Автореферат: Механизмы образования фототропных активаторных центров хрома и ванадия в кристаллах гранатов

Рис.7. Интенсивности люминесценции для трех образцов ГСГГ: Cr: Nd.

1- образец №1 (без Cr⁴⁺)

2- образец №2 (конц. Cr^{4 +}3*10¹⁶ см^-3)

3- образец №3 (конц. Cr^{4 +}3*10¹⁷см^-3)

На всех трех образцах были проведены генерационные испытания в режиме свободной генерации и модуляции добротности на длине волны 1.33 мкм. При этом на торцы активных элементов были без просветляющих покрытий. Свободная генерация была получена на образце N2 с содержанием Cr⁴⁺3*10¹⁶ см³. На образцах 1,3 генерация не наблюдалась. Генерационная характеристика образца N2 в режиме свободной генерации на длине волны 1.33 мкм приведена на рис.8. Кроме того на образце N2 была получена генерация в режиме пассивной модуляции добротности с использованием пассивного кристаллического затвора на основе кристалла АИГ: V³⁺. Таким образом, была показана возможность использовать полосу поглощения тетраэдрического Cr⁴⁺ для создания селективных распределенных потерь на длине волны 1.06 мкм.

Рис.8 Зависимость выходной энергии от энергии накачки в режиме свободной генерации на л~1.33 мкм для образца ГСГГ: Cr: Nd №2.

Наличие селективных распределенных потерь на длине волны 1.06 мкм внутри кристаллов ГСГГ: Cr: Nd позволило получить генерацию на длине волны 1.33 мкм даже на активных элементах с непросветленными торцами. В отсутствии потерь на длине волны 1.06 мкм, обусловленных тетраэдричесими ионами Cr⁴⁺, достичь порога генерации на длине волны 1.3 мкм в активном элементе с непросветленными торцами практически никогда не удается. При этом при дальнейшем увеличении энергии накачки наблюдалась генерация на длине волны 1.06 мкм обусловленная френелевским отражением от торцов АЭ.

В главе четыре представлены результаты исследований спектров кристаллов алюмоиттриевого граната легированного ионами ванадия. Как было показано в работах М. Вебера, ванадий в гранате может принимать валентные состояния от 2+ до 4+ и занимать при этом октаэдрические и тетраэдрические позиции. Также обсуждались методы использования зарядокомпенсаторов для управления валентными состояниями ванадия. Исследования влияния условий получения кристаллов на валентные состояния ванадия не проводилось.

Кристаллы АИГ: V были получены методом направленной кристаллизации в атмосфере, содержащей 80% Ar + 20% H₂. Кроме того, часть образцов подвергалась восстановительному отжигу в той же атмосфере. Для исследования спектров ДП образцов снимался разностный спектр между пластинкой исходного образца и пластинкой после восстановительного отжига.

Спектр исходных кристаллов АИГ: V с концентрацией ванадия в шихте 3*10²⁰ см^-3 представлен на рис.9 (кривая 1). Он состоит из четырех основных полос с максимумами на 1300, 830, 600 и 438 нм. Интерпретация полос в рамках теории КП представлена в таблице 3. Спектр пластинки АИГ: V после восстановительного отжига в атмосфере 80% Ar + 20% H₂ в течение суток представлен на рис 10. Как видно из рис.8,9 отжиг кристаллов в восстановительной атмосфере привел к возникновению спектра дополнительного поглощения (ДП) и изменению в соотношении интенсивности полос. Спектр ДП состоял из полос с максимумами 1300, 820, 590 нм, принадлежащих тетраэдрическому иону ванадия.

В “чистом “ виде спектр ДП представлен на кривой 2 (рис.8) представляющей собой разностный спектр между пластинкой исходного кристалла и пластинкой после восстановительного отжига. Экспериментально был определена температура отжига, при которой происходит образование спектра дополнительного поглощения. Она составила 1550С. Время отжига, при котором спектр ДП остается стабильным составляет 48 часов. Пополнение“ числа тетраэдрически координированных ионов V³⁺ происходит за счет ионов ванадия в степени окисления выше трех, находящихся в тетраэдрических позициях, что обусловлено малым ионным радиусом ионов V⁵⁺, V⁴⁺.

Рис.9. Спектры поглощения кристаллов АИГ: V.

1 - спектр исходного кристалла после роста, концентрация V в шихте 210²⁰ см^-3

2 - разностный спектр (спектр дополнительного поглощения) после отжига в Ar-H₂ атмосфере

Рис.10. Спектр кристаллов АИГ: V после отжига в Ar-H₂ атмосфере.

Таблица 3.

Это неизовалентное вхождение ванадия в решетку граната обусловлено тем, что в качестве компонента шихты используется пятиокись ванадия V₂O₅. При этом компенсация заряда в этом случае происходит за счет кислорода в междоузлиях. При восстановительном отжиге кислород выходит из решетки и оставшаяся часть ванадия в степени окисления выше трех восстанавливается до трехвалентного состояния. Экспериментально установлено, что при восстановительном отжиге число тераэдрически координированных ионов V³⁺ увеличивается вдвое. При концентрации ванадия в шихте 3*10²⁰ см^-3 величина показателя поглощения на длине волны 1.3 мкм (переход ³A₂³T₂) достигает 3.45см^-1.

Таблица 4

Таким образом, было установлено, что именно при восстановительных условиях синтеза кристаллов алюмо-иттриевого граната с ванадием имеет место изовалентное (V³⁺) вхождение ванадия в решетку граната. При этом спектр кристалла определяется ионами ванадия в октаэдрических и тетраэдрических позициях.

Фототропные свойства кристаллов АИГ: V под воздействием излучения с длиной волны 1.315 мкм были исследованы на йодном фотодиссоционном лазере, работающего в режиме модуляции добротности резонатора осуществляющемся с помощью пассивного затвора на основе раствора красителя 1067. Как было показано, широкая фототропная полоса поглощения (1.2-1.4 мкм) с максимумом на длине волны 1.34 мкм (Рис.9.) соответствует электронно-колебательному переходу ³A₂³T₂ ионов V³⁺ в тетраэдрической координации решетки граната. На Рис.10. приведены кривые просветления исследованных образцов пассивных затворов АИГ: V.

Обработка экспериментальных результатов была проведена в предположении конкретной модели поглощающей среды (расчетная кривая 1 на Рис.10) согласно известной формуле:

,

Она позволила определить поперечное сечение перехода ³A₂³T₂ на длине волны =1.315 мкм, которое оказалось равным = 10^-18 см². В приведенном выражении - плотность энергии насыщения, - плотность энергии просвечивающего излучения, - начальное пропускание затвора.

Рис.10. Кривая просветления пассивного затвора ИАГ: V на длине волны 1.315 мкм. 1-теоретический расчет 2 - экспериментальная кривая

Расчетная кривая 1 на начальном участке хорошо совпадает с экспериментальной кривой 2. Эффект заметного насыщения экспериментальной кривой просветления при более высоких плотностях просвечивающего сигнала связан, по-видимому, с эффектами перепоглощения из возбужденного состояния ³T₂, время жизни которого, определенное по кинетике затухания люминесценции на переходе ³T₂³A₂, оказалось равным 1 мкс. Исследование характера кривой релаксации возбужденного состояния методами пикосекундной спектроскопии с временным разрешением не выявило наличия быстрой компоненты. Исходя из этого обстоятельства и характера кривой просветления, можно сделать вывод, что наиболее вероятным механизмом релаксации возбужденных ионов V³⁺, определяющим насыщение кривой просветления, может быть процесс ступенчатых переходов из состояния ³T₂ в состояние ³T₁.

Испытание пассивного затвора для модуляции добротности резонатора была проведены в йодном фотодиссоционном лазере, в котором световая накачка активной среды осуществлялась излучением импульсного разряда в цилиндрическом зазоре полостной ксеноновой лампы. Было установлено, что, как и при использовании пассивных затворов на основе жидкостных красителей, оптимальная величина начального пропускания кристаллического пассивного затвора для йодного лазера лежит так же в области 10-15%. При этом отношение энергии йодного лазера в режиме модулированной добротности резонатора к энергии импульса в режиме свободной генерации, полученной в аналогичных условиях составляло 0.25 и близко к аналогичной величине, наблюдавшейся в этом же лазере с использованием пассивных затворов на основе жидкостных красителей. Зарегистрированный на осциллограмме временной профиль импульса генерации (в полном соответствии с выполненными оценками релаксационных характеристик фототропного затвора) представляет собой одиночный импульс длительностью 15-30 нс, меняющийся в зависимости от варьируемых условий усиления в газовой активной среде йодного лазера. Результаты по исследованию фототропного затвора для диапазона длин волн 1.2-1.4 мкм показывают, что исследованные затворы стабильно сохраняют рабочие характеристики в течение длительного времени, обладают относительно высокой скоростью релаксации возбужденного состояния и могут успешно применяться для реализации режима пассивной модуляции добротности резонатора в лазерах указанного диапазона длин волн.

В пятой главе приведены результаты исследований модулирующих свойств пассивного затвора на основе кристаллов АИГ: V в миниатюрных неодимовых лазерах с торцевой полупроводниковой накачкой. Были исследованы режимы модуляции добротности на длинах волн 1.32 и 1.06 мкм. На длине волны 1.32. мкм исследования проводились дл двух типов резонаторов. Их схемы приведены на рис.11. В первом из них был использован активный элемент с плоскими торцами диаметром 4мм х4 мм. Во втором был использован активным элемент, имеющий те же размеры с торцом, обработанным под сферу с радиусом r=3 см.

Конфигурация внутрирезонаторной моды для обоих резонаторов представлена на рис.12.

Резонатор с элементом со сферическим торцом позволяет создавать внутрирезонаторную перетяжку моды, что дает возможность иметь на нелинейном элементе более чем двукратное превышение мощности лазерного пучка по сравнению с плотностью мощности на активном элементе. Режимы модуляции добротности на длине волны 1.32 мкм были получены для двух конфигураций резонаторов и для АИГ: V затворов с различными значениями начальных пропусканий.

Рис.12. Радиус внутрирезонаторной моды для резонаторов с различной геометрией активных элементов (АЭ)

1-Плоский АЭ,

2 - АЭ со сферическим входным торцом при диаметре входного пятна 0.2x0.2 мм.

Результаты исследований приведены в таблице 5. Коэффициент преобразования непрерывного излучения в моноимпульс оказался больше для оптической схемы с активным элементом со сферическим торцом. Для плоскопараллельного резонатора отношение мощностей моноимпульсной и непрерывной генерации составило 0.3. Для активного элемента со сферическим торцом оно равнялось 0.45.

Выходной сигнал представлял собой непрерывный ряд гладких импульсов с длительностями единиц десятков наносекунд.

Таблица 5.

Кроме того, была испытана оптическая схема, где пассивный затвор служил выходным зеркалом. Схема такого лазера приведена на рис.13. Для моноимпульсного режима на длине волны 1.32 мкм был достигнут дифференциальный КПД 19% при средней выходной мощности до 145 мВт. Длительность импульса составила 6.7 нс при частоте повторения 20Кгц.

Рис.13. Оптическая схема и конфигурация внутрирезонаторной моды для лазера с активным элементом АИГ: Nd со сферическим торцом и пассивным затвором с нанесенным на нем выходным зеркалом.

Были проведены генерационные исследования режима пассивной модуляции добротности на длине волны 1.06 мкм. Основанием для этого послужили сравнительные данные по спектроскопическим характеристикам пассивных затворов на основе гранатов с хромом и ванадием. Они приведены в таблице 6. Как видно из таблицы 6, не смотря на меньшее значение сечения поглощения из основного состояния (3.0*10^-18 см²) на длине волны 1.06 мкм по сравнению со значением для кристалла АИГ: Cr⁴⁺ (5.7*10^-18 см²), у АИГ: V наибольшее значение отношения сечения поглощения из основного состояния к сечению поглощения из возбужденного состояния (_GSA/_ESA = 20).