Введение 3
1 Фотодинамические процессы 5
2 Объект исследования 7
3 Техника эксперимента 9
3.1 Регистрация спектров поглощения и люминесценции 9
3.2 Исследование нелинейных процессов поглощения 10
3.3 Особенности регистрации спектров фотопроводимости 11
3.3.1 Традиционная методика регистрации с использованием накладных
электродов 11
3.3.2 Резонансная СВЧ-методика 15
3.3.3 Исследование процессов фотоионизации в кристалле Се3+:УЛС 16
4 Экспериментальные результаты 18
4.1 Спектры поглощения и люминесценции 19
4.2 Спектр фотопроводимости 22
4.3 Процессы нелинейного поглощения 24
4.4 Моделирование процессов нелинейного поглощения 26
Заключение 31
Список литературы
В большинстве материалов фотоники, использующих 5d-4f
межконфигурационные переходы редкоземельных ионов, наблюдаются фотодинамические процессы (ФДП), обусловленные взаимодействием интенсивного оптического излучения с системой «активаторный ион - кристаллическая матрица». Причиной ФДП в зависимости от типа примесных центров и матрицы-основы является одно- или многофотонная (через промежуточные возбужденные состояния) ионизация активаторных ионов. При этом происходят изменения валентности примесных ионов, образование и миграция свободных носителей заряда в энергетических зонах матрицы-основы, а также образование и обесцвечивание центров окраски. Фотодинамические процессы приводят к значительным изменениям оптических и электрических свойств материалов. Таким образом, фотоионизация примесных ионов является ключевым фактором, определяющими оптические свойства материалов в случае воздействия на них интенсивного излучения [1]. Исследование спектров фотоионизаци активаторных ионов из основного и возбужденных состояний, кроме получения новых фундаментальных знаний, позволяет подобрать условия по уменьшению негативного влияния ФДП на энергетические и спектральные характеристики существующих материалов квантовой электроники.
Так, например, для фторидных кристаллов, активированных ионами редкоземельных элементов, которые находят применение в качестве активных сред лазеров УФ диапазона спектра, индуцированные накачкой ФДП увеличивают порог лазерной генерации, уменьшают ее КПД, а зачастую даже определяют невозможность достижения лазерного эффекта. Это связано с тем, что поглощение из возбужденного 5d состояния приводит к снижению инверсной населенности между рабочими энергетическими уровнями, а поглощение наведенных центров окраски в диапазоне длин волн усиления кристалла приводит к увеличению порога генерации. Однако, имея информацию о спектре поглощения из возбужденного состояния примесного иона, можно оптимизировать условия накачки активной среды и увеличить эффективность лазерной генерации.
В данной работе исследовался кристалл BaMgF4:Ce3+,Na+, в котором, как известно по литературным данным [2], под действием УФ излучения возбуждения происходит интенсивный процесс образования наведенных центров окраски (ЦО). Ранее проведенные исследования [3] установили, что кристалл BaMgF4:Ce3+,Na+ не может быть использован в качестве активной среды из-за индицирующихся в нем фотодинамических процессов. Однако совокупность данных фотоиндуцированных процессов может приводить к нелинейному характеру поглощения лазерного излучения. Потому в данной работе была поставлена задач - рассмотреть фотодинамические процессы не только как негативный фактор при создании современных приборов квантовой электроники, но и изучить их положительные стороны. В частности в работе были рассмотрены возможности применения материала BaMgF4:Ce3+,Na+ в качестве насыщающегося поглотителя при создании лазеров УФ диапазона с ультракороткой длительностью импульсов.
В данной работе использовались комплексные методы исследования кристалла BaMgF4:Ce3+,Na+, включающие в себя: методы оптической спектроскопии, СВЧ- методы исследования фотодиэлектрических свойств объекта, а также методы нелинейной оптической спектроскопии для исследования эффектов насыщения поглощения в области 4f-5d переходов ионов Ce3+.
Кристаллы BaMgF4:Ce3+,Na+ были выращена в НИЛ МРС и КЭ Института физики КФУ. Однофазность соединений устанавливалась методами рентгеновской дифракции. Исследованы спектры поглощения и люминесценции ионов Ce3+, в области 4f-5d переходов. Показано, что в кристаллах образуются не менее двух типов оптически неэквивалентных примесных центров. Интенсивное возбуждение образцов излучением в области 240-289 нм приводит к образованию центров окраски в результате многоступенчатой фотоионизации ионов Ce3+, что экспериментально доказано регистрацией фотопроводимости образцов. Исследование индуцированных накачкой процессов осуществлялось методами pump-probe спектроскопии. Применение комплексных методов позволило впервые оценить параметры фотодинамических процессов, возникающих в кристалле BaMgF4:Ce3+,Na+ под воздействием интенсивного излучения. Результаты данной работы позволяют сделать вывод о непригодности использования кристалла BaMgF4, активированного ионами Ce3+ и Na+, в качестве насыщающегося поглотителя при создании пикосекундных лазеров УФ диапазона.
