Возбуждение монокристаллов, легированных эрбием, в интенсивных оптических и радиационных полях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата

физико-математических наук

Возбуждение монокристаллов, легированных эрбием, в интенсивных оптических и радиационных полях

01.04.07 - физика конденсированного состояния

Криворотова Виктория Викторовна

Иркутск 2010

Работа выполнена в Иркутском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Барышников Валентин Иванович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Раджабов Евгений Александрович,

доктор физико-математических наук, Зилов Сергей Анатольевич

Ведущая организация: ГОУ ВПО «Томский политехнический университет»

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Примесные ионы Er³⁺ фторидных и оксидных кристаллов являются рабочими центрами лазеров инфракрасного (ИК) диапазона (2,9 мкм). В настоящее время активно разрабатываются малогабаритные твердотельные Еr-2,9 мкм-лазеры с полупроводниковой накачкой [1].

В рамках данного направления необходимость разработки лазеров в диапазоне 2-3 мкм обусловила интенсивные исследования вынужденного излучения кристаллов на основе сложных фторидов и оксидов с высокой концентрацией примеси Er [2]. При оптической накачке таких сред, наряду с ИК-излучением, наблюдаются зеленые и красные линии люминесценции [3, 4]. Значительный интерес в исследованиях представляет, как один из эффективных, кристалл фторида бария иттрия с редкоземельной примесью эрбия.

К настоящему времени существует большое количество работ по исследованию редкоземельных примесей сложных оксидов [6, 7]. Меньшее число работ посвящено сложным фторидам. Кристаллы BaY₂F₈ с различным содержанием редкоземельных примесей достаточно подробно исследовались авторами работ [4, 16].

Вместе с тем, ряд важнейших вопросов относительно процессов возбуждения антистоксовой люминесценции в рассматриваемых кристаллах остается нерешенным. Так, анализ литературных данных показывает, что возбуждение ионов эрбия происходит по кооперативному механизму [6, 7]. Однако данные исследования нельзя считать завершенными, поскольку отсутствуют в достаточной мере экспериментальные и теоретические доказательства перечисленных механизмов лазерного возбуждения ионов Er³⁺.

Остается открытым вопрос о причине высокой эффективности возбуждения ИК и видимого излучения примесных ионов эрбия в сложных фторидах и оксидах при мощном импульсном радиационном воздействии. Так в работе [8] исследовалась природа рентгенолюминесценции редкоземельных примесей в оксидах. Однако механизмы, происходящие в кристаллах при рентгеновском возбуждении, не могут быть раскрыты в полной мере вследствие малой плотности мощности данного типа возбуждения. Поэтому для достоверного выявления процессов возбуждения люминесценции примесных ионов Er³⁺ в кристаллах сложных фторидов и оксидов, представляет интерес использование сильноточных наносекундных электронных пучков, когда высокая концентрация наведенных электронно-дырочных пар позволяет, независимо от конкурирующих каналов, выявить механизмы возбуждения всех примесных центров, входящих в кристаллическую структуру. Такие исследования для изучения процессов возбуждения редкоземельных ионов Er³⁺ не проводились.

Кроме того, при исследовании оксидов и фторидов авторами [9] впервые обнаружена широкополосная малоинерционная катодолюминесценция собственного вещества при субнаносекундном сильноточном электронном облучении. В литературе отсутствуют какие-либо данные об исследованиях широкополосной малоинерционной катодолюминесценции в кристаллах фторида бария иттрия.

Таким образом, исследование кристаллов сложных фторидов и оксидов с высокой концентрацией примеси Er при интенсивном наносекундном электронном возбуждении также актуальны не только в прикладном плане, но и в необходимости выявления механизмов передачи высоких плотностей энергии дефектам легирующей примеси Er и ионам собственного вещества.

В связи с актуальностью представленных выше проблем была поставлена задача: изучить эффективные процессы передачи энергии дефектам редкоземельной легирующей примеси эрбия и ионам собственного вещества сложных фторидов и оксидов под действием мощных наносекундных электронных пучков, ИК-лазерного излучения и световых некогерентных импульсов, с целью определения механизмов возбуждения катодолюминесценции (КЛ) ионов собственного кристаллического вещества и примесных дефектов эрбия, а также механизмов нелинейного лазерного возбуждения ионов эрбия, ответственных за ИК-люминесценцию с сопутствующим антистоксовым излучением.

Научная новизна работы отражена в следующих положениях, выносимых на защиту:

1. В сложных фторидах и оксидах, легированных примесью Er³⁺, при лазерном инфракрасном возбуждении линии излучения на 2,9 мкм происходят по двухступенчатому механизму переходы электронов ⁴I_15/2 > ⁴I_9/2 > ²H_9/2 и ⁴I_15/2 > ⁴I_11/2 > ⁴F_7/2, ответственные за возбуждение сопутствующих зеленых и красных линий антистоксовой люминесценции.

2. В кристаллах Er:BaY₂F₈, Er:Y₃Al₅O₁₂, Er:YAlO₃, Er:YLiF₄ облучаемых мощными электронными пучками, возбуждение линий катодолюминесценции происходит в результате последовательного захвата дырок валентной зоны и электронов зоны проводимости примесными ионами Er³⁺. При этом аномально высокий выход КЛ Er³⁺ в видимом и ИК диапазонах спектра обусловлен эффективным взаимодействием горячих носителей заряда с примесными дефектами Er³⁺, в окрестности которых имеет место нарушение регулярности кристаллического поля.

3. При электронной бомбардировке кристаллов BaY₂F₈, независящая от примесного состава и температуры, широкополосная малоинерционная катодолюминесценция в области 300 - 700 нм обусловлена излучательными переходами электронов в 2р-валентной зоне при ионизации и ударном смещении с регулярных позиций ионов фтора.

Практическая значимость работы.

На основе проведенных исследований разработан кристаллический (Er:BaY₂F₈) с лазерной диодной накачкой импульсный суперлюминесцентный ИК излучатель (2,9 мкм) с сопутствующим свечением в зеленой области спектра для контроля и настройки инфракрасных диагностических систем. Полученные результаты используются в разработке эффективных субнаносекундных кристаллических широкополосных электронно-оптических BaY₂F₈-излучателей и детекторов рентгеновского изображения для систем быстродействующей микродозовой рентгеновской диагностики.

Апробация работы и публикации.

Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: X Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2006); XIII Feovilov symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ions (Irkutsk, 2007); ХI Международная школа-семинар по люминесценции и лазерной физике (Иркутск, 2008); Межвузовская научно-практическая конференция «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2009); Научно-техническая конференция молодых ученых «Люминесцентные процессы в конденсированных средах» (Харьков, 2009); XXIV съезд по спектроскопии (Москва, 2010). Результаты исследований изложены в 10 публикациях и использованы в заявке на изобретение.

Личный вклад соискателя. Интерпретация и формулировка результатов теоретических и экспериментальных исследований и соответствующих защищаемых положений в существенной мере сделаны лично соискателем.

Объем и структура работы.

Диссертация изложена на 105 страницах, включая 77 страниц машинописного текста, иллюстрирована 57 рисунками и 6 таблицами, состоит их введения, 4 глав, заключения и списка литературы, включающего 126 наименований.

Краткое содержание диссертации

Введение отражает актуальность, новизну, практическую значимость работы и ее основные цели и задачи.

В первой главе представлены характеристики исследуемых кристаллов. Приведены методы исследования и оригинальные фрагменты техники эксперимента.

Вторая глава посвящена исследованию механизмов возбуждения антистоксовой люминесценции примесных ионов эрбия в сложных фторидах и оксидах. Анализ литературных данных указывает на то, что возбуждение люминесценции примесных ионов Er³⁺ в кристаллах сложных фторидов и оксидов, происходит по кооперативному механизму [6, 7].

В результате эксперимента обнаружено, что при лазерном (?_возб?= 780 нм) возбуждении кристаллов Er:Y₃Al₅O₁₂, Er:YAlO₃, Er:BaY₂F₈, Er:YLiF₄ содержащих 0,05 - 0,5 вес. % Er³⁺ наблюдается ИК-излучение (2,9 мкм) и интенсивные линии антистоксовой люминесценции (550, 560, 670 и 700 нм). Данный результат не согласуется с кооперативным механизмом из-за высокой эффективности возбуждения антистоксовой фотолюминесценции (ФЛ) Er³⁺ при низкой концентрации примеси эрбия. Далее проведены прямые эксперименты, в которых установлено, что для каждого кристалла при одинаковой поглощенной мощности, как лазерного, так и селективного лампового воздействия, регистрируется примерно одинаковый уровень интенсивности ФЛ линии на 2,9 мкм. Это означает, что при ИК-ламповом облучении указанных кристаллов достигается практически одинаковая концентрация возбужденных ионов эрбия на уровне или , что и при лазерном воздействии (соответственно л_возб = 780 нм, л_возб = 970 нм). Однако при этом зеленые и красные линии ФЛ не регистрируются при ИК-ламповом облучении указанных кристаллов. Таким образом, полученные результаты отвергают кооперативный механизм возбуждения антистоксовой ФЛ Er³⁺.

Анализ полученных результатов позволяет считать, что в основе механизма лазерного возбуждения линий антистоксовой ФЛ Er³⁺ лежит закономерность, связанная с особенностями взаимодействия мощного лампового и лазерного излучения с исследуемыми кристаллами. Действительно, к примеру, при одинаковой мощности ~ 1 Вт в области 780 нм излучение полупроводникового лазера имеет спектральную ширину ~ 2 нм, а ламповое ~ 20 нм. Во-вторых, сформированный микротелескопом, диаметр лазерного пучка в области гауссовой перетяжки достигает ~ 30 мкм, а максимально достижимый диаметр оптического пучка мощной (150 Вт) галогенной лампы составляет 3 мм. Таким образом, спектральная плотность мощности лазерного пучка достигает 0,25 МВт/см²·нм, а лампового пучка соответствует ~ 0,6 Вт/см²·нм. Как видно, спектральная интенсивность лазерного облучения исследуемых кристаллов на пять порядков превосходит спектральную плотность мощности такого лампового возбуждения. Подобные свойства лазерной накачки кристаллов сопровождаются нелинейными механизмами возбуждения ФЛ [12, 13] и в [13] предложено, что возбуждение кристаллов ламповым излучением - это «мягкий» тип накачки, а лазерным - «жесткий». Таким образом, можно считать, что лазерное инфракрасное возбуждение зеленых и красных линий люминесценции Er³⁺ в кристаллах Er:Y₃Al₅O₁₂, Er:YAlO₃, Er:BaY₂F₈, Er:YLiF₄ связано с нелинейным механизмом по интенсивности возбуждения примесных ионов.

С целью подтверждения данного вывода были проведены дополнительные эксперименты по измерению эффективности возбуждения линий антистоксовой люминесценции Er³⁺ кристаллов Er:BaY₂F₈ в зависимости от плотности мощности лазерного (л_возб = 970 нм) возбуждения. Диаметр лазерного пучка на исследуемом кристалле регулировался в интервале от 30 мкм до 1 мм путем увеличения дистанции от гауссовой перетяжки собирающей линзы. При этом интенсивность лазерного излучения соответственно варьировалась в диапазоне 2 10² - 2,510⁵ Вт/см², а регистрирующая система фиксировала ФЛ линии Er³⁺ при 550 нм со всей излучаемой площади кристалла. Таким образом, была зарегистрирована квадратичная зависимость эффективности возбуждения линии антистоксовой ФЛ Er³⁺ кристаллов Er:BaY₂F₈ в зависимости от плотности мощности лазерного (л_возб = 970 нм) возбуждения. Этот результат однозначно подтверждает двухступенчатый механизм возбуждения линий антистоксовой люминесценции Er³⁺.

В этом же кристалле Er:BaY₂F₈, были проведены измерения зависимости выхода ИК-линии 2,9 мкм от интенсивности лазерного облучения. Обнаружено, что данная зависимость имеет линейный характер. Отсюда, возбуждение ИК-линий ФЛ Er³⁺ на 2,9 мкм происходит по однофотонному механизму.

В соответствии с результатами экспериментов механизм лазерного возбуждения антистоксовой и ИК люминесценции Er³⁺ в кристаллах Er:BaY₂F₈ можно представить электроны-ми переходами в системе энергетических уровней ионов Er³⁺ (рис.1).

примесь эрбий электронное возбуждение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В исследованных крис- таллах концентрация Er³⁺ варьировалась в диапазоне 0,05 - 0,5 вес. %. В образцах, легированных 0,5 вес. % Er³⁺, начинает проявляться концентра-ционное тушение, а кооперативное возбуждение эрбия практически не наблюдается. Поэтому при высоких концентрациях Er³⁺ > 5 вес. %, когда кооперативный механизм вносит вклад в возбуждение Er³⁺, эффективность ФЛ Er³⁺ будет значительно ниже вследствие концентрационного тушения люминесценции Er³⁺. В кристаллах Er:BaY₂F₈, содержащих 0,5 вес. % Er³⁺, при 300 К ФЛ линии на 560 нм затухают с = 22 мкс и при 0,05 вес. % Er³⁺ - = 30 мкс.

Таким образом, установлено, что при лазерном облучении фторидных и оксидных кристаллов, легированных примесью Er³⁺, возбуждение ИК свечения (2,9 мкм) происходит по однофотонному механизму, а сопутствующие линии антистоксовой люминесценции в видимом диапазоне спектра эффективно возбуждаются в результате двухступенчатого поглощения фотонов оптической накачки (рис. 1).

В третьей главе представлен обзор литературы по радиационным механизмам возбуждения примесных ионов в кристаллических структурах. Приведены результаты спектрально-кинетических исследований кристаллов сложных фторидов и оксидов с примесью Er³⁺ при возбуждении сильноточными наносекундными электронными пучками.

В рамках исследования особенностей механизма возбуждения примесных ионов Er³⁺ в оксидных и фторидных кристаллах (Er:Y₃Al₅O₁₂, Er:YAlO₃, Er:BaY₂F₈), проведено измерение выхода катодолюминесценции з Er³⁺. Оказалось, что выход КЛ Er³⁺ (~ 3 %) на два порядка превышает ожидаемую величину по концентрации примеси (0,05.вес. %).

Для выявления механизма возбуждения катодолюминесценции примеси Er³⁺ в исследуемых кристаллах, измерена зависимость выхода КЛ и ФЛ ионов эрбия от температуры в интервале от 78 до 300 К. Оказалось, что при электронном и оптическом (внутрицентровом) возбуждении примесных ионов Er³⁺ данные зависимости совпадают. Оптическое возбуждение легирующей примеси Er³⁺ в указанных кристаллах производилось селективно в полосы поглощения Er³⁺ излучением микросекундной (1 мкс) мощной ксеноновой лампы ИСШ-400. С учетом классических температурных зависимостей выхода свободных и автолокализованных экситонов [11] полученный результат однозначно отвергает экситонный механизм возбуждения ионов эрбия и показывает, что возбуждение КЛ Er³⁺ в кристаллах Er:Y₃Al₅O₁₂, Er:YAlO₃, Er:BaY₂F₈ связано с захватом ионами Er³⁺ наведенных электронным пучком горячих носителей зарядов. Таким образом, механизм возбуждения ионов Er³⁺ в кристаллах при импульсном электронном облучении обусловлен последовательным захватом ионами Er³⁺ дырок валентной зоны и электронов зоны проводимости по реакции:

Er³⁺+ h > Er⁴⁺ + e > (Er³⁺)* > Er³⁺+ hн_Er³⁺ (1)

Для подтверждения (1) исследована кинетика катодолюминесценции кристаллов Er:BaY₂F₈. Время затухания начального наиболее интенсивного экспоненциального участка совпадает с экспоненциальным затуханием ФЛ Er³⁺ при селективном (внутрицентрововом) облучении кристаллов Er:BaY₂F₈ импульсами мощной ксеноновой лампы. Это не противоречит тому, что излучательные электронные переходы в ионах Er³⁺ происходят в результате последовательного захвата ионами эрбия горячих дырок и электронов. Временные компоненты более протяженных, не экспоненциальных “хвостов”, по-видимому, обусловлены локализацией на Er³⁺ электронов зоны проводимости, “медленно” высвобождающихся из мелких ловушек. В кристаллах Er:BaY₂F₈ (0,05 вес. % Er³⁺) время затухания интенсивности линии катодолюминесценции Er³⁺ при 550 нм составляет 45 мкс, при 560 нм - 22 мкс (Т = 300 К).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В кристаллах Er:BaY₂F₈ исследован процесс разгорания катодолюминесценции примесных ионов. К примеру, из рис. 2 видно, что разгорание катодолюминесценции Er³⁺ линий на 560 нм при 300 К состоит из двух временных компонентов: < 10 нс и 300 нс. По временной компоненте (< 10 нс) в кинетике разгорания КЛ на 560 нм и в соответствии со схемой возбужденных энергетических уровней Er³⁺ (рис.1) очевидно, что заселение электронами уровня ²H_9/2, происходит за время < 10 нс в результате последовательного захвата горячих дырок и электронов эрбием по реакции (1).

Аномально высокий выход ( 3 %) КЛ примеси Er сложных оксидов и фторидов по отношению к концентрации Er (в Er:BaY₂F₈ 0,05.вес.% Er) в соответствии с формулой [15] показывает что, значение у_а (сечение взаимодействия горячих дырок и электронов с примесными ионами), превышает у (сечение взаимодействия горячих дырок и электронов с ионами собственного вещества), более чем на два порядка. В этом случае в указанных кристаллах горячие электроны эффективно передают энергию (W*) примесным дефектам Er, находящихся в узлах регулярной решетки. Это возможно если функция средней скорости электронов становится четной [15]: х_pi = ?_p(W_o - W*)_pi, то есть нарушается принцип Блоха. Это означает, что в окрестности примесных дефектов Er потенциал U*, как функция от (r+a) нерегулярен: . Для подтверждения рассмотрена электронная структура ионов эрбия и собственного вещества. Известно, что ион Er³⁺ встраивается в структуру BaY₂F₈ на место иттрия (Er³⁺ (5p⁶) замещает Y³⁺ (4p⁶)) [5]. При этом в матрице кристалла BaY₂F₈ происходит нарушение регулярной структуры монокристалла.

Таким образом, аномально высокий выход КЛ Er⁺³ (з 3 %) в видимом и ИК диапазонах спектра при электронном облучении кристаллов Er:BaY₂F₈, Er:YAlO₃, Er:YLiF₄, Er:Y₃Al₅O₁₂ обусловлен эффективным взаимодействием горячих носителей заряда с примесными дефектами Er⁺³, в окрестности которых имеет место нарушение регулярного внутрикристаллического поля.

В кристаллах Er:BaY₂F₈ (0,5 вес. % Er³⁺) при измерении () линии Er³⁺ на 560 нм при плотности тока 1 нс-пучка электронов j > 0,5 кА/см² обнаружено резкое изменение кинетических параметров КЛ (рис. 3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Микросекундный (2 мкс) всплеск КЛ линии Er³⁺ при 560 нм (рис. 3), который появляется при плотности тока j > 0,5 кА/см² спустя 500 нс после начала импульса электронного облучения объясняется явлением суперкатодолюминесценции (вынужденного излучения - усиление света люминесценции за один проход). Вынужденное излучение возникает при достижении инверсной населенности с превышением порогового значения концентрации возбужденных ионов. Расчет показал, что в кристаллах Er:BaY₂F₈ значение пороговой концентрации возбужденных ионов Er³⁺ равно 810¹⁷ см-³. В эксперименте при плотности тока наносекундного пучка электронов в кристаллах Er:BaY₂F₈ (0,5 вес. % Er³⁺) j > 0,5 кА/см² концентрация возбужденный ионов (Er³⁺)* достигает ~ 510¹⁸ см-³.

В четвертой главе на основе анализа литературных данных и экспериментальных исследований раскрыты механизмы возбуждения широкополосной катодолюминесценции (ШКЛ), обнаруженной в кристаллах Er:BaY₂F₈ и BaY₂F_8.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

При возбуждении сильноточными электронными пучками (10 - 250 кэВ; 0,5 - 2,0 кА/см²; 1 нс) номинально чистых кристаллов фторида бария иттрия обнаружена малоинерционная (ф < 5 нс) широкополосная (300 - 700 нм) стабильная при 78 - 900 К катодолюминесценция. В кристаллах Er:BaY₂F₈ при 700 К также обнаружена идентичная по спектру интенсивная широкополосная катодолюминесценция. При этом линии КЛ Er³⁺ на 550 и 560 нм, обусловленные свечением примесных ионов эрбия, практически потушены. В данных кристаллах независящий от температуры (78 - 900 К) выход ШКЛ ~ 0,1 % сопоставим с известной эффективностью ШКЛ собственного вещества сапфира [9]. Таким образом, в номинально чистых и с примесью Er³⁺ кристаллах BaY₂F₈ ШКЛ обусловлена излучением собственного вещества.

Из рис. 4 (кр. 1 и 2) видно, что спектр ШКЛ кристалла BaY₂F₈ состоит из двух полос КЛ: 360 и 570 нм. Для уточнения проведены измерения короткоживущего поглощения кристаллов BaY₂F₈ при наносекундном сильноточном электронном облучении. В ходе электронной бомбардировки кристалла BaY₂F₈ при 300 К обнаружена полоса короткоживущего поглощения со временем жизни 300 нс и максимумом на 530 нм (рис. 4, кр. 3). Данная полоса короткоживущего поглощения совпадает со спектральным провалом в спектре ШКЛ исследуемого кристалла. Это означает, что «провал», образованный в спектре ШКЛ (460 - 570 нм) кристалла BaY₂F₈ обусловлен короткоживущим поглощением, наведенным в данной спектральной области электронным облучением. Следовательно, спектр ШКЛ кристалла BaY₂F₈, связанный с собственным излучением кристаллического вещества, имеет одну полосу с максимумом при 360 нм.

Известно [9, 10], что в оксидах широкополосная катодолюминесценция обусловлена излучательными электронными переходами в 2р-валентной зоне кристалла при ионизации и ударном смещении с регулярных позиций ионов кислорода O^2-. ШКЛ в кристаллах BaY₂F₈, так же как и в оксидах, обладает следующими особенностями: малоинерционностью (ф < 5 нс), широким спектром (370 - 700 нм), выходом КЛ около 10^-3 и высокой температурной стабильностью (78 - 900 К). На основании этого можно предположить, что как и в оксидах, излучательные малоинерционные переходы в кристаллах BaY₂F₈ происходят в 2р-валентной зоне кристалла при ионизации и ударном смещении с регулярных позиций ионов фтора.

Энергия электрона в пучке - это его кинетическая энергия, связанная со скоростью электрона и импульсом. Эти параметры влетающего в кристалл электрона, определяют ударный процесс взаимодействия. В результате электронного удара смещенный ион фтора оказывается в локальном кристаллическом возмущающем поле. Вследствие этого происходит расщепление 2р-валентной зоны F-. Напряженность поля (Е) в окрестности смещенного иона F- с учетом эффективного заряда F- при его ударном смещении, связана с пороговой энергией образования стабильных анионных вакансий W_ео и энергией электронов в пучке W_e следующей зависимостью [14]:

, (2)

где 6е - эффективный заряд иона фтора, m_e - масса электрона, m_i - масса иона F-, e_о - диэлектрическая постоянная, e - диэлектрическая проницаемость среды, W_ео - пороговая энергия образования стабильных дефектов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Таким образом, величина напряженность поля (Е) в окрестности смещенного иона F- при энергии электронов < W_ео = 30 кэВ зависит главным образом от массы ионов составляющих кристалл BaY₂F₈. Для уточнения механизма возбуждения ШКЛ в BaY₂F₈ была измерена зависимость уширения КЛ от энергии электронов возбуждающего пучка в кристаллах BaY₂F₈ и Al₂O₃ (рис. 5). Обнаружено, что в этих кристаллах при увеличении энергии электронов в пучке до 30 кэВ уширение КЛ практически совпадает. Атомный вес бария - 137 и иттрия - 89 значительно больше, чем у кислорода. И если при электронной бомбардировке (W_e = 30 кэВ) кристаллов BaY₂F₈ за ШКЛ были бы ответственны переходы электронов, связанные с ионами Ba или Y, то в соответствии с (2) уширение ШКЛ практически не должно наблюдаться. Это предположение явно противоречит экспериментальным результатам (рис. 5). Напротив, атомный вес кислорода 16 незначительно отличается от атомного веса фтора - 19. Поэтому по условию (2) уширение ШКЛ в Al₂O₃ и BaY₂F₈ должно быть близкими по величине и в эксперименте уширение спектра ШКЛ BaY₂F₈ практически совпадает с уширением ШКЛ кристаллов Al₂O₃ и составляет Дл = 100 нм (рис. 5). Отсюда за ШКЛ в кристаллах BaY₂F₈ ответственны переходы электронов в 2р-валентной зоне ионов F-.

Таким образом, в ходе сильноточного наносекундного электронного возбуждения кристаллов BaY₂F₈, стабильная при 78 ? 900 К малоинерционная (< 5 нс) ШКЛ в области 300 ? 700 нм обусловлена излучательными электронными переходами в 2р-валентной зоне при ионизации и ударном смещении с регулярных позиций ионов фтора.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

На основе установленной природы и механизма возбуждения малоинерционной независящей от температуры широкополосной катодолюминесценции на рис. 6 представлена схема энергетических зон и электронных переходов, ответственных за ШКЛ кристалла BaY₂F₈. Как видно из рис. 6, при воздействии ионизирующего излучения на кристаллы BaY₂F₈, электроны из 2р-валентной зоны F- и более глубоких уровней ионов забрасываются в зону проводимости, создавая горячие электроны и дырки. В результате излучательных электронных переходов в валентной зоне, сформированной 2р-состоянием ионов F-, происходит наблюдаемое широкополосное свечение (рис. 4). При облучении кристаллов BaY₂F₈ электронами с энергией > 10 кэВ, за счет ударного смещения, ионы фтора окажутся в локальных кристаллических полях возмущения. При этом происходит расщепление 2р-валентной зоны ионов фтора и как следствие, наблюдается уширение спектров ШКЛ (рис. 5).

Основные результаты работы

1. Установлено, что в сложных фторидах и оксидах, легированных примесью Er³⁺, при лазерном инфракрасном возбуждении линии излучения на 2,9 мкм происходят по двухступенчатому механизму переходы электронов ⁴I_15/2 > ⁴I_9/2 > ²H_9/2 и ⁴I_15/2 > ⁴I_11/2 > ⁴F_7/2, ответственные за возбуждение сопутствующих зеленых и красных линий антистоксовой люминесценции.

2. Установлено, что возбуждение ионов Er³⁺ в кристаллах Er:BaY₂F₈ при импульсном электронном облучении обусловлено последовательным захватом дырок валентной зоны и электронов зоны проводимости примесными ионами Er³⁺ по реакции: Er³⁺+ h > Er⁴⁺ + e > (Er³⁺)* > Er³⁺+ hн_Er³⁺.

3. Показано, выход катодолюминесценции Er⁺³ в оксидных и фторидных кристаллах в видимом и ИК диапазонах спектра на два порядка превышает ожидаемую величину по концентрации примеси Er⁺³ (0,05 вес. %).

4. Установлено, что аномально высокий выход катодолюминесценции Er⁺³ в видимом и ИК диапазонах спектра при облучении кристаллов Er:BaY₂F₈, Er:YAlO₃, Er:Y₃Al₅O₁₂, Er:YLiF₄ обусловлен эффективным взаимодействием горячих носителей заряда с примесными дефектами вследствие нарушения регулярности кристаллического поля в окрестности примесных дефектов Er⁺³.

5. Предложена схема излучательных электронных переходов в ионах Er⁺³ при наносекундном электронном облучении кристаллов Er:BaY₂F₈.

6. В кристаллах Er:BaY₂F₈ при плотности тока электронной накачки j > 0,5 кА/см² достигнут режим суперкатодолюминесценции Er³⁺ линии на 560 нм.

7. Установлено, что независящая от примесного состава и температуры малоинерционная (ф < 5 нс) широкополосная (300 - 700 нм) катодолюминесценция кристаллов BaY₂F₈ обусловлена свечением собственного вещества.

8. При электронном облучении кристаллов BaY₂F₈ в области 460 - 570 нм обнаружено наведенное поглощение со временем жизни 300 нс при 300 К.

9. Установлено, что ШКЛ кристаллов BaY₂F₈ в спектральной области 300 - 700 нм ответственны излучательные переходы в 2р-валентной зоне F- при ионизации и ударном смещении с регулярных позиций ионов фтора в ходе сильноточного наносекундного электронного удара.

Работы, опубликованные по теме диссертации

[1] Барышников В.И., Илларионов А.И., Криворотова В.В. Возбуждение люминесценции кристаллов с примесью Er³⁺ // Тезисы Х Межд. школы-семинара по люминесценции и лазерной физике. - 2006, Иркутск. С.20-21.

[2] Барышников В.И., Криворотова В.В. Возбуждение фотолюминесценции в оксидных и фторидных кристаллах легированных ионами Er. // ФТТ, 2008. Т.50, № 9. С.1600-1602.

[3] Барышников В.И., Криворотова В.В., Воропаев Е.В. Возбуждение наносекундными электронными пучками кристаллов, легированных эрбием // Известия ВУЗов. Физика, 2009. Т.52, № 12/3. С. 53-56.

[4] Baryshnikov V.I., Krivorotova V.V. Excitation of Er³⁺ luminescence in oxide and fluoride crystals // XIII Feovilov symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ions. - 2007, Irkutsk. Р. 9.

[5] Барышников В.И., Криворотова В.В. Импульсная катодолюминесценция кристаллов с примесью Er³⁺ // Тезисы ХI Межд. школы-семинара по люминесценции и лазерной физике. - 2008, Иркутск. С.18-19.

[6] Барышников В.И., Криворотова В.В. Контроль болометрических систем диагностики инфракрасным импульсным излучением кристаллов Er:BaY₂F₈ // Сборник трудов межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона». - 2009, Иркутск. С. 269-272.

[7] Барышников В.И., Криворотова В.В. Малоинерционные широкополосные оптоэлектронные излучатели и преобразователи на основе кристаллов BaY₂F₈ // Сборник трудов межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона». - 2009. Иркутск. С. 272-275.

[8] Барышников В.И., Криворотова В.В. Широкополосная катодолюминесценция кристаллов Er:BaY₂F₈ // Тезисы научно-технической конференции молодых ученых «Люминесцентные процессы в конденсированных средах». - 2009. Харьков, Украина. Р. 18.

[9] Барышников В.И., Криворотова В.В., Воропаев Е.В. Малоинерционное излучение сложных фторидов в интенсивных радиационных полях // Тезисы XXIV съезда по спектроскопии. - 2010. Москва. С. 147.

[10] Барышников В.И., Илларионов А.И., Криворотова В.В. Способ тестирования инфракрасных болометрических систем. Заявка на патент на изобретение РФ № 2009148838 от 28.12.2009 г.

Список цитируемой литературы

[1] Кравцов Н.В. Основные тенденции развития твердотельных лазеров с полупроводниковой накачкой // Квантовая электроника, 2001. Т.31, №8. С. 661-677.

[2] Brauch U., Huber G., Karsewsky M., Siewen C., Voss A. Multiwatt diode-pumped Yb:YAG thin disk laser continuously tunable between 1018 and 1053 nm // Optics Letts, 1995. Т.20. С. 713-715.

[3] Каминский А.А. Лазерные кристаллы. Наука, 1975. 256 с.

[4] Pollnau M., L?thy W., Weber H.P., Kr?mer K., G?der H.U, McFarlane R.A. Excited-state absorption in Er:BaY₂F₈ and Cs₃Er₂Br₉ and comparison with Er:LiYF₄. // Appl. Phys, 1996. B 62. Р. 339-344.

[5] Kaczmarek S.M., Leniec G., Typek J., Boulon G., Bensalah A. Optical and EPR properties of BaY₂F₈ single crystals doped with Yb. // The 15^th International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter. Lyon, France, 2008.

[6] Овсянкин В.В., Феофилов П.П. ЖЭТФ (письма), 1966. Т.4. С. 317-318.

[7] Сигачев В.Б., Дорошенко М.Е., Басиев Т.Т., Лутц Г.Б., Чаи Б. Сенсибилизация люминесценции ионов Er³⁺ и Ho³⁺ ионами Cr⁴⁺ в кристалле Y₂SiO₅. // Квантовая электроника, 1995. Т.22, №1. С. 33-36.

[8] Кулагин Н.А., Дойчилович Я. Структурные и радиационные центры окраски и диэлектрические свойства примесных кристаллов алюмоиттриевого граната // ФТТ, 2007. Т.49, №6. С. 234-241.

[9] Барышников В.И., Щепина Л.И., Колесникова Т.А., Мартынович Е.Ф. Широкополосное малоинерционное свечение оксидных монокристаллов, возбуждаемое мощными пучками электронов// ФТТ, 1990. Т. 32, № 6. С. 1888.

[10] Барышников В.И., Колесникова Т.А., Дорохов С.В. Взаимодействие мощного рентгеновского излучения с кристаллами сапфира и материалами на основе кварца // ФТТ, 1997. Т.39, №2. С. 286-289.

[11] Алукер Э.Д., Лусис Д.Ю., Чернов С.А. Электронные возбуждения и радиолюминесценция щелочно-галоидных кристаллов. Зинатне. Рига, 1979. 251 с.

[12] Барышников В.И., Колесникова Т.А. Перестраиваемый лазер видимого диапазона на основе кристаллов сапфира с центрами окраски // Квантовая электроника, 1996. Т.23, №9. С. 779-781.

[13] Барышников В.И., Дорохов С.В., Колесникова Т.А. Механизмы ионизации F₂-центров в лазерных средах на основе кристаллов LiF // Оптика и спектроскопия, 2000. Т.89, №1. С.70-75.

[14] Барышников В.И., Колесникова Т.А. Фемтосекундные механизмы электронного возбуждения кристаллических материалов // ФТТ, 2005. Т.47, №10. С. 1776-1780.

[15] Барышников В.И., Колесникова Т.А. Возбуждение собственных дефектов в ионных кристаллах мощными оптическими и электронными пучками // ФТТ, 1998. Т.40, №6. С.1030-1035.

[16] Каплянский А.А. Спектроскопия кристаллов. Л.: Наука, 1983. 232 с.

Размещено на Allbest.ru