Разработка и исследование новой оптической среды для источников когерентного излучения среднего ИК диапазона

• Автор: Бадиков, Дмитрий Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Краснодар
• Количество страниц: 118 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГАЛОГЕНИДНЫХ И ХАЛЬ-

КОГЕНИДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

1.1. Спектроскопические и лазерные характеристики галогенидных

соединений, активированных ионами Оу3+ и Ис13+

1.2. Свойства тройных халькогенидных соединений СаОа284, 8гОа284

иРЬОа284

1.3. Перспективность кристаллов тиогаллата свинца в качестве ла-

зерной матрицы для среднего инфракрасного диапазона излучения

2. СИНТЕЗ И ВЫРАЩИВАНИЕ ОПТИЧЕСКИ ОДНОРОДНЫХ КРИСТАЛЛОВ ТИОГАЛЛАТА СВИНЦА
2.1. Особенности структуры тиогаллатов кальция и свинца
2.2. Методики очистки исходных элементов
2.3. Методики синтеза сульфидных соединений
2.4. Исследование фазовых диаграмм РЬ8-Оа28з и РЬОа2-8 тройной
системы РЬ-ва
2.5. Общие положения роста оптически однородных кристаллов из
расплава
2.6. Выращивание и исследование коэффициентов поглощения и объёмного распределения ионов Бу3+ в кристаллах Оу3,:РЬОа284
и Оу3+:СаСа284
2.7. Исследование коэффициентов поглощения и объёмного распределения ионов 1Чс13+ в кристаллах РЬСа284
2.8. Исследование коэффициентов поглощения ионов Ш3+ в кри-
сталлах РЬИа284 в зависимости от концентрации Ыс13+ и типа щелочного элемента
2.9. Исследование коэффициентов поглощения ионов Бу3+ в кри-
сталлах РЬОа284 в зависимости от концентрации Оу3 ’ и типа щелочного элемента
3. ОПТИЧЕСКИЕ И ЛАЗЕРНЫЕ СВОЙСТВА ТИОГАЛЛАТА
СВИНЦА
3.1. Показатели преломления тиогаллата свинца
3.2. Спектроскопические и люминесцентные свойства тиогаллата
свинца, активированного диспрозием, неодимом и церием
3.3. Лазерные свойства кристаллов Оу3':РЬСа284, Се3+Е)у3+:РЬОа284 и
Ш3+:РЬОа284
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Среди известных и используемых в настоящее время источников когерентного излучения особое место занимают твердотельные лазеры, работающие на кристаллах, активированных ионами редкоземельных элементов (РЗЭ). Интерес к этим лазерам связан с высоким коэффициентом полезного действия (КПД), широкой спектральной областью генерации, реализацией различных режимов работы (от непрерывного до импульсного) и плавной перестройкой длин волн излучения. Значительные успехи достигнуты в разработке лазеров, излучающих в ультрафиолетовом, видимом и ближнем инфракрасном (ИК) диапазонах (до 3 мкм). Неосвоенным остается средний ИК диапазон от 3 до 5 мкм. Основная трудность в создании таких лазеров связана с отсутствием необходимых кристаллических матриц. В дополнение к требованиям, выдвигаемым к матрицам для лазеров видимого и ближнего ИК диапазонов, такие матрицы должны иметь непротяженный фононный спектр и обеспечивать высокий квантовый выход люминесценции на переходах ионов редкоземельных элементов, соответствующих среднему ИК диапазону.
При создании лазеров среднего ИК диапазона на примесных ионах редкоземельных элементов одной из трудностей является доминирование безызлуча-тельной релаксации над излучательной, причиной которого является многофо-нонная релаксация (МР). Она приводит к быстрому распаду лазерного уровня и низкому квантовому выходу люминесценции. До сих пор существовал только один хорошо теоретически обоснованный метод, позволяющий свести к минимуму безызлучательные потери, а именно, использование кристаллических матриц с очень коротким фононным спектром.
Для того чтобы не происходило тушение люминесценции, максимальная энергия фононов в таких средах должна быть ниже 400 см-1. Это делает невозможным использование оксидов и фторидов для генерации излучения с длинами волн более 4 мкм.
Кристаллы хлоридов и бромидов имеют короткий фононный спектр от 400 до 200 см-1 и привлекают особое внимание в связи с возможностью лазерной

генерации за пределами границы 4 мкм. Они считаются перспективными для твердотельных лазеров, работающих в диапазоне 3-9 мкм [1-10].
Галогенидные материалы имеют уникальные спектральные и генерационные характеристики. Однако из-за гигроскопичности их использование ограничено. Эти кристаллы, особенно бромиды, легко растворяются в воде, а рабочие поверхности лазерных элементов из-за поглощения паров воды, находящихся в воздухе, мутнеют и становятся непригодными для практического применения. Что же касается сульфидных соединений, то они негигроскопичны, обладают низкими энергиями фононов и являются наиболее важными для получения лазерной генерации в среднем инфракрасном диапазоне.
Перспективными кандидатами для создания компактных, эффективных лазеров диапазона 2-5 мкм являются также кристаллы ZnS, 2пБе, легированные ионами переходных металлов Сг2+ и Ре2+. В частности, лазеры на основе Сг2+:2п8е и Ре2+:7п8е имеют диапазоны перестройки 2.1-3.1 и 3.77-5.05 мкм, соответственно. Они обладают низкими порогами генерации и высокими КПД. Спектроскопические свойства активной среды Сг2+п8е напоминают свойства известной лазерной среды сапфира с титаном и свидетельствуют о ее большом потенциале [11, 110].
В последние годы интенсивно ведутся работы по поиску и созданию твердотельных лазерных халькогенидных материалов. В 1999 году на кристалле Са-Оа284, активированном ионами Эу31, Крупке с сотрудниками получили генерацию в области 4.3-4.38 мкм [6]. Это был первый тройной халькогенидный кристалл с низкой энергией фононов, который содержал редкоземельные ионы Оу3+ и был негигроскопичен.
В качестве объектов исследований были выбраны кристаллические матрицы на основе тиогаллата свинца (РЬОа284), активированные ионами неодима и диспрозия. Они изоструктурны тиогаллатам кальция (СаОа284), стронция (8гОа284) и европия (ЕиОа284). Критерий выбора был основан на общих положениях теории многофононной релаксации для переходов среднего ИК диапазона. Короткий фононный спектр у Бу3+:СаОа284 составляет 410 см-1, а у
Рекомендуется повторять перегонку несколько раз. Таким способом получали металл, содержащий 99.7- 99.9% кальция и несколько сотых процентов О, Ы, С1, Ре, 81 и М. Далее металл хранили в отпаянной ампуле под вакуумом до взятия навесок.
В работе использовали:
серу двух марок: ОСЧ 16-5 и ОСЧ 15-3, т.е. в первом случае при анализе на
16 элементов содержание основного вещества составляло 99,99999%, а во
втором - на 15 элементов - 99,999%;
свинец марок СОО (99.9985) и СООО (99.9996);
галлий ГЛ-000.
2.3. Методики синтеза сульфидных соединений
Синтез сульфидов Оу28з, N6383, Се283 и Ег28з далее (РЗ), проводили в ампулах из кварцевого стекла. Вследствие реакции РЗ элементов с кварцевым стеклом их помещали в графитовые или стеклоуглеродные контейнеры, а соответствующие химическим формулам количества серы над контейнерами. Кварцевые ампулы вакуумировали до остаточного давления 2x10‘5 мм. рт. ст. С целью получения гомогенных продуктов в ампулы иногда вводили какой-либо инертный газ, что одновременно предотвращало диффузию внутрь ампул газов, в частности, кислорода, через стенки кварцевых ампул. Реакции взаимодействия РЗ с серой имели экзотермический характер, сопровождающийся большим выделением тепла, и часто приводили к разрушению ампул при большом количестве реакционных смесей и больших скоростях нагрева. Максимальная температура синтеза была ограничена температурой размягчения кварца (1373° С).
Были просинтезированы сульфиды неодима, диспрозия, эрбия, церия, которые использовали в качестве активаторов и соактиваторов при выращивании монокристаллов с различными концентрациями.
На основании результатов исследований для получения шихты Эу3 ' :СаСа284 первоначально необходимо было синтезировать сульфид галлия (Оа28з). Проводили прямой синтез из компонентов галлий ГЛ-000 и серы, взятых в сте-