Пушкарь Александр Александрович. Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 легированного ионами Yb3+,Pr3+ и Ce3+

Короткий опис

Пушкарь Александр Александрович. Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 легированного ионами Yb3+,Pr3+ и Ce3+ : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.21 / Пушкарь Александр Александрович; [Место защиты: Ин-т общ. физики им. А.М. Прохорова РАН].- Москва, 2010.- 123 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-1/1070

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ ИМ. A.M. IIPOXOPpBA

равах рукописи
0U.01 0 6 1 880
Пушкарь Александр Александрович
Разработка активных сред для ап-конверсионных твердотельных лазеров с диодной накачкой на основе моноклинного кристалла BaY2F8 легированного ионами Yb3+, Рг3+ и Се3+
01.04.21 - «Лазерная физика»
ДИССЕРТАЦИЯ
на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель кандидат технических наук Уварова Т.В.
Научный консультант доктор физико-математических наук, профессор
Аполлонов В.В.
Москва-2010 г. 
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ЛАЗЕРНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ИХ СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ВИДИМОЙ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА ..15
1.1 Прозрачные диэлектрические кристаллические матрицы для твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра 15
1.2 Проблемы разработки активных сред для твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра и способы их разрешения 21
1.2.1 Проблема выбора источников накачки для твердотельных лазеров видимого, УФ диапазонов спектра 22
1.2.2 Образование центров окраски и способы их по давления... 2 5
1.3 Выбор перспективной матрицы для лазеров видимого и УФ диапазонов спектра 28
1.4 Многоуровнивые ап-конверсионные схемы возбуждения стимулированного излучения в активированных кристаллах 28
1.4.1 Поглощение с возбужденного состояния (ESA) 29
1.4.2 Ап-конверсионная передача энергии (ETU) 31
1.4.3 Фотонная лавина (РА) 35
1.5 Ап-конверсионные лазерные схемы возбуждения фторидов активированных РЗИ цериевой и иттриевой подгруппы 38
1.5.1 Ап-конверсионные лазерные схемы накачки кристаллов фторидов легированных РЗИ иттриевой подгруппы (Ег3+, Ег3+ + Yb3+, Tm3+, Tm3+ + Yb3+, Ho3+, Ho3+ + Yb3+) 38
1.5.2 Ап-конверсионные лазерные схемы в кристаллах фторидов
і ч і і о і
легированных РЗИ цериевой подгруппы (Nd , Pr , Pr + Yb , Рг3+, Рг3+ + Се3+) 45
1.6 Заключение 49
з
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АП-КОНВЕРСИОННЫХ СХЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ МНОГОПОЛОСНОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ВИДИМОГО ДИАПАЗОНА СПЕКТРА В АКТИВНОЙ СРЕДЕ BaY2F8:Yb3+,Pr3+ ПРИ ДИОДНОЙ НАКАЧКЕ ‘ 50
2.1 Штарковская структура уровней и генерационные каналы ионов Pr3+, Yb3+ в моноклинной матрице BaY2F8 50
2.2 Разработка эффективных ап-конверсионных схем накачки активной среды Ва¥2Р8:УЬ0+,Рг3+ для получения многополосной люминесценции в видимой области длин волн спектра 54
2.3 Заключение 58
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫРАЩИВАНИЯ ОРИЕНТИРОВАННЫХ МОНОКЛИННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ BaY2F8 ЛЕГИРОВАННЫХ РЗИ ' 60
3.1 Методы выращивания моноклинных кристаллов типа BaR2F8 (где R = Yb3+, Er3+, Но3+, Y3+, TmJ+) и основные технологические проблемы .60
3.1.1 Определение предельной растворимости исходных компонентов расплаваBaF2 и YF3 в монокристаллах BaY2F8 ... 63 3.1.2‘Растворимость примеси кислорода в монокристаллах BaY2F8
и их аналогах 66
3.1.3 Переохлаждение расплавов BaR2 - RF3 (где R = Yb3+, Er3+).69
3.2 Методика выращивания моноклинных кристаллов BaY2F8 и их аналогов......... 72
3.2.1 Описание ростовой установки и теплового блока для выращивания монокристаллов фторидов методом Бриджмена ..72
3.2.2 Конструкция тиглей, применяемых при выращивании монокристаллов BaY2F8 75
3.2.3 Подготовка шихты 76
3.2.4 Выращивание моноклинных монокристаллов BaY2F8 77
3.2.5 Влияния ориентации моноклинных кристаллов BaY2F8 на скорость роста и качество полученных образцов 80
3.3 Исследование вхождения активаторов цериевой и иттриевой подгруппы в матрицу BaY2F8 и получение образцов 81

V
3.4 Заключение 87
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ СВОЙСТВ АП-КОНВЕРСИОННОЙ АКТИВНОЙ СРЕДЫ BaY2F8:Yb3+,Pr3+ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОДНО- И МНОГОВОЛНОВОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКИ 89
4.1 Описание экспериментального образца и условий проведения спектрально-люминесцентных исследований 90
4.2 Поглощение монокристалла BaY2F8:Yb3+,Pr3+ в диапазоне длин волн 400-1100 нм 91
4.3 Описание экспериментальной установки для спектрально¬люминесцентных исследований активных сред в диапазоне длин волн 400-1100 нм 95
4.4 Калибровка экспериментальной установки для спектрально-люминесцентных исследований образцов и измерение параметров источников возбуждения 98
4.5 Спектрально-люминесцентные свойства активной среды BaY2F8:Yb3+, Рг3+ в диапазоне длин волн 400 — 700 нм при использовании одно- и многоволновой накачки лазерными диодами. 100
4.5.1 Спектры люминесценции монокристаллов BaY2F8:Yb3+,PrJ+ в диапазоне длин волн 400 - 700 нм при одноволновой диодной накачке 101
л | о |
4.5.2 Спектры люминесценции монокристаллов BaY2F8:Yb ,Рг
в диапазоне длин волн спектра 400 — 700 нм при многоволновой диодной накачке 104
і і *> і
4.6 Перспективы использования монокристаллов BaY2F8:Yb ,Рг и BaY2F8:Yb3+,Pr3+,Ce3+ в качестве активных сред для лазеров УФ и видимого диапазонов спектра 108
* 4.7 Заключение 112
ВЫВОДЫ 115
ЛИТЕРАТУРА 116
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. На фоне многообразия разработанных лазеров инфракрасного (ИК) диапазона спектра, выбор твердотельных лазеров, излучающих в видимой, ультрафиолетовой (УФ) и. вакуумной ультрафиолетовой (ВУФ) областях весьма ограничен.
В настоящий момент получение монохроматического, когерентного лазерного излучения в видимом и УФ диапазонах спектра практически осуществляется:
- при использовании газовых-лазеров, лазеров на красителях и парах металлов, которые представляют собой* громоздкие приборы с ограниченным сроком службы,.имеющие относительно большие размеры и вес;
- при использовании: полупроводниковых лазерных диодов . видимого диапазона,, обладающих рядом серьезных недостатков, ограничивающих их область применения, среди которых невысокие выходные оптические мощности генерации, необходимость их термостатирования;
- при использовании нелинейного преобразования в гармоники излучения твердотельных ИК лазеров; что- значительно; снижает: КПД и надежность такого прибора, и, главное, ограничивает выбор длин.волн генерации;
Создание компактных твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра позволит; решить целый5, ряд задач в различных областях науки и техники, таких как:, медицина, химические технологии; экология, микроэлектроника, оптоэлектроника, нанотехнологии, оптические измерения, лазерная спектроскопия, ,системы хранения и передача данных, поскольку они обладают рядом потенциальных достоинств, к важнейшим из которых можно отнести: возможность - достижения высоких удельных оптических мощностей и энергий, экологическую чистоту, компактность, технологичность. Поэтому, даже далеко не полный перечень возможных применений такого рода излучателей указывает на актуальность работ, связанных с поиском, получением и исследованием эффективных твердотельных лазерных сред.
В настоящее время, основными проблемами в разработке компактных полностью твердотельных лазеров видимого и УФ! диапазонов спектра, являются:
1) Ограниченный выбор твердотельных источников накачки для возбуждения лазерной генерации на f-f и f-d переходах редкоземельных ионов (РЗИ) в активных матрицах;
2) Процессы соляризации, возникающие при возбуждении активных сред фотонами высоких энергий и приводящие к образованию центров окраски (ЦО).
Использование- ап-конверсионных механизмов накачки активных сред решает обе эти. проблемы - позволяет использовать удобные твердотельные источники накачки, такие, как компактные лазерные диоды, и значительно снижает индуцированную фотоионизацией деградацию активных матриц.
Известное в настоящее время количество пригодных для использования в видимом, УФ, а, особенно, в ВУФ диапазонах спектра материалов весьма ограничено. К наиболее подходящим из них можно отнести неорганические фториды, поскольку данные кристаллы имеют наиболее коротковолновые границы собственного пропускания в сравнении с оксидами и наибольшую химическую стойкость в сравнении с другими классами соединений. Большое значение, также, имеет изоморфизм матричных кристаллов (матрицы) по отношению к РЗИ и изовалентное замещение активным ионом компонента матрицы. Из известных фторидных материалов одной из перспективных матриц для лазеров видимого, УФ и ВУФ диапазонов спектра являются кристаллы с моноклинной* структурой BaY2F8. В данной структуре позиции катионов' разделены с высокой разностью- координационных чисел, что обещает проявить наивысшую стойкость при высокоэнергетическом облучении. Кроме того, коротковолновая граница собственного пропускания монокристалла BaY2F8 расположена на длине волны 125 нм, и он обладает 100% изоморфной емкостью по отношению к РЗИ иттриевой подгруппы [1,2].
Однако, указанные возможности реализуются только на монокристаллах высокого качества: с низким содержанием фоновых примесей, стойких к высокоэнергетичному коротковолновому излучению и т.д., поэтому вопросы практического применения лазерных матриц лежат также в области разработки технологии их выращивания, позволяющей получать высококачественные ориентированные кристаллы, легированные заданными концентрациями активатора/ов.
Фундаментальное свойство РЗИ в диэлектрических кристаллах — энергетическая многоуровневость и связанные с ней разнообразные люминесцентные и абсорбционные каналы являются широким плацдармом для разнообразных построений в области взаимодействия вещества с излучением накачки. Несмотря на то, что к настоящему времени в литературных источниках представлено множество ап-конверсионных механизмов, существует лишь одна работа, в которых была получена лазерная генерация видимого диапазона спектра при диодной накачке кристаллических активных сред [3]. В ряде работ [4-5] источником накачки служил непрерывный полупроводниковый лазер с оптическим возбуждением (OSP) от лазера на основе АЬОз:Ті3+, однако, основной объем исследований в области изучения ап-конверсии проводится с использованием лазеров на Y3Al50i2:Nd3+ (YAG:Nd3+), АІ203:Ті3+ и красителях, поскольку они обладают возможностью получения высоких плотностей мощности накачки и плавной перестройки длины волны генерации, что позволяет исследовать различные механизмы возбуждения [6-9].
В связи со значительным прогрессом в последнее время в исследовании полупроводниковых лазеров открываются большие перспективы для создания разнообразных ап-конверсионных твердотельных лазерных сред для получения генерации в широком диапазоне длин волн от дальней РЛС до УФ областей спектра.
Цель настоящей диссертации состоит в разработке активных сред для ап- конверсионных твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра с диодной накачкой.
Основные задачи работы:
1) Разработать ап-конверсионные схемы возбуждения эффективной многополосной люминесценции видимого и УФ диапазонов спектра при использовании в качестве источников накачки серийных лазерных диодов;
2) Определить критерии отбора и обосновать выбор матрицы для практической реализации разработанных ап-конверсионных схем;
3) Разработать методику выращивания активированных монокристаллов и получить образцы для исследований;
4) Провести комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств полученных образцов при использовании одно- и многоволновой диодной накачки.
Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые:
1) Реализованы ап-конверсионные схемы возбуждения эффективной многополосной люминесценции на, длинах волн 450-500, 510-560 и 570-650 нм в активной среде BaY2F8:Yb3+,Pr3+ по механизмам ступенчатой сенсибилизации и поглощению с возбужденного состояния при использовании в качестве источников накачки серийных ИК лазерных диодов.
2) Предложены ап-конверсионные схемы возбуждения люминесценции в УФ диапазоне спектра на длинах волн 312-357 нм и 225-236 нм в активной среде BaY2F8:Yb3+,Pr3+,Ce3+ по механизмам ступенчатой сенсибилизации и одно- или двухфотонному поглощению с высоколежащего состояния 3Р0 иона Рг3+ при использовании в качестве источников накачки лазерных диодов с длинами волн генерации на 960, 840, 810-808 и 405 нм.
9
3) Проанализированы ап-конверсионные механизмы возбуждения
Л I
многополосной, люминесценции с высоколежащих- 4f- состояний иона Рг в матрице BaY2Fg:Yb3+,Pr3+ и показано, что применение многоволновой; накачки позволяет получать десятикратный рост интенсивности отдельных полос люминесценции видимого диапазона спектра по сравнению с одноволновой накачкой при суммарной оптической мощности возбуждающих пучков до 5 Вт.
4) Измерено поглощение активаторов Yb3+ и Рг3+ в моноклинной матрице BaY2Fs:Yb3+,Pr3+. Максимальная величина коэффициента поглощения выявлена вдоль направления кристаллографической оси Ь, что позволит повысить эффективность поглощения, пучков накачки? при: уменьшении геометрических размеров активной среды.
5) ; Комплексно исследованы и решены основные технологические проблемы, возникающие: при выращивании моноклинных. монокристаллов BaY2F8, такие как: образование непрозрачной; фазы в виде полосчатых включений; в объеме или в виде шапки, сокращающей полезную длину кристалла; отсутствие затравливания и, образование полностью непрозрачной були в результате, массовой кристаллизации в объеме расплава; непредсказуемые напряжения и трещины. Решение указанных- проблем, сконструированный тепловой блок... и графитовый тигель позволили разработать методику выращивания ориентированных монокристаллов BaY2F8:Yb3+,Pr3+ и BaY2F8:Yb3+,P.r3+,Ce3+, позволившую получать образцы с концентрацией неизоморфных активаторов до 0;83% (ат.); длиной до 50 мм и диаметром до 25 мм со стабильным выходом годных кристаллов около 70%.
6) Исследовано влияние кристаллографической ориентации затравки, на • качество и скорость роста моноклинных кристаллов BaY2F8.' Выявлено направление преимущественного роста [11Ї], позволившее увеличить скорость роста с 3 до 11 мм/ч без ухудшения качества выращенных монокристаллов.
7) Высказано предположение о кластерном вхождении РЗИ в матрицу BaY2F8, что является необходимым условием для действия механизма ступенчатой сенсибилизации. Показано, что при концентрации иона Yb3+ в матрице BaY2F8, равной сумме концентраций ионов Рг3+ и Се3+, возможно получение бездефектных кристаллов с высокой концентрацией неизоморфных активаторов порядка 0,83% (ат.).
Практическая значимость работы состоит в том, что результаты проведенных исследЬваний являются основой для создания компактных полностью твердотельных лазеров с диодной накачкой, генерирующих излучение в значительной части видимого и части УФ диапазонов спектра. Использование разработанных ап-конверсионных схем накачки кристаллических активных сред BaY2F8:Yb3+,Pr3+ и BaY2F8:Yb3+,Pr3H*,Ce3+ позволит решит проблемы связанные с соляризацией активных сред и отсутствием выбора удобных твердотельных источников накачки. Разработанная методика выращивания монокристаллов BaY2F8 методом Бриджмена позволяет получать высококачественные ориентированные кристаллы с заданными концентрациями активаторов РЗИ, что является критической стадией для внедрения данных активных сред в практику, а выявленное4 направления преимущественного роста [111 ] обеспечивает высокое качество и скорость роста кристаллов. Полученные образцы активных сред BaY2F8:Yb3+,Pr3+ и BaY2F8:Yb3+,Pr3+,Ce3+ позволяют проводить исследования по достижению генерации в видимой и УФ областях спектра.
Личный в/спад автора
В изложенных в диссертационной работе исследованиях автору принадлежит разработка ап-конверсионных схем накачки активных сред, получение опытных образцов и проведение их спектроскопических исследований, а также участие в анализе полученных результатов.
Основные положения, выносимые на защиту;
1) Достижение интенсивной многополосной люминесценции на длинах волн 570-650, 510-560 и 450-500 нм в активной среде BaY2F8:Yb3+sPr3+ с высоколежащих 3Pj + !16; 3Ро - состояний иона Рг3+ реализовано по ап- конверсионному механизму ступенчатой сенсибилизации и поглощению с возбужденного состояния при использовании одно- или многоволновой накачки серийными лазерными диодами ИК диапазона спектра.
2) Разработанная методика выращивания ориентированных кристаллов BaY2F8:Yb3+,Pr3+ и BaY2F8:Yb3+,Pr3+,Ce3+ позволяет получать образцы с концентрацией неизоморфных активаторов до 0,83% (ат.), длиной до 50 мм и диаметром до 25 мм со стабильным выходом годных кристаллов около 70%.
3) Ориентация „моноклинного кристалла BaY2F8:Yb3+,Pr3+ значительно влияет на величину коэффициента поглощения активаторов, а'ориентация затравки - на качество и скорость его роста. Максимальные величины коэффициентов поглощения ионов Yb3+ и Рг3+ в матрице BaY2F8 получены вдоль кристаллографической оси Ь, а найденное направление преимущественного' роста [111] позволяет увеличить скорость роста совершенных монокристаллов с 3 до 11 мм/ч.
4) Использование многоволновой диодной накачки (на 960, 840, 808-810 нм) активной среды BaY2F8:Yb3+,Pr3+ по механизмам ступенчатой сенсибилизации и поглощению с возбужденного состояния позволяет получать десятикратный рост интенсивности отдельных полос люминесценции видимого диапазона спектра по сравнению с одноволновой накачкой (на 960 нм) при суммарной оптической мощности возбуждающих пучков до 5 Вт.
5) Достижение люминесценции в УФ области спектра на длинах волн 312- 357 нм и 225-236 нм в активной матрице BaY2F8:Yb3+,Pr3+,Ce3+ может осуществляться по ап-конверсионному механизму ступенчатой сенсибилизации и одно- или двухфотонновому поглощению с высоколежащего состояния 3Р0 иона Рг3+ при накачке еерийными лазерными диодами ИК и видимого диапазонов спектра.
Апробация работы
Основные результаты и материалы работы докладывались на второй международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященной памяти М.П. Шаскольской, МИСиС, Москва 2003; XIII Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ion, Irkytsk 2007; XII Conference on Laser Optics, St.Petersburg 2006,
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 12 работах (4 статьи в ведущих рецензируемых журналах, 6 тезисов докладов).
1. Уварова Т.В., Пушкарь А.А., Молчанов В.Н. Разработка технологии выращивания монокристаллов BaR2Fg методом вертикальной направленной кристаллизации // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 4, 2004, с. 34.
2. Пушкарь А.А., Уварова Т.В. Ап-конверсионные среды для лазеров УФ- и ВУФ- диапазонов на основе монокристалла BaY2F8 // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники, 4, 2006, с. 34. .
3. Аполлонов В.В., Пушкарь А.А., Уварова Т.В., Чернов С.П. Поглощение ионов Dy3+ и Nd3+ в монокристаллах BaR2Fg // Физика твердого тела, том 50, 9, 2008, с. 1596.
4. Пушкарь А.А., Уварова Т.В., Молчанов В.Н. Монокриеталлы BaY2Fg легированные редкоземельными ионами, как перспективные ari- конверсионные среды для лазеров УФ и ВУФ диапазонов спектра // Квантовая электроника, 38, N4, 2008, с. 333.
5. Pushkar A. A., Ouvarova Т. V., Molchanov V. N. Up-conversion media on basis single crystals BaY2F8 for UV and VUV solid state lasers // Proceedings of the
SPIE - Volume 6610 Solid State Lasers and Nonlinear Frequency Conversion 2007, Vladimir I. Ustyugov, Editors, 66100KDOI:10.1117/12.739951 (March 30, 2007).
6. Kyiko V.V., Pushkar A.A., Uvarova T.V., Egorov A. Investigation of absorption of Ce3+, Pr3+ and Yb3+ in single crystals of BaR2F8 // Phys. Status Solidi С 6, N SI, SI95-197 DOI 10.1002, pssc.200881358, 2009.
7. Пушкарь A.A., Уварова T.B. Разработка технологии выращивания монокристаллов BaY2F8 методом вертикальной направленной кристаллизации // Тезисы докладов второй международной конференции по физике кристаллов «Кристаллофизика 21-го века», посвященная памяти М.П. Шаскольской. -2003, МИСиЄ, Москва.
8. Pushkar А.А., Uvarova,T.V. Development of BaY2F8 with doped Ce, Pr, Nd Bridgman single crystal technique // Abstracts, International Conference «CRYSTAL MATERIALS-2005» (ICCM’2005), Kharkov, Ukraine, p. 120.
9. Pushkar A.A., Uvarova T.V. Single crystal media for lasers of UV and VUV regions on the basis of BaY2F8 //Book of abstracts and program ICPLC-2005, 2nd International Conference on Physics of Laser Crystals. -2005, Big Yalta, p. 11.
10. Uvarova T.V., Molchanov V.N., Pushkar A.A. Up-conversion media on basis single crystals BaY2F8 for UV and VUV solid state lasers // Technical Program, XII Conference on Laser Optics. -2006., St.Petersburg, p. 39.
11. Pushkar A.A., Uvarova T.V. Multilevel up-conversion schemes in crystals BaY2F8 doped rare-earth elements // XIII Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ion. - 2007., Irkytsk.
12. Kyiko V.V., Pushkar A.A., Uvarova T.V. Spectroscopy of activators of rare- earth elements eerie and yttrium subgroups in monoclinic matrix BaY2F8 // Third International Conference on Optical, Optoelectronic and Photonic Materials and Applications (ICOOPMA08). -2008, Edmonton Alberta, Canada.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Материал изложен на 123 страницах, содержит 37 рисунков, 14 таблиц и список литературы из 88 наименований.
ГЛАВА 1. ЛАЗЕРНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КРИСТАЛЛЫ И ИХ
СТИМУЛИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ВИДИМОЙ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТЯХ СПЕКТРА
В главе сформулированы требования к материалам, используемым в качестве матриц для лазеров генерирующих в видимом и УФ диапазонах спектра, обоснован выбор моноклинного монокристалла ВаУгИв, как перспективной матрицы для создания активных сред твердотельных лазеров.
В разделе 1.2 изложены основные проблемы, сдерживающие разработку компактных, твердотельных лазеров видимого и УФ диапазонов спектра и предложены способы их разрешения. Показано, что использование ап- конверсионных механизмов накачки кристаллических лазерных сред позволит решить указанные проблемы, а именно, значительно снизить индуцированную фотоионизацией деградацию активных матриц, и использовать удобные твердотельные источники накачки, такие как, компактные лазерные диоды. В разделе 1.4 классифицировано множество представленных в различных литературных источниках ап-конверсионных процессов, с указанием собственных спектроскопических характеристик, позволяющих отличить их друг от друга. Современное положение дел в области практической реализации ап-конверсионных лазерных схем накачки монокристаллических фторидов и стекол, активированных РЗИ, представлено в разделе 1.5.

Список літератури

ВЫВОДЫ
1. Реализовано достижение интенсивной многополосной люминесценции на длинах волн 570-650 нм, 510-560 нм и 450-500 нм в активной среде BaY2F8:Yb3+,Pr3+ с 3Pj + lI6; 3Р0 - состояний иона Рг3+ по ап-конверсионному механизму ступенчатой сенсибилизации и поглощению с возбужденного состояния при использовании одно- или многоволновой накачки серийными лазерными диодами ИК диапазона спектра.
2. Разработана методика выращивания ориентированных монокристаллов BaY2F8:Yb3+,Pr3+ и BaY2F8:Yb3+,Pr3+,Ce3+, позволившая получать образцы с концентрацией неизоморфных активаторов до 0,83% (ат.), длиной до 50 мм и диаметром, до 25 мм со стабильным выходом годных кристаллов около 70%. Выявлено направление преимущественного роста [111], позволившее получать прозрачные монокристаллы, не содержащие трещин и включений при увеличении скоростей роста с 3 до 11 мм/ч.
3. Измерено поглощение активаторов Yb3+ и Рг3+ в моноклинной матрице BaY2F8:Yb3+,Pi,3+ и определено оптимальное кристаллографическое направление для накачки (вдоль оси Ь) образцов.
4. Проанализированы ап-коиверсионные механизмы возбуждения люминесценции с высоколежащих 4f- состояний иона Рг3*" в матрице BaY2Fs.'Yb3+,Pr3+ и показано, что применение многоволновой накачки позволяет получать в десять раз более интенсивные полосы люминесценции видимого диапазона спектра по сравнению с одноволновой накачкой при суммарной оптической мощности возбуждающих пучков до 5 Вт.
5. Предложены ап-конверсионные схемы возбуждения люминесценции в УФ диапазоне спектра на длинах волн 312-357 нм и 225-236 нм в активной среде BaY2F8:Yb3+,Pr3+,Ce3+ при использовании в качестве источников накачки лазерных диодов ИК- и видимого диапазонов спектра и выращены образцы монокристаллов.
116
ЛИТЕРАТУРА
1. Apollonov, V.V. Fluoride-single crystals for lasers of VUV and UV regions of spectrum / V.V. Apollonov, S.P. Chernov, T.V. Ouvarova // Proceedings of the SPIE - Volume 6610 Laser Optics 2006:Solid State Lasers and Nonlinear Frequency Conversion 2007, Vladimir I. Ustyugov, Editors, 661001 DOLlO.l 117/12.739948 (March 30, 2007).
2. Аполлонов, В.Б. Материалы для лазеров коротковолновых диапазонов спектра / В.В. Аполлонов, Т.В. Уварова; С.П. Чернов // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. - 1999: -N 2. - С. 33.
3. Iiuber, G. Semiconductor-laser-pumped high-power upconversion laser / G. Huber, E. Heumann; S. Bar, K. Rademaker, //Applied. Physics Letter. - 2006. - V.88.-P. 061108.
4. Huber, G. Semiconductor laser pumping of continuous-wave Pr3 - doped ZBLAN fibre laser / G. Huber, A. Richer, H; Scheife, E. Heumann e.a. // Electronics letters.-2005.-V.41.-N 14.-P. 226. ■
5. Huberj G. Avalanche up-oonversion processes in Pr,Yb-doped materials / S. Kuck, A.Diening, G. Huber // J. of Alloys & Compounds. - 2000.- 65,- P. 300.
6. Антипенко, Б.М. Новые лазерные переходы в Tm3+ ионе / Б.М. Антипенко, А.А.. Мак, О.Б. Раба, К.Б. Сейронян, Т.В. Уварова Т.В. // Квантовая электроника. - 1983. - 10. - N4; - С. 889;
7. Антипенко, Б.М. Новые схемы возбуждения лазерных переходов / Антипенко, Б.М., Мак А.А., Синицын Б.В., О.Б.Раба О.Б., Уварова Т.В. // Журнал технической физики. - 1982. - 3. - С. 521.
8. Osiac, Е. Spectroscopic characterization of the upconversion avalanche mechanism5 in Pr3+, Yb3+:BaY2Fg / E. Osiac, S. Kuck, E. Heumann et al, // Optical Materials. - 2003. - 24. - P. 537.
9. Owen J., Jarman R., Thrash R. e.a. // J. Opt. Soe. Am. - 1995. -№ 7.- V. 15.
10. Шахнович М.И., Сойфер Л.М. // Изв. АН СССР. Сер.физ. - 1965. - Т.29.-№3.- С. 443.
11. Смушков И.В., Сойфер Л.М., Чубенко А.И., Шахнович М.И. // Журнал прикладной спектроскопии. - 1967. - Т.7. - № 1. - С. 81.
12. Серегин, А. А. УФ и видимое излучение кристалла иттрий- алюминиевого граната, активированного неодимом, при возбуждении альфа- частицами плутония-239 / В.А. Колобков, Е.А. Серегина, А.А. Серегин // Препринт № 2551, Обнинск. - 1996. - 12 С,
13. Mikhail in, V.V. Luminescence of solids excited by synchrotron radiation / V.V. Mikhailin // Nuclear Instr. And Methods in Physics Research B. - 1995. - V.97.-P. 530.
14. Барышников, В.И. Возбуждение люминесценции оксидных неорганических материалов мощными электронными пучками / В.И. Барышников, Т.А. Колесникова, С.В. Дорохов // Журнал Неорганической Химии. - 1998.-Т. 43.-№ 9.-С. 1441.
15. Семашко, В.В. Проблемы^поиска новых твердотельных активных сред ультрафиолетового и вакуумно-ультрафиолетового диапазонов спектра: роль фотодинамических процессов / В.В. Семашко В.В. // ФТТ. - 2005. - Т. 47. - N 5.-С. 1450.
16. Пушкарь, А.А. Ari-конвереионные ереды для лазеров УФ» и ВУФ- диапазонов на ОСНОЕЄ монокристалла BaY2F8 / А.А. Пушкарь, Т.В. Уварова // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. — 2006.-4.-С. 34.
17. Marvin, J. Handbook of lasers, Series: Laser & Optical Science & Technology, Volume: 18. - CRC Press LLC, 2001. - 1185 p.
18. Frankfurt laser company. Laser diodes. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://wwvv.frlaserco.com
19. Axcel photonics. Products. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.axcelphotonics.com
20. nLIGHT. Products. [Электронный ресурс]. - Реяшм доступа: http://www.nlight.net,
21. Marshall C.} Speth J., Payne S. e.a. // J. Opt. Soc. Am. - 1994. - V.l 1. - N. 11.-P.2054
22. Пушкарь, A.A. Разработка активной среды для лазеров УФ п ВУФ области спектра с ап-конверсионными механизмами накачки на основе моноклинного кристалла BaY^Fs: магистерская диссертация / Пушкарь А.А. - М., МИСиС, 2004.-112 с.
23. Bayramian A., Marshall С., Wu J, e.a. Се : LiSrAlPg laser performance with antisolarant pump beam // Journal of luminescence. - 1996. - 69. - 2,- C. 85.
24. Tkachenko N., Garashina L., Sobolev B. e.a. // Journal of Solid State Chemistry. - 1973. -№ 8. - P. 213.
25. Owen, J. Orientation-dependent fluorescence studies and spectroscopic analysis of doped barium yttrium fluoride upconversion laser crystals (BaY2.x- yYbxTmyF8) / J. Owen, A. Cheetham, R. McFarlane // J. Opt. Soc. Am. - 1998. - №
2. -V.15.-P. 684.
26. Антипенко Б.М. Многоуравнивые функциональные схемы кристаллических лазеров / А.А. Каминский, Б.М Антипенко. - М.; Наука, 1989.-261 с.
27. Joubert, M-F. Photon avalanche upconversion in rare earth laser materials / M-F Joubert // Optical Materials. - 1999. - 11. - C. 181.
28. Jacquier, B. Spectroscopic Properties of rare earths in optical materials / L. Guokui, B. Jacquier. - Tsinghua University Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2005. - 550 p.
29. Joubert, M.F. Fluoride crystals and high lying excited states of rare earth ions / M.F.Joubert, Y.Guyot, B.Jacquier et. al. // Journal of Fluorine Chemistry. - 2001, 107, P. 235.
30. Блистанов A.A. Кристаллы квантовой и нелинейной оптики, учебное пособие для вузов - М.: МИСиС, 2000. - 431 с.
31. Chivian J.S., Case W.E., EdenD.D. // Appl.Phys.Lett.-1979.~ 35.-Р. 124.
32. Kueny A.W., Case W.E., Koch M.E. // J. Opt. Soc. Am. B. -1989. -6. - P. 639.
33. Case W.E., Koch M.E., Kueny A.W. // J.Lumin. - 1990. - 45. - P. 351.
34. Joubert M-F., Guy S., Jacquier B. //Phys.Rev.B 48. - 1993. - P. 10031.
35. Joubert M-F., Guy S., Jacquier B., Linares C. // Opt.Mat. - 1994. - 4. - P. 43.
36. Brenier A., Courrol L.S., Pedrini C.s Madej C., Boulon G. // Opt.Mat. - 1994.-3.-P. 25.
37. BouffardМ., Jouart J.P., G.Mary // J.Physique. - 1996,-6,-P. 691.
38. Guy S. // Thesis. University of Lyon. France, - 1995,
39. Guy S., Joubert M-F., Jacquier B. // Phys.Rev.B. - 1997. - 55, - P. 8420.
40. Guy S., Joubert M-F., Jacquier В.// Phys.Stat.Sol.B. - 1994. - 183. - К 33.
41. McFarlane, R.A. Upconversion laser in BaY2F8:Er 5% pumped by ground- state and excited-state absorption / R.A.McFarlane // J.Opt.Soc.Am., B. - 1994. V.
11. -№ 5. - P. 871.
42. Huber, G. Green upconversion continuous wave Er3f: LiYF,i laser at room temperature / E. Heumann, T. Danger, T. Schweizer, G. Huber, e.a. // Appl. Phys. Let. - 1994. - V. 65. - 4. - P. 384.
43. Auzel, F. // J. Lumin. - 1984. - 31/32,1», 759.