Исследование спектральных и люминесцентных параметров кристаллов сложных оксидов, активированных редкоземельными ионами
Актуальность темы. Одной из задач современной физики является поиск новых нелинейных номинально чистых и активированных оптических кристаллических сред с требуемыми характеристиками. В том числе исследование спектрально-люминесцентных параметров кристаллических матриц, определяющих ее эффективность. Создание в середине прошлого века рубиновых лазеров, а также с прочими активированными кристаллами дало мощный импульс для развития физики твердотельных оптических квантовых генераторов. С тех пор поиск и исследование сред, которые могут содержать редкоземельные ионы, стали актуальными как физическая основа раздела фотоники, которая напрямую взаимодействует с оптическими квантовыми генераторами.Под конец использования твердотельных лазеров с диодной накачкой стало ясно, что логическое уменьшение размеров лазеров из-за использования идеи диодной накачки, вызывает необходимость разработки и выращивания особых кристаллов - высококонцентрированных оптических кристаллов неодима со слабо выраженным эффектом концентрационного тушения люминесценции. Миниатюризация активного элемента требует концентрации активных частиц порядка 1019 - 1022 см-3. Обычно в качестве активных лазерных материалов используются оксидные или фторидные соединения с однотипными химическими связями. Например, наиболее распространенными активными средами являются лейкосапфир, YAG, YAP, YLF, активированные редкоземельными ионами эрбия, неодима, иттербия и хрома. Эти кристаллические матрицы представляют как самые распространенные ввиду их относительной простотой выращивания, тем более из-за наличия у них интенсивных полос поглощения в ближней инфракрасной области спектра, что необходимо для миниатюризации лазерных и оптических устройств [1].
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 4
1 Редкоземельные элементы их свойства, параметры и спектры сложных атомов 9
1.1 Редкоземельные элементы 9
1.2 Свойства оксидов, легированных ионами редкоземельных металлов 23
1.3 Теория Джадда-Офельта 26
1.4 Спектры сложных атомов 36
2 Методика определения характеристик люминесценции и спектральных параметров 40
2.1 Метод расчёта люминесцентных параметров активированных кристаллов 40
2.2 Спектральный анализ 43
3 Спектральные параметры кристаллов сложных оксидов 52
4 Люминесцентные параметры кристаллов сложных оксидов 59
Заключение 62
Список использованных источников 66
1. Лебедев В.А. Спектрально-люминесцентные свойства боратов и силикатов редких земель – активных сред твердотельных лазеров ближнего ИК-диапазона: дис. док. физ.-мат. наук: 01.04.07 / В.А. Лебедев; Кубан. гос. ун-т. – Краснодар, 2001. – 273 С.
2. Воронько Ю.К. Исследование взаимодействия ионов неодима в кристаллах CaF2, SrF2 и BaF2, (тип I). / Ю.К. Воронько, В.В. Осико, И.А. Щербаков // ЖЭТФ. – 1969. – Т.55. – №5(11). – С. 1598-1611.
3. Дианов Е.М. Прямые измерения квантового выхода люминесценции с метастабильного состояния 4F3/2 Nd3+ в кристаллах Y3Al5O12. / Е.М. Дианов, А.Я. Карасик, В.Б. Неуструев и др. // Докл. АН СССР. – 1975. – Т. 224. – №1. – С. 64-73.
4. Каминский А.А. Поглощение, люминесценция, индуцированное излучение и кристаллическое о расщепление уровней ионов Nd в кристалле YVO4. / А.А. Каминский, Г.А. Боголюбова, Л. Ли // Известия АН СССР. Сер. неорг. материалы. – 1969. – Т. 5. – №4. – С. 673-690.
5. Басиев Т.Т. Прямое измерение скорости безызлучательной релаксации и спектры люминесценции с уровней ионов 4G7/2 4G5/2+ 2G7/2 4F9/2 ионов Nd в лазерных кристаллах LaF3, SrF2 и Na0.95K0.05Y. / Т.Т. Басиев, А.Ю. Дергачев, Е.О. Кирпиченкова и др. // Квантовая электроника. – 1987. – Т. 14. – №10. – С. 2021-2033.
6. Контаг К. Теоретическое моделирование и экспериментальное исследование YAG: Yb – лазера на тонком диске с диодной накачкой / К. Контаг, М. Каршевский, К. Стивен и др. // Квантовая электроника. – 1999. – Т. 28. – №2. – С. 139-146.
Редкоземельные элементы (в минералогии – TR, от лат. terra rarе), химические элементы побочной подгруппы III группы периодической системы Менделеева: скандий Sc (атомный номер Z = 21), иттрий Y (Z = 39), лантан La (Z = 57) и лантаноиды (14 элементов, Z от 58 до 71: церий, празеодим, неодим, прометий, самарий, европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий и лютеций) [2]. Sc, однако, не всегда относят к редкоземельным элементам. В свободном виде все вышеперечисленные элементы находятся в металлическом состоянии. Важная особенность редкоземельных элементов – их совместное нахождение в природе. Например, минерал монацит – один из основных источников этих элементов – содержит фосфаты Y, La и др. Редкоземельные элементы подразделяются на иттриевую (Y, La, Gd-Lu) и цериевую (Се-Eu) подгруппы. Элементы Ce-Eu называют легкими, a Gd-Lu-тяжелыми лантаноидами. Редкие земли впервые были случайно обнаружены лейтенантом шведской армии C.A. Аррениусом. В 1787 году Аррениус наткнулся на необычный чёрный минерал в карьере в Иттербю, небольшом городке примерно в 20 км от Стокгольма, Швеция. В 1794 Юхан Гадолин, финский химик из университета Або, сумел выделить ранее неизвестный оксид (такие оксиды в начале 19 в. и ранее назывались «землями»), который назвал по месту находки «иттриевой» землей. Позже, немецкий химик Мартин Клапрот разделил эти образцы на две «земли», для одной из которых он оставил имя иттриевой, а другую назвал цериевой (в честь открытой в 1801 году малой планеты Церера, которая, в свою очередь, была названа по имени древнеримской богини Цереры). Немного спустя, шведский учёный К. Мосандер сумел выделить из того же образца еще несколько «земель» [29]. Все они оказались оксидами новых элементов, получивших название редкоземельных.