемента, что невозможно без знания величины показателя преломления материала, из которого выполнен активный элемент. Кроме того, для лазерных материалов важно значение температурного
коэффициента показателя преломления —, так как при проведении
сИ'
генерационных экспериментов в условиях оптической накачки в большинстве случаев возникает радиальный градиент температуры в активном элементе. Вследствие этого возможно образование термической
с1п
линзы, характеристики которой зависят от величины и знака .
Из научных источников известны зависимости показателя преломления от дины волны п(Х.) для шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) вольфраматов, однако аналогичных зависимостей для обыкновенной и необыкновенной длин волн в случае шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) молибдатов нами не обнаружены. Поэтому представлялось целесообразным провести измерения показателей преломления п для различных значений длин волн для натрий-лантан (гадолиний) молибдатов, а также исследовать температурную зависимость показателя преломления для данных кристаллов.
Кроме того, в ходе настоящего исследования представлялось интересным выполнить сравнительный анализ спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик разупорядоченных кристаллов шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) вольфраматов и молибдатов, активированных ионами Тш3' с аналогичными характеристиками близких к ним по термомеханическим свойствам разупорядоченных кристаллов кальций-ниобий-галлиевого граната, активированных Тш3+.
Таким образом, целью настоящей работы являлось исследование спектрально-люминесцентных свойств кристаллов разупорядоченных шеелитоподобных натрий-лантан (гадолиний) вольфраматов ЫаЬахПс1|_ Х(\У0.4)2 (х=0-1) и молибдатов №ЬахОс1|.х(Мо04)2 (х=0-1), активированных
7
ионами Тш3+, и возможности их использования в качестве активных сред для лазеров двухмикронной области спектра в условиях лазерной диодной накачки.
Для реализации поставленной цели ставились и решались следующие задачи:
1) исследование спектрально-люминесцентных свойств
концентрационных рядов кристаллов ЫаЬахОс11.х(\У6)4)2 (х=0-1) и КаЬахС(1|_ х(Мо04)2 (х=0-1), активированных ионами Тш3+;
2) проведение генерационных экспериментов на кристаллах ЫаЬао.4бСбо.4б(^04)2:Тт (С1т=2,6 ат. %), КаЬа0з|Об0.б2(МоО4)2:Тт (СТт=4,8 ат. %) в условиях лазерной диодной накачки;
3) моделирование процессов заселения и релаксации энергетических уровней ионов Тш3' в кристаллах КаЬа0>4бОбо,4б(^У04)2:Тт (Стт=2,6 ат. %), НаЬао^Обо^МоОдЬ'Тт (Стт=4,8 ат. %) и определение плотности потока фотонов в резонаторе при получении лазерной генерации на переходе
Р4—* Н6 в условиях накачки на уровень Н4;
4) исследование дисперсионных и температурных зависимостей показателя преломления кристаллов натрий-лантан (гадолиний) шеелитоиодобных двойных молибдатов.
8
Научная новизна
Впервые исследованы спектроскопические характеристики (силы осцилляторов, вероятности переходов) концентрационных рядов кристаллов смешанных шеелитоподобных двойных вольфраматов NaLaxGdi_x(W04)2 и молибдатов NaLaxGdi_x(Mo04)2 (х=0-1), активированных ионами Тт3+.
Получены спектральные зависимости сечения усиления для лазерного
*2 “7 *4 I
перехода Р4—>'Нб ионов Тгп в кристаллах NaI.a0?46Gdo,46(W04)2:Tm и NaLa0.31 Gdo/,2(Mo04)2 :Т m.
Впервые реализована лазерная генерация на переходе 3F4—>3Нб ионов Тш3' в кристаллах NaLao^Gdo^WO^Tm (CTm=2,6 ат. %) в условиях лазерной диодной накачки. Получено лазерное излучение я- и с-поляризаций на длинах волн 1908 нм и 1918 нм при дифференциальной эффективности 34 % и 30 % соответственно. В данных кристаллах реализована перестраиваемая лазерная генерация в спектральном диапазоне 1860-1940 нм. Впервые реализована лазерная генерация на переходе 3F4—>3Нб ионов Тт3+ в кристаллах NaLao.3iGd0.62(Mo04)2:Tm (СГт=4,8 ат. %) в условиях лазерной диодной накачки. Получено лазерное излучение я- и с-поляризаций на длинах волн 1910 нм и 1918 нм при дифференциальной эффективности 27 % и 23 % соответственно.
В результате численного решения системы балансных уравнений для кристаллов NaLa0(46Gdo,46(W04)2:Tm (Стт=2,6 ат. %) и
NaLa0.3iGdo.62(Mo04)2:Tm (CTm=4,8 ат. %) получены временные зависимости
о ^ ^ 'У .
населенности энергетических уровней Н4, F4 и Н6 ионов Тт' , участвующих в получении лазерной генерации на переходе 3F4—>3Н6 ионов Тш3+, и плотности потока фотонов в резонаторе. Получены зависимости времени начала генерации и выходной мощности лазерного излучения от мощности излучения лазерного диода накачки.
Впервые получены дисперсионные зависимости и значения температурного коэффициента показателей преломления (?i=546,07 нм) для
9
- Київ+380960830922