Сенсибилизация 5-6 мкм люминесценции ионов Nd3+ в селенидном стекле ионами Tb3+

Сенсибилизация 5-6 мкм люминесценции ионов Nd³⁺ в селенидном стекле ионами Tb³⁺

Пресс-релиз публикации: B.I. Denker, M.P. Frolov, B.I. Galagan, V.V. Koltashev, Yu.V. Korostelin, V.G. Plotnichenko, M.V. Sukhanov, S.E. Sverchkov, A.P. Velmuzhov. Sensitization of 5-6 μm Nd³⁺ luminescence in selenide glass by Tb³⁺ ions, Journal of Luminescence 263 (2023) 120056 DOI: 10.1016/j.jlumin.2023.120056

Пресс-релиз в формате PDF

Одними из самых известных активаторов твердотельных лазерных сред являются трехвалентные ионы неодима. Они используются для получения генерации с длинами волн ~ 0,94, ~ 1,06 и 1,32-1,44 мкм. Неодимовые лазеры с длиной волны 1,06 мкм до сих пор остаются одними из самых востребованных и распространенных лазеров. Вопрос получения генерации на более длинноволновых электронных переходах неодима если и рассматривался периодически специалистами, то преимущественно в теоретическом плане. Если обратиться к энергетической схеме уровней неодима, то можно увидеть, что между низко расположенными уровнями, в частности, на переходе ⁴I_11/2 → ⁴I_9/2 (Рис. 1), в принципе также возможно наблюдение люминесценции в области длин волн 4,4-6,5 мкм, что позволяет рассматривать этот переход в качестве потенциального лазерного.

Для наблюдения этой люминесценции естественно требуется соблюдение ряда условий. В первую очередь, ионы неодима должны находиться в матрице с коротким фононным спектром для обеспечения низких скоростей многофононного тушения этого перехода.

Проведенные нами исследования подтвердили, что люминесцентные свойства Nd³⁺ в селенидных стеклах сильно отличаются от таковых в обычных оксидных или фторидных лазерных материалах. Так как селенидные стекла непрозрачны на длинах волн менее ~ 1 мкм, характерная люминесценция ионов Nd³⁺ в области 1,06 мкм, соответствующая переходу ⁴F_3/2 → ⁴I_11/2, в них практически не наблюдается. Из-за короткого фононного спектра времена жизни низколежащих энергетических уровней Nd³⁺ в селенидных стеклах примерно на шесть порядков больше, чем в оксидных. В результате ионы Nd³⁺ в селенидных стеклах могут проявлять интенсивную люминесценцию в области длин волн 4,4-6,5 мкм, соответствующую, в частности, переходу ⁴I_11/2 → ⁴I_9/2 (Рис. 1). Естественно, возникает вопрос о возможности создания на этих стеклах лазеров с такими длинами волн излучения. Для достижения этой цели необходимо решить проблему эффективной накачки уровня ⁴I_11/2. В области прозрачности селенидных стекол ионы Nd³⁺ имеют несколько полос поглощения: 4000 см^-1 (~ 2,4 мкм) и 6000 см^-1 (~ 1,7 мкм), также показанных на Рис. 1. К сожалению, прямое оптическое возбуждение ионов Nd³⁺ в эти полосы не приводит к эффективному заселению уровня ⁴I_11/2 из-за низких коэффициентов ветвления соответствующих переходов. Кроме того, не имеется мощных и эффективных источников накачки на 1,7 мкм и 2,4 мкм. Для решения этой проблемы мы предложили использовать эффект сенсибилизации люминесценции Nd³⁺ другим редкоземельным ионом Tb³⁺, имеющим несколько интенсивных полос поглощения в областях ~ 2, ~ 2,4, ~ 2,95 мкм. Для возбуждения ионов тербия, в частности, могут быть использованы распространенные и эффективные Er:YAG лазеры с длиной волны 2,94 мкм. В отличие от ионов неодима, особенностью ионов тербия в селенидных стеклах является быстрая и эффективная релаксация возбуждений на метастабильный уровень ⁷F₅. В нашем исследовании мы обратили внимание на наложение ~ 5 мкм люминесценции Tb³⁺ с уровня ⁷F₅ на полосу поглощения Nd³⁺. Как известно, эффект сенсибилизации заключается в переносе энергии возбуждения от одного оптического центра к другому. Доминирующим механизмом такого переноса является безызлучательное диполь-дипольное взаимодействие между близко расположенными ионами. В настоящей работе мы впервые экспериментально исследовали процессы передачи энергии электронного возбуждения между ионами тербия и неодима в селенидном стекле и задались вопросом о возможности их использования для накачки уровня ⁴I_11/2 Nd³⁺. Для исследований было выбрано стекло состава Ge₂0Ga₅Sb₁₀Se₆₅ легированное 4,4 × 10¹⁹ см^-3 Tb³⁺ и 4,1 × 10¹⁹ см^-3 Nd³⁺. Исследования проводились при комнатной температуре и при температуре жидкого азота. Возбуждение образца производилось Er:YAG лазером с длиной волны 2,94 мкм и с модуляцией добротности в полосу поглощения Tb³⁺ (переход ⁷F₆ → ⁷F₄). Было установлено, что при комнатной температуре имеют место как прямой (от Tb³⁺ к Nd³⁺), так и обратный (от Nd³⁺ к Tb³⁺) перенос энергии (Рис. 1). Обратная передача энергии ограничивает максимально достижимую населенность уровня ⁴I_11/2 Nd³⁺ и должна препятствовать достижению инверсии и получению лазерной генерации неодима в области спектра 5-6 мкм. При температуре жидкого азота обратный перенос энергии становится несущественным, а прямой идет с квантовой эффективностью, превышающей 90%.

Научная новизна проведенных фундаментальных исследований и их приоритетный характер заключаются в том, что впервые предложена, исследована и реализована возможность сенсибилизации люминесценции Nd³⁺ в средней ИК области спектра ионами Tb³⁺ в матрице с коротким фононным спектром. Это дало нам основание сделать вывод, что использование предложенной схемы должно позволить, при соблюдении всех обязательных требований, предъявляемых к активным лазерным материалам, создать на основе халькогенидного стекла, солегированного Tb³⁺ и Nd³⁺, лазер на ионах неодима с длиной волны излучения ~ 6 мкм.

Работа является результатом кооперации ученых из ИОФ РАН, ФИАН и ИХВВ РАН (Нижний Новгород). Вклад авторов из ИОФ РАН в настоящую статью заключается в постановке задачи, проведении и интерпретации результатов фундаментальных исследований процессов передачи энергии электронного возбуждения между ионами Tb³⁺ и Nd³⁺ и их зависимости от температуры в халькогенидных стеклах, изготовленных коллегами из ИХВВ РАН.

Пресс-релиз подготовил: зав. лабораторией концентрированных лазерных материалов ОЛМФ ИОФ РАН, доктор физико-математических наук Б.И. Денкер.

Рис. 1. Процессы трансформации энергии на низкорасположенных уровнях ионов Tb³⁺ и Nd³⁺ в селенидных стёклах. 1 – люминесценция Nd³⁺; 2 – люминесценция Tb³⁺; 3 –безызлучательный перенос Tb³⁺ → Nd³⁺; 4 – обратный перенос Nd³⁺ → Tb³⁺. На рисунке представлены также сечения поглощения σ_абс соответствующих ионов. (Источник: B.I. Denker, M.P. Frolov, B.I. Galagan, V.V. Koltashev, Yu.V. Korostelin, V.G. Plotnichenko, M.V. Sukhanov, S.E. Sverchkov, A.P. Velmuzhov. Sensitization of 5-6 μm Nd³⁺ luminescence in selenide glass by Tb³⁺ ions, Journal of Luminescence 263 (2023) 120056 DOI: 10.1016/j.jlumin.2023.120056)