Спектрально-люминесцентные свойства кристаллов стабилизированного диоксида циркония, активированных ионами

1.

СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА
КРИСТАЛЛОВ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ДИОКСИДА
ЦИРКОНИЯ, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ Tm3+ и Ho3+
И ДВУХМИКРОННЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ИХ ОСНОВЕ
П.А. Рябочкина1, Е.Е. Ломонова2, А.В. Кулебякин2, С.Н.
Ушаков2, А. Н. Чабушкин1
1 – Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва
2 – Институт общей физики им. А.М. Прохорова

2.

Цель работы: исследование спектрально-люминесцентных и
Цельстабилизированного
работы
генерационных свойств кристаллов
диоксида циркония,
активированных ионами Tm3+ (ZrO2-Y2O3-Tm2O3) и Ho3+ (ZrO2-Y2O3-Ho2O3)
для создания на их основе макетов двухмикронных лазеров
Задачи:
Регистрация спектров поглощения кристаллов ZrO2-12мол.%Y2O3-2мол.%Tm2O3
и ZrO2-13,6мол.%Y2O3-0,4мол.%Ho2O3 в спектральном диапазоне 350-2400 нм
Регистрация спектров люминесценции кристаллов ZrO2-12мол.%Y2O3-2мол.
%Tm2O3 и ZrO2-13,6мол.%Y2O3-0,4мол.%Ho2O3 в области 1,6-2,4 мкм
Оценка эффективности процесса кросс-релаксации (3H4→3F4, 3H6→ 3F4 между
ионами Tm3+) в кристаллах ZrO2-12мол.%Y2O3-2мол.%Tm2O3
Проведение генерационного эксперимента на кристаллах
ZrO2-12мол.%Y2O3-2мол.%Tm2O3 и ZrO2-13,6мол.%Y2O3-0,4мол.%Ho2O3

3.

Объекты исследований
ZrO2-Y2O3-Tm2O3;
ZrO2-Y2O3-Ho2O3;
Кристаллы получены в лаборатории «Фианит» ИОФРАН
(Зав. лабораторией д.т.н. Е.Е. Ломонова)

4.

Схемы экспериментальных установок для регистрации
спектров поглощения и люминесценции
2
1
3
МДР-23
4
ФП
Синхр.
5
усилитель
Блок
6
управления
7
ПК
Оптическая схема спектрофотметра
Lambda 950

5.

Спектры поглощения кристаллов
ZrO2-12мол.%Y2O3-2мол.%Tm2O3, T=300 K, N=1021 см-3
Спектр поглощения ионов Tm3+ в кристаллах
Кинетики затухания люминесценции с
уровня 3H4 ионов Tm3+ в кристаллах ZrO2ZrO2-12мол.%Y2O3-мол.%Tm2O3,
13,8мол.%Y2O3-0,2мол.%Tm2O3 (1) и ZrO2обусловленный переходом с основного состояния 3H6
12мол.%Y2O3-2мол.%Tm2O3 (2)
на возбуждённый мультиплет 3H4.
k
abs ( )
N
Tm Tm
( I Tm / I 0 )dt
100%
1
'
'
( I Tm / I 0 )dt
βTm→Tm>90%

6.

Спектрально-люминесцентные свойства кристаллов
ZrO2-Y2O-Tm2O3
Сечение усиления для перехода 3F4→3H6
Сечение поглощения и
люминесценции для перехода ионов Tm3+ в кристаллах ZrO2-Y2O3-Tm2O3 для
3
H6↔3F4 ионов Tm3+ в кристаллах ZrO2- значений параметра инверсной населённости
Y2O3-Tm2O3
P = 0,01; 0,03; 0,05; 0,07; 0,09;0,1
exp 7.8 мс
5 I
em
8 c R n 2 I d
Ne
P
Ne N f
gain P em 1 P abs

7. Оптическая схема лазера на кристалле ZrO2-12mol%Y2O3-2mol%Tm2O3

Генерационный эксперимент на кристаллах ZrO2-Y2O-Tm2O3
Оптическая схема лазера на кристалле ZrO2-12mol%Y2O3-2mol%Tm2O3
1 – лазерная диодная линейка; 2 – оптическое волокно (d=400 мкм);
3 – объектив; 4 – прерыватель; 5 – заднее сферическое зеркало (r = -600 мм);
6 – активный элемент; 7 – выходное плоское зеркало
Pпор.=5 Вт, λген. = 2046 нм
Оценка термолинзы наводимой в активном элементе
l
Заднее
зеркало
Выходное
зеркало
ЛД
λ=2046 нм
АЭ
r
d1
d2
f~13 мм

8.

Генерационный эксперимент на кристаллах ZrO2-Y2O-Tm2O3
Осциллограммы импульса генерации
относительно импульса возбуждения
Спектр лазера на кристаллах
ZrO2-12мол.%Y2O3-2мол.%Tm2O3

9.

Спектрально-люминесцентные свойства кристаллов
ZrO2-Y2O3-Ho2O3
Сечение поглощения и люминесценции
для перехода 5I8↔5I7 ионов Ho3+ в
кристаллах ZrO2-Y2O3-Ho2O3
1 8 cn 2 2 J * 1
k ( ) d
4
R
n0 0 2 J 1
5 I
em
8 c R n 2 I d
5
Сечение усиления для перехода
I7→5I8 ионов Ho3+ в кристаллах ZrO2-Y2O3Ho2O3 для значений параметра инверсной
населённости P = 0,05; 0,07; 0,1
Ne
P
Ne N f
gain P em 1 P abs

10.

Генерационный эксперимент на кристаллах ZrO2-Y2O-Ho2O3
Спектр генерации лазера накачки YLF:Tm
Макет лазера YLF:Tm
Спектр поглощения ионов Ho3+ в кристаллах
ZrO2-13,6mol%Y2O3-0,4mol%Ho2O3 (N=2·1020 cm-3)
Макет лазера ZrO2-13,6mol%Y2O3-0,4mol%Ho2O3

11. Оптическая схема лазера на кристалле ZrO2-13,6mol%Y2O3-0,4mol%Ho2O3

Генерационный эксперимент на кристаллах ZrO2-Y2O-Ho2O3
Оптическая схема лазера на кристалле ZrO2-13,6mol%Y2O3-0,4mol%Ho2O3
1 – лазерная диодная линейка с длиной волны излучения 798нм;
2 – фокусирующий объектив; 4 – активный элемент YLF:Tm;
3, 6 – зеркала резонатора лазера YLF:Tm; 5 – поляризационный фильтр Вуда;
7 – прерыватель; 8 – фокусирующая линза с f=50 мм;
9, 11 – зеркала резонатора; 10 – активный элемент ZrO2-13,6mol%Y2O3-0,4mol%Ho2O3.

12.

Генерационный эксперимент на кристаллах ZrO2-Y2O-Ho2O3
Осциллограммы импульса генерации
относительно импульса
люминесценции кристаллов
ZrO2-13,6мол.%Y2O3-0,4мол.%Ho2O3
Спектр генерации лазера на кристаллах
ZrO2-13,6мол.%Y2O3-0,4мол.%Ho2O3

13.

Заключение
• Зарегистрированы спектры поглощения кристаллов ZrO2-12мол.
%Y2O3-2мол.%Tm2O3 с основного cостояния 3H6 на возбуждённые
мультиплеты: 1G4, 3F2, 3F3, 3H4, 3H5, 3F4 ионов Tm3+
• Зарегистрированы спектры поглощения кристаллов ZrO2-13,6мол.
%Y2O3-0,4мол.%Ho2O3 с основного cостояния 5I8 на возбуждённые
мультиплеты: 5I7, 5S2, 5G6, 5F1, 5F4, 5F5, 5I6 ионов Ho3+
• По формуле Фухтбауэра-Ладенбурга была рассчитана спектральная
зависимость сечения люминесценции σe(λ) для перехода 3F4→3H6 ионов
Tm3+ и перехода 5I7→5I8 ионов Ho3+ в кристаллах стабилизированного
диоксида циркония
• Получена спектральная зависимость сечения усиления σg(λ) при
различных параметрах относительной инверсной населённости
(P=0.01; 0.03; 0.05; 0.07; 0.1)
• В работе впервые получена генерация лазерного излучения на длине
волны λген.=2046 нм в условиях полупроводниковой лазерной накачки
на кристаллах ZrO2-12мол.%Y2O3-2мол.%Tm2O3
• Впервые создан макет лазера на кристаллах ZrO2-13,6мол.%Y2O30,4мол.%Ho2O3 с длиной волны излучения 2166 нм, при накачке на
уровень 5I7 ионов Ho3+ лазером на кристаллах YLF:Tm.

14.

Спасибо за внимание

15. Блок-схема установки для регистрации кинетик затухания люминесценции

1 - импульсный твердотельный лазер на основе YAG:Nd LQ 829, вторая
гармоника которого использовалась для накачки перестраиваемого
импульсного твердотельного лазера на основе Al2O3:Ti LX 329 (2),
3 - лазерный диод с λизл≈800 нм, 4 - поворотное зеркало, 5 - образец,
6 - монохроматор МДР-23, 7 - фотоприёмник, 8 - цифровой осциллограф,
9 - компьютер.
Длительность импульса лазера на основе Al2O3:Ti LX 329 составила 20 нс,
полупроводникового лазерного диода ~1мкс

16. Кинетика затухания люминесценции с уровня 3F4 в кристаллах ZrO2-12мол%Y2O3-2мол%Tm2O3

exp 7.8 мс
эксп 7.8 мс
(λвозб = 775 нм, λрег = 1900 нм).
rad 7.9 мс

17.

Установка для прямого высокочастотного плавления диэлектриков
в холодном контейнере «Кристалл-407»
(частота 5.28 МГц, мощность 60 кВт)
ВОДА
Схема загрузки холодного контейнера:
1 - стенка ХК; 2 - дно ХК; 3-скрепляющее
кольцо; 4-теплоизолирующий слой на дне
контейнера; 5-слой бумаги; 6,7 –медные
обечайки; 8 –металл; 9- порошкообразная
шихта; 10 – кристаллические обходы; 11слой порошка и мелкокристаллических
отходов, 12-индуктор.