Материал: Спектры люминесценции Ln3+ в кристаллах твердых растворов со структурой шеелита

Спектры люминесценции, как и поглощения, различаются в зависимости от поляризации и имеют вид широких полос. Спектры люминесценции образца YVO4: Yb3+ 10ат% в поляризации Е перпенд оси «с» представлены совместно с поглощением. Возбуждение проводилось диодом с λ=965 нм. Методом Фухтбауэра-Ладенбурга было оценено значение сечения люминесценции в максимуме sem(l=1,01 мкм) = (1,75 - 1,9)*10-20 см2, в зависимости от поляризации.

Время жизни оказалось равным 255 мкс. Кинетика затухания люминесценции хорошо аппроксимируется экспоненциальной функцией.

На рисунке 29 представлены значения сечения усиления σg для исследуемых кристаллов при различных значениях инверсной заселенности. Видно, что контур усиления занимает область 1,0-1,06 мкм.

Рисунок 29 - Графики зависимостей σg (λ) для кристаллов при различных значениях параметра инверсной населенности для кристаллов YVO4: Yb3+.

3.3 Неодим в кристаллах со структурой шеелита и сравнение спектров люминесценции Nd3+в кристаллах SrWO4,SrMoO4,Y3Al15012 и YAlО12

Согласно полученным методом ДТА данным все образцы термообрабатывались в предкристаллизационном периоде при температуре 350 °С в течение 3 и 5 часов. После термообработки образцы оставались прозрачными, и были отполированы в виде плоскопараллельных пластин для регистрации спектров люминесценции.

На рисунке 30 показаны поляризационные спектры люминесценции Nd 1% в кристалле SrWO4, где кристалл накачивался полупроводниковым диодом с различной длинной волны излучения. Длина волны люминесценции изменялась в диапазоне от 850 нм до 1460 нм.

Рисунок 30 - Спектры люминесценции Nd 1% в кристалле SrWO4

На рисунке мы видим 3 основных пика люминесценции в различных областях полученного спектра. Положение максимальной люминесценции в этой области находится на длине волны 872,45, 1051,14 и 1326,15 нм. Пик на 872,45 нм является самым интенсивным.

Для лазерных кристаллов молибдата стронция, активированных ионами неодима, был измерен спектр люминесценции при возбуждении лазерным диодом (=810 нм) (рисунок 31). Показано, что интенсивность люминесценции на основном нереходе неодима 4F3/2- 4I11/2 (А,=1.06 мкм) существенно (в 5 раз) превосходит интенсивность люминесценции на переходе 4F3/2- 4I11/2 (А-=1.3 мкм). Кроме того, в спектре люминесценции основного перехода наблюдаются две наиболее сильные линии с длинами волн 1.067 мкм и 1.084 мкм. Время жизни люминесценции на уровне 4F3/2 составило 173 мкс.

Рисунок 31 - Спектр люминесценции кристалла SrMoO4:Nd3+ при возбуждении лазерным диодом с длиной волны λ=810 нм

Рассмотрим спектры люминесценции в кристалле Y3Al15О12. При не­больших концентрациях ионы Nd3+ в этом кристалле образуют преимущест­венно один тип активаторных центров. При комнатной и более низких температурах люминесценция кристаллов Y3Al15012 - Nd3+ при оптическом возбуждении связана с четырьмя инфракрасными каналами, обусловленными переходами с уровней метастабильного состояния 4F3/2 на штарковские компоненты мультиплетов нижайшего терма 4I.

На рисунке 32 демонстрируются спектры инфракрасной люминесценции. Им соответствуют кристаллические расщепления состояний 4F3/2 и 4I9/2-15/2. Стрелками на спектрах указано расщепление основного состояния 4I9/2, прямыми скобками - 4F3/2. Здесь необходимо отметить, что для ионов Nd3+ такая двойная проверка положения штарковских уровней по данным анализа спектров люминесценции и поглощения является весьма желательной, поскольку только в этом случае достигается высокая гарантия правильности результатов, от которых в значительной степени зависит последующая идентификация индуцированных переходов.

Рисунок 32 - Спектры люминесценции Nd3+ в кристалле Y3A15012

Люминесцентное время жизни данного состояния при малой концентрации активатора определяется вероятностями излучательных (спонтанных) и безызлучательных переходов. Первые включают в себя чисто электронные и электронно-колебательные переходы. В спектрах Y3A15012-Nd3+, как известно, электронно-колебательные переходы практически не наблюдаются.

На рисунке 33 демонстрируются схемы кристаллического расщепления состояний 4F3/2 и 4I9/2-15/2, а также связанные с ними спектры люминесценции. При определении спектральной плотности люминесценции с уровней метастабильного состояния на отдельные штарковские компоненты мультиплетов терма 4F3/2 для кристалла YA103-Nd3+ необходимо учитывать его анизотропию.

Рисунок 33 - Спектры люминесценции Nd3+ в кристалле YAlО12

Сравнение суммарной плотности люминесценции кристаллов Y3A15012- -Nd3+ с соответствующими значениями кристалла YAlО12 обнаруживает близкое сходство.

3.4 Поляризационные спектры люминесценции Er3+:SrMoO4, Yb3+:SrWO4, Yb3+,MgO:LiNbО3

Рисунок 34 - Поляризационные спектры люминесценции Er3+:SrMoO4в инфракрасной области спектра

На рисунке 34 приведены поляризационные спектры люминесценции Er3+:SrMoO4в инфракрасной области спектра, измеренные при комнатной температуре при накачке лазером с длинной волны 387 нм. Максимум в области 1540 нм соответствует переходу между уровнями 4I13/2-4I15/2.

Рисунок 35 - Кинетика затухания люминесценции 4I13/2-4I15/2

Кинетика затухания люминесценции 4I13/2-4I15/2., представлена на рисунке35, анализ которой показывает, что время жизни лазерного уровня составляет 5.31×103мкс.

Рисунок 36 - Спектры флюорисценции ZnWO4:Er3+ зарегистрированного при комнатной температуре с длиной волны 378 нм

На рисунке 36 приведены спектры флюорисценции ZnWO4:Er3+ измереного при комнатной температуре при накачке лазером с длиной волны 378 нм. Максимумы в области 550-580 нм соответствует переходу между уровнями 4S3/24I15/2, а так же в области 1540 нм соответствует переходу между уровнями 4I13/2-4I15/2.

Рисунок 37 - Спектры люминесценции образцов монокристалла Yb3+,MgO:LiNbО3 при Т=298 К (-поляризация)

На рисунке 37 представлены спектры люминесценции образцов монокристалла Yb3+,MgO:LiNbО3 измеренного при комнатной температуре. Максимумы в области 1500-1550 нм соответствует переходу между уровнями 4I15/24I13/2.

Рисунок 38 - Спектры люминесценции Yb3+:SrWO4, зарегистрированные при комнатной температуре

На рисунке 38 представлены спектры люминесценции Yb3+:SrWO4 измеренного при комнатной температуре. Максимумы в области 980-1010нм.

Заключение

В результате проделанной работы изучены спектры люминесценции неодима, эрбия и иттербия в кристаллах со структурой шеелита, а именно в молибдате и вольфромате стронция, а также в кристаллах с другими структурами: молибдата стронция, вольфрамата стронция, ортоалюминат иттрия, иттрий алюминиевый гранат, ванадат иттрия, необат лития.

Установлено, что в спектрах люминесценции происходит как смещение линий по длине волны, так и изменение соотношения интенсивности

Рассчитаны структурные параметры всех исследованных структур.

В результате люминесцентных характеристик установлено, что с происходит изменение соотношения интенсивности в спектре люминесценции для ионов неодима, для ионов эрбия происходит смещение линий люминесценций в коротковолновую область спектра при одновременном увеличении структурных параметров.

Полученные результаты будут использоваться в дальнейших исследованиях.

Список использованных источников

2.      Efendiev Sh.M., Darvishov N.G., Nagiev V.M., Gasanly N.M., Gabrielyan V.T., Nikogosyan N.S. Raman scattering in Pb(MoO4)x(WO4)1-x mixed crystals // Physica Status Solidi (b). - 1982. - Vol. 110. - P. K21-K26.

.        Sahu M., Krishnan K., Nagar B. K., Jain D., Saxena M.K., Pillai C. G.S., DasS. Characterization and thermo physical property investigations on Ba1−xSrxMoO4 (x 0, 0.18, 0.38, 0.60, 0.81, 1) solid-solutions // J. Nucl. Mater. - 2012. - Vol. 427. - P 323-332.

.        Liegeois-Duyckaerts M., Tarte P. Vibrational studies of molybdates, tungstates and related compounds-II: New Raman data and assignments for the scheelite-typ compounds // Spectrochimica Acta Part A: Molecular Spectroscopy. - 1972. - Vol. 28 - P. 2037-2051.

5.      Я.E. Кариес, A.M. Морозов, П.П. Феофилов, «О люминесценции ионов Nd3+ в кристалле CaW04», Оптика и спектроскопия, 17, 887 (1964).

6.      L.F. Johnson, «CaW04:Nd3+ laser characteristics», Quantum electronics, Proceedings of the Third International Congress, Paris, 2, New York, 1021 (1964).

7.      А.M. Морозов, M.H. Толстой, П.П. Феофилов, Люминесценция неодима в кристаллах типа шеелита. Оптика и спектроскопия, т. 22, 258-265 (1967).

.        Ахметов Н. С. "Общая и неорганическая химия" М.: Высшая школа, 2001 г.

.        Большой Энциклопедический словарь М.: Просвещение, 2001г.

.        Комкова Е.Г. "Группа химических астероидов" кн.3 из серии "Элементы периодической системы Менделеева" М.: Просвещение, 1984г.

.        Леенсон И. А. "Чёт или нечёт? Занимательные очерки по химии" М.: Химия, 1987г.

.        Любимов И. М. "Редкие элементы" М.: Просвещение, 1977г.

.        Рич В. "В поисках элементов" М.: Просвещение, 1985г

.        Угай Я.А. "Общая и неорганическая химия" М.: Высшая школа, 2002г.

.        Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. - Москва: "Наука". 1976.

.        Герлих П., Каррас Х., Кетитц Г., Леман Р. Спектроскопические свойства активированных лазерных кристаллов. - Москва: "Наука". 1966.

.        Васильев А.Н., Михайлин В.В. Введение в спектроскопию твердого тела. - Москва: МГУ. 1987.

.        Б.И. Степанов, В.П. Грибковский. Введение в теорию люминесценции. - Минск: Из-во АН БССР, 1963

.        Т.Т. Басиев. Новые кристаллы для лазеров на вынужденном комбинационном рассеянии. / / Физика твердого тела.- 2005.- т.47.- ВЫН.8.-С.1354-1358

.        П.Г. Зверев, Т.Т. Басиев, А.А. Соболь, В.В. Скорняков, Л. И. Ивлева, П.М. Полозков, В.В. Осико. Вынужденное комбинационное рассеяние в кристаллах щелочноземельных вольфраматов. / / Квантовая электроника.- 2000.- т.ЗО.- №!. с. 55-59.

21.    B. Cockayne, J.D. Ridley. Sheelite structures: single crystal growth and transmission data. //Nature.- 1964.- v.2O3.- p. 1054-1055

.        H.B. Савельев, «Курс общей физики», т.З, М.:Наука.- 1982.- 304 с.

.        W. Bollmann. Absorption and Electrical conductivity of CaMoO4 crystals / / Kristall und Technik.- 1978.- v.l3.- №8.- p.1001-1007

.        Воронина И.С. Выращивание и исследование монокристаллов молибдатов и волбфраматов калбция, стронция и бария для ВКР-лазеров: дисс…канд. тех. наук: 05.27.06 / И. С. Воронина. - Российская академия наук, институт общей физики им. A. М. Прохорова - Москва, 2006. - 245 с.

.        Успенская М.Е. Минералогия с основами кристаллографии и петрографии / Курс лекций // (Рус.). - URL: http://geo.web.ru/db/i-nsg.html?mid=1166351&s=121102030 [6 января 2011]

.        Мейльман М.Л. Электронный парамагнитный резонанс гадолиния в монокристаллах молибдата бария. / М.Л. Мейльман, М.И. Самойлович, Л.И. Поткин, Н.И. Сергеева // ФТТ. - 1966. - Т. 8. - № 8. - С. 2338-2339

.        Куркин И.Н. Электронный парамагнитный резонанс неодима в шеелитовых структурах СаМоО4 / И.Н. Куркин, Л.И. Поткин, М.И. Самойлович // Журнал структурной химии. - 1965. - Т. 6. - № 3. - С. 464-465

.        Ковтуненко П.В.. Физическая химия твердого тела. Кристаллы с дефектами. / П.В. Ковтуненко. - М.:Высшая школа, 1993. - 352 с.

29.    КФТТ ПетрГУ // (Рус.). - URL: <http://dssp.petrsu.rU/tutorial/X-rays/textboolc/structur/I.htm> [7 января 2011]

.        Лимаренко Л.Н. Влияние структурных дефектов на физические свойства вольфраматов / Л.Н. Лимаренко, Ф.П. Алексеев, М.В. Пашковский // Львов: Вища школа. - 1978. - 160 с.

31.    Brixner L.H. Segregation coefficients of some rare-earth niobates in SrMoO4. / L.H. Brixner // J.Electrochem. Soc - 1966. - V. 13. - № 6. - P. 621-623.

32.    Максимова Г.В. Исследование центров окраски в CaW04:Nd3+ / Г.В. Максимова, А.А. Соболь. // Неорг. Материалы. - 1970. - т.2.

.        V.B. Mikhailik, H. Kraus and D. Wahl // Phys. Rev. B. - 2004. - Vol. 69. - 205110.

.        T. Kajitani and M. Itoh // Phys. Stat. Sol. C. - 2001. - Vol. 8. - 108.

35.    В.В. Михайлин, А.Н. Васильев. Введение в спектроскопию твердого тела. - М.: Изд. МГУ, 1987.

.        R.K. Bull // Nucl. Tracks Radiat. Meas. - 1986. - Vol. 11. - Iss. 1-2. - 105-113.

.        J.J. Brophy, R.J. Robinson // Phys. Rev. - 1960. - Vol. 118. - 959-966.

.        M. Martini, F. Meinardi, G. Spinolo, et al // Physical Review B. - 1999. - Vol. 60. - N. 7.

.        A. Vedda, F. Moretti, M. Fasoli, et al // Physical Review B. - 2009. - Vol. 80. - Is. 4. - 1-7.

.        Shannon R.D. Acta Crystallografia / R.D. Shannon, С.Т. Prewitt. - В. - 1969. - V. 25. - № 5. - P. 925-946.

.        Subbotin К.А. Yb- and Er-Doped Single Crystals of Double Tungstates NaGd(WO4)2, NaLa(WO4)2, and NaBi(WO4)2 as Active Media for Lasers Operating in the 1.0 and 1.5 Lim Ranges. / К.А. Subbotin, Е.V. Zharikov, V.А. Smimov // Optics and Spectroscopy. - 2002. - V. 92. - № 4. - P. 601-608.