Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych domieszkowanych jonami Er 3+ i Yb 3+ do mikrolaserów bezpiecznych dla oka

Transkrypt

1 BIULETYN WAT VOL. LVII, NR 1, 2008 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych domieszkowanych jonami Er 3+ i Yb 3+ do mikrolaserów bezpiecznych dla oka JAROSŁAW MŁYŃCZAK, KRZYSZTOF KOPCZYŃSKI, JADWIGA MIERCZYK, ANDRZEJ MAJCHROWSKI*, MAKSYMILIAN WŁODARSKI Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, *Instytut Fizyki Technicznej, Warszawa, ul. S. Kaliskiego2 Streszczenie. Przeprowadzono badania własności optycznych i spektroskopowych nowych szklanych oraz krystalicznych ośrodków aktywnych domieszkowanych jonami Er 3+ i Yb 3+. Ośrodki szklane SELG (Strong Erbium Laser Glass) i Concentrated Glass o podwyższonej koncentracji iterbu zostały opracowane w Rosyjskiej Akademii Nauk. Monokryształy KGW, KYW, KYbW oraz LaCaBO otrzymano metodą wzrostu z topników w Instytucie Fizyki Technicznej WAT, a kryształy YAG metodą Czochralskiego w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych. Wyznaczono widma absorpcji badanych ośrodków w zakresie spektralnym nm. Badano widma luminescencji i wyznaczono czasy życia górnych poziomów laserowych 4 I 13/2 jonów Er 3+ i 2 F 5/2 jonów Yb 3+ w badanych szkłach i kryształach. Słowa kluczowe: promieniowanie bezpieczne dla oka, mikrolaser, ośrodek aktywny Symbole UKD: Wprowadzenie Wraz z rozwojem technologii wytwarzania nowych, półprzewodnikowych źródeł pompujących w postaci matryc diod laserowych generujących coraz wyższe moce, rosną wymagania na odporność mechaniczną, cieplną i optyczną nowych ośrodków aktywnych. Prowadzone prace dotyczą nowych typów szkieł pozwalających na wyższe domieszkowanie jonami aktywatorów oraz ośrodków krystalicznych, które w zakresie eye safe, mimo lepszej przewodności cieplnej, ciągle ustępują ośrodkom szklanym.

2 52 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski Ośrodki aktywne do mikrolaserów powinny dodatkowo cechować wysokie wartości współczynnika absorpcji dla promieniowania pompy i właściwe relacje koncentracji jonów Yb 3+ i Er 3+. Efektywność pompowania związana jest z koncentracją jonów iterbu, która powinna osiągać najwyższe, technologicznie możliwe poziomy. Głównym ograniczeniem wysokich koncentracji jonów Yb w szkłach są procesy rekrystalizacji występujące w technologii otrzymywania szkieł. W kryształach wzrost koncentracji domieszek może powodować zdefektowanie sieci krystalicznej i pogorszenie własności termooptycznych matrycy. Zasadniczym kryterium optymalizacji poziomu domieszkowania jest sprawność transferu energii Yb Er. 2. Szkła Concentrated Glass o podwyższonej koncentracji iterbu Szkła concentrated glass o podwyższonej koncentracji iterbu zostały opracowane w Rosyjskiej Akademii Nauk w zespole prof. Denkera [1, 2]. Posiadają one ponad dwukrotnie większą koncentrację domieszki w porównaniu ze szkłami dostępnymi komercyjnie. Koncentracja jonów Yb 3+ może w nich osiągać poziom 4, cm 3 przy zachowaniu dobrych parametrów termooptycznych i wytrzymałościowych szkła. Badania przeprowadzono dla trzech próbek o stałej koncentracji jonów Yb 3+ i różnej koncentracji jonów Er 3+ : GLASS-1: Yb cm 3, Er 1, cm 3, GLASS-2: Yb cm 3, Er 0, cm 3, GLASS-3: Yb cm 3, Er 0, cm 3. Pomiaru charakterystyk transmisyjnych badanych ośrodków dokonano na spektrofotometrze Lambda 900 w zakresie od 200 nm do 3200 nm. Wyznaczono widma współczynnika absorpcji, a otrzymane charakterystyki przedstawiono na rysunku 1. Na rysunku 2 pokazano niepewności względne wyznaczonych wartości. Dla badanych ośrodków współczynnik absorpcji rośnie nieznacznie wraz ze wzrostem koncentracji jonów Er i dla wszystkich ośrodków przekracza wartość 30 cm 1 dla długości fali 975 nm oraz 10 cm 1 dla długości fali 940 nm. Pomiary widm fluorescencji badanych ośrodków przeprowadzono na spektrofluorymetrze FS 900. Badano widma w obszarze 1030 nm (fluorescencja jonów Yb 3+ ) oraz w zakresie 1535 nm (fluorescencja jonów Er 3+ ), dla wzbudzenia 940 nm i 975 nm. Podczas badań stwierdzono brak luminescencji jonów iterbu w obszarze 1030 nm, co może świadczyć o bardzo dużej sprawności transferu energii z tych jonów do jonów erbu. Widma luminescencji jonów erbu w obszarze 1535 nm pokazano na rysunkach 3 i 4 przy wzbudzeniu odpowiednio 975 nm i 940 nm. Dla danej długości fali wzbudzenia pomiary wykonywano w takiej samej konfiguracji i dla takiej samej mocy wzbudzającej, co umożliwia porównanie efektywności luminescencji poszczególnych próbek. Jak widać z rysunków, najefektywniejszą

3 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych Rys. 1. Widmo współczynnika absorpcji szkieł o podwyższonej koncentracji iterbu Concentrated Glass Rys. 2. Niepewności względne współczynnika absorpcji szkieł o podwyższonej koncentracji iterbu Concentrated Glass luminescencją charakteryzuje się szkło GLASS-2 zarówno dla wzbudzenia 975 nm, jak i 940 nm. Można stąd wnioskować, że próbka ta posiada najlepszą koncentrację jonów erbu i iterbu. Wszystkie badane próbki charakteryzują się dość szerokim pasmem luminescencji wynoszącym ok. 20 nm, związanym z przejściem kwantowym 4 I 13/2 4 I 15/2. W paśmie tym maksymalna luminescencja występuje dla długości fali 1535 nm.

4 54 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski Rys. 3. Widmo luminescencji jonów erbu przy wzbudzeniu promieniowaniem 975 nm Rys. 4. Widmo luminescencji jonów erbu przy wzbudzeniu promieniowaniem 940 nm Pomiary czasów życia górnego poziomu laserowego jonów Er 3+ ( 4 I 13/2 ) i Yb 3+ ( 2 F 5/2 ) przeprowadzono metodą bezpośrednią z wykorzystaniem wzbudzenia impulsowego. Ośrodek wzbudzano impulsem promieniowania o czasie opadania znacznie krótszym od czasu życia τ na badanym poziomie wzbudzonym. Zmiany fluorescencji w czasie rejestrowano w układzie detekcyjnym. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 5. Źródłem impulsów diagnostycznych o długości fali 975 nm i repetycji ok. 0,66 khz był laser półprzewodnikowy POLA-

5 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych ROID 4300 sterowany generatorem impulsów. W torze detekcji stosowano detektor InGaAs (dla pomiarów czasu życia Er 3+ ) lub detektor Si (dla pomiarów czasu życia Yb 3+ ). Charakterystyki czasowe zaniku fluorescencji rejestrowano na oscyloskopie cyfrowym TEKTRONIX DPO Rys. 5. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania czasu zaniku fluorescencji Rys. 6. Oscylogram przebiegu czasowego impulsu wzbudzającego diody laserowej Polaroid 4300 Na rysunku 6 przedstawiono oscylogram impulsu wzbudzającego stosowanego do pomiarów czasu życia jonów Er 3+. Czas opadania nie przekracza 100 µs przy wyznaczanych czasach zaniku fluorescencji rzędu kilku ms. W przypadku jonów Yb 3+ o czasie życia kilkaset µs stosowano szybsze detektory Si i czasy opadania impulsu diagnostycznego poniżej 1 µs. Na rysunku 7 pokazano oscylogram przebiegu czasowego zaniku fluorescencji w próbce GLASS-1.

6 56 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski Rys. 7. Oscylogram przebiegu czasowego zaniku fluorescencji w próbce GLASS-1 (detektor InGaAs) Uzyskane charakterystyki czasowe zaniku fluorescencji aproksymowano funkcją: t I = I0 exp( ), (1) gdzie I 0 intensywność początkowa; τ stała czasowa. Do wyznaczania stałej czasowej τ (czasu zaniku fluorescencji) stosowano program komputerowy napisany w pakiecie MATLAB. Przykładowe aproksymacje sygnału z detektora InGaAs dla GLASS-1 (czasu zaniku fluorescencji jonów erbu z poziomu 4 I 13/2 ) przedstawiono na rysunku 8. W tabeli 1 przedstawiono otrzymane wyniki pomiarów czasu zaniku fluorescencji z oszacowanymi niepewnościami pomiarowymi. Tabela 1 Wyniki pomiarów czasu zaniku fluorescencji jonów erbu z poziomu 4 I 13/2 w badanych próbkach GLASS Lp. Próbka τ [ms] τ [ms] 1 GLASS-1 8,6 ±0,1 2 GLASS-2 8,8 ±0,1 3 GLASS-3 9,6 ±0,1 W badanych szkłach nie obserwowano luminescencji z poziomu 2 F 5/2 jonów Yb 3+. Brak luminescencji świadczy o wysokiej sprawności transferu energii z jonów Yb 3+ do Er 3+ i potwierdza optymalny dobór koncentracji tych jonów.

7 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych Rys. 8. Aproksymacja krzywej zaniku fluorescencji dla GLASS-1 z detektora InGaAs (kolor niebieski dane pomiarowe, kolor czerwony krzywa aproksymująca) Pomiary czasu zaniku fluorescencji dla szkieł GLASS o różnej koncentracji jonów Er 3+ wykazały skracanie czasu życia (od 9,61 ms do 8,56 ms) ze wzrostem koncentracji jonów domieszki. Efekt ten może być spowodowany stężeniowym gaszeniem fluorescencji. 3. Szkła SELG Opracowane w Rosyjskiej Akademii Nauk szkła erbowo-iterbowe SELG o podwyższonym progu uszkodzenia termicznego łączą w sobie właściwości szkieł krzemianowych (właściwości termomechaniczne) i fosforanowych (duża sprawność generacji) [1]. Głównym ich przeznaczeniem są aplikacje mikrolaserowe. Badania spektroskopowe szkieł przeprowadzono dla trzech próbek o stałej koncentracji jonów Yb 3+ i różnych koncentracjach jonów Er 3+ : SELG-1: Yb 1, cm 3, Er 0, cm 3, SELG-2: Yb 1, cm 3, Er cm 3, SELG-3: Yb 1, cm 3, Er 1, cm 3.

8 58 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski Charakterystyki widmowe współczynnika absorpcji w zakresie nm wyznaczono na podstawie pomiarów transmisji na spektrofotometrze Lambda 900. Wyznaczone charakterystyki przedstawiono na rysunku 9. Piki absorpcji 916 nm i 975 nm odpowiadają przejściom kwantowym między poziomami 2 F 7/2 2 F 5/2 jonów Yb 3+. Dla wszystkich badanych ośrodków wartość współczynnika absorpcji rośnie nieznacznie wraz ze wzrostem koncentracji jonów Er i przekracza 20 cm 1 dla długości fali 975 nm oraz 6 cm 1 dla długości fali 940 nm. Na rysunku 10 przedstawiono wyznaczone niepewności współczynnika absorpcji. Rys. 9. Widmo współczynnika absorpcji szkieł SELG-1, SELG-2, SELG-3 Rys. 10. Niepewności względne współczynnika absorpcji szkieł SELG

9 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych Badania widm luminescencji wykonano w tym samym układzie co dla szkieł Concentrated Glass. Widma te zostały przedstawione na rysunkach 11 i 12, odpowiednio dla wzbudzenia promieniowaniem 975 nm i 940 nm. Dla tych szkieł również wystąpił brak luminescencji jonów iterbu świadczący o wysokiej sprawności transferu energii z tych jonów do jonów erbu. Największą intensywnością luminescencji w obszarze 1535 nm charakteryzowała się próbka SELG-1 dla obu długości fal wzbudzenia. Rys. 11. Widmo luminescencji jonów erbu przy wzbudzeniu promieniowaniem 975 nm Rys. 12. Widmo luminescencji jonów erbu przy wzbudzeniu promieniowaniem 940 nm

10 60 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski Pomiary czasu zaniku fluorescencji jonów Er 3+ przeprowadzono w układzie przedstawionym na rysunku 3. Wyniki pomiarów z oszacowanymi niepewnościami zestawiono w tabeli 2. Podobnie jak dla szkieł GLASS nie obserwowano fluorescencji jonów Yb 3+ i nie dokonano pomiarów czasów życia poziomu 2 F 5/2 ze względu na wysoką sprawność transferu energii z jonów Yb 3+ do Er 3+. Tabela 2 Wyniki pomiarów czasu zaniku fluorescencji z poziomu 4 I 13/2 jonów erbu w badanych próbkach Lp. Próbka τ [ms] τ [ms] 1 SELG-1 9,1 ±0,1 2 SELG-2 9,0 ±0,1 3 SELG-3 8,9 ±0,1 Podobnie jak dla próbek GLASS w szkłach SELG czas zaniku fluorescencji jonów Er 3+ maleje od 9,1 ms do 8,89 ms wraz ze wzrostem koncentracji jonów Er 3+, co może być efektem stężeniowego gaszenia fluorescencji. 4. Kryształy KGW, KYW, KYbW oraz YAG i LaCaBO domieszkowane Er 3+ i Yb 3+ Podwójne wolframiany o wzorze ogólnym MR(WO 4 ) 2, gdzie M oznacza jony: Li, Na, K, Rb, Cs, a R pierwiastki ziem rzadkich lub metali przejściowych, są ostatnio intensywnie badane ze względu na ich doskonałe własności optyczne i szerokie możliwości zastosowań w optoelektronice. Monokrystalizację badanych wolframianów i kryształów LaCaBO przeprowadzono metodą wzrostu z topników w Instytucie Fizyki Technicznej WAT. Kryształy Er,Yb:YAG otrzymano metodą Czochralskiego w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych. Na rysunku 13 przedstawiono fotografię monokryształu KGW:Er 3+,Yb 3+ (5%Yb 3+ ; 1%Er 3+ ). Badania przeprowadzono dla kryształów KGd(WO 4 ) 2 (KGW), KY(WO 4 ) 2 (KYW), KYb(WO 4 ) 2 (KYbW), La 2 CaB 10 O 15 (LaCaBO) i YAG ( Y 3 Al 5 O 12 ) domieszkowanych jonami Yb 3+ i Er 3+ o następujących składach procentowych domieszki: KGW-1: 10%Yb 3+ ; 2%Er 3+, KGW-2: 5%Yb 3+ ; 1%Er 3+, KGW-3: 2%Yb 3+ ; 0,5%Er 3+, KYW-1: 5%Yb 3+ ; 1%Er 3+, KYW-2: 2,5%Yb 3+ ; 0,5%Er 3+, KYbW: 3%Er 3+,

11 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych LaCaBO: 5%Yb 3+ ; 1%Er 3+. YAG-1: 9%Yb 3+ ; 0,9%Er 3+, YAG-2: 5%Yb 3+ ; 0,5%Er 3+. Rys. 13. Monokryształ KGd(WO 4 ) 2 :Er 3+,Yb 3+ (1% at. Er 3+, 5% at.yb 3+ ) Poziomy energetyczne jonów erbu są znacznie bogatsze od poziomów iterbu, który posiada tylko dwa charakterystyczne termy 2 F 5/2 oraz 2 F 7/2. Promieniowanie 1,5 µm jest generowane w jonach erbu w kanale przejścia z poziomu 4 I 13/2 na poziom 4 I 15/2. Zadaniem jonów iterbu jest zwiększenie efektywności pompowania. Ich prosta struktura elektronowa zapobiega stratom laserowym powodowanym absorpcją ze stanów wzbudzonych oraz up-konwersją. Dodatkowo małe defekty kwantowe pozwalają na wysoką sprawność pompowania i niskie obciążenia cieplne. W strukturze krystalicznej pole elektryczne sieci powoduje rozszczepienie poziomów jonów Er 3+ i Yb 3+ na podpoziomy (efekt Starka). Rozszczepienie poziomów jonu Yb 3+ w krysztale YAG oraz jonu Er 3+ w krysztale KGW przedstawiono na rysunkach 14 i 15. Rys. 14. Rozszczepienie starkowskie termów jonu Yb 3+ w krysztale YAG (wg [5])

12 62 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski Rys. 15. Rozszczepienie starkowskie termów jonu Er 3+ w krysztale KGW (wg [6]) Generacja promieniowania 1,5 µm w kryształach Er,Yb:YAG zachodzi w układzie trójpoziomowym, a w kryształach Er,Yb:KGW w układzie czteropoziomowym. Schemat przejść elektronowych dla lasera Er,Yb:YAG przedstawiono na rysunku 16, a dla lasera Er,Yb:KGW na rysunku 17. Rys. 16. Schemat przejść elektronowych lasera Er,Yb:YAG (trójpoziomowy)

13 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych Rys. 17. Schemat przejść elektronowych lasera Er,Yb:KGW (czteropoziomowy) W celu wyznaczenia widma współczynnika absorpcji przeprowadzono pomiary transmisji w zakresie od 200 do 3200 nm za pomocą spektrofotometru Lambda 900. W przypadku kryształów KGW, KYW, KYbW i LaCaBO transmisja była mierzona wzdłuż osi optycznej pokrywającej się z osią krystalograficzną b. Wyznaczone charakterystyki przedstawiono dla KGW na rysunku 18, dla KYW i KYbW na rysunku 19, a dla LaCaBO i YAG na rysunku 20. Względne niepewności pomiarowe nie przekraczały 5% dla długości fali odpowiadającej maksymalnej absorpcji. Rys. 18. Charakterystyki widmowe współczynnika absorpcji kryształów Er,Yb:KGW

14 64 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski Rys. 19. Charakterystyki widmowe współczynnika absorpcji kryształów Er,Yb:KYW i Er,Yb:KYbW Rys. 20. Charakterystyki widmowe współczynnika absorpcji kryształów Er,Yb:LaCaBO i Er,Yb:YAG W widmach absorpcji badanych kryształów wyróżnić można trzy grupy pasm charakterystycznych dla jonów Yb 3+ odpowiadających przejściom 2 F 7/2 2 F 5/2 (rys. 14) [8]. Dla wolframianów (KGW, KYW i KYbW) przejścia te występują dla długości fal odpowiednio 981 nm, 953 nm i 935 nm, dla kryształu YAG dla 970 nm, 942 nm i 916 nm, a dla kryształu LaCaBO dla 975 nm, 950 nm i 924 nm. Różnice długości fal pomiędzy poszczególnymi kryształami dla danego przejścia wynikają z różnego rozszczepienia starkowskiego.

15 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych Widma luminescencji jonów Er 3+ dla kryształów KGW w obszarze 1,5 µm przedstawiono na rysunku 21. Najbardziej intensywne pasmo występuje dla długości fali równej 1535 nm (związane z przejściami kwantowymi 4 I 13/2 4 I 15/2 ). Wzrost intensywności fluorescencji następuje wraz ze wzrostem koncentracji jonów Yb 3+ [9, 10, 11]. Dla kryształów KYW, KYbW oraz LaCaBO krzywe luminescencji mają podobny charakter. Maksimum fluorescencji dla KYW, KYbW występuje dla długości fali 1535 nm, natomiast dla kryształu LaCaBO dla długości fali 1533 nm. Rys. 21. Widmo luminescencji jonów Er 3+ dla kryształów KGW Bardziej bogate widmo fluorescencji posiadają kryształy Er,Yb:YAG (rys. 22). Można w nim wyróżnić szereg pasm w przedziale od 1450 nm do 1670 nm. Najbardziej intensywne są pasma związane z przejściami kwantowymi 4 I 13/2 4 I 15/2 (maksimum 1530 nm) i 4 S 3/2 4 I 9/2 (maksimum 1620 nm). Można tu jeszcze wyróżnić takie pasma, jak 1475 nm, 1515 nm i 1570 nm. We wszystkich badanych próbkach kryształów obserwowano fluorescencję jonów iterbu na długości fali ok nm. Obserwowana fluorescencja obniża sprawność transferu energii do jonów erbu. Największa intensywność fluorescencji występowała dla długości fal promieniowania pompy odpowiadających maksymalnej absorpcji ośrodka. Dla wolframianów i kryształów LaCaBO maksimum to występuje dla długości fal odpowiednio 980 nm i 975 nm, natomiast dla kryształów YAG dla 942 nm. Pomiary czasów życia górnego poziomu laserowego jonów Er 3+ badanych próbek przeprowadzono w układzie przedstawionym na rysunku 3. Otrzymane wyniki przedstawiono w tabeli 3 z oszacowanymi niepewnościami pomiarowymi. Dokonano również pomiaru czasów życia jonów Yb 3+ na poziomie 2 F 5/2 (tab. 4).

16 66 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski Rys. 22. Widmo luminescencji jonów Er 3+ dla kryształów YAG Czas życia poziomu 4 I 13/2 jonów erbu wzrasta wraz ze wzrostem koncentracji jonów Er 3+. Dla występujących w kryształach relatywnie małych koncentracji jonów Er prawdopodobieństwo ponownej emisji spontanicznej fotonu po reabsorpcji promieniowania luminescencji jest wyższe od prawdopodobieństwa oddania energii poprzez emisję fononów i generację ciepła. Obserwowane wydłużenie czasu życia poziomu 4 I 13/2 wynika z reabsorpcji i ponownej fluorescencji jonów erbu [5]. Dla relatywnie dużych koncentracji jonów Er 3+ występujących w szkłach, prawdopodobieństwo oddania energii wzbudzonego w procesie reabsorpcji poziomu w formie ciepła znacznie rośnie. Powoduje to zmniejszanie się czasu życia wraz ze wzrostem koncentracji, nazywane stężeniowym gaszeniem luminescencji. Tabela 3 Czasy życia poziomu 4 I 13/2 jonów erbu w różnych matrycach krystalicznych Lp. Próbka τ [ms] τ [ms] 1 KGW-1 5,5 ±0,1 2 KGW-2 4,8 ±0,1 3 KGW-3 4,0 ±0,1 4 KYW-1 4,9 ±0,1 5 KYW-2 4,1 ±0,1 6 KYbW 5,7 ±0,1 7 LaCaBO 0,56 ±0,02 8 YAG-1 4,3 ±0,1 9 YAG-2 3,5 ±0,1

17 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych Tabela 4 Czasy życia poziomu 2 F 5/2 jonów Yb 3+ w różnych matrycach krystalicznych Lp. Próbka τ [ms] τ [ms] 1 KGW-1 0,41 ±0,02 2 KGW-2 0,46 ±0,02 3 KGW-3 0,49 ±0,02 4 KYW-1 0,34 ±0,02 5 KYW-2 0,37 ±0,02 6 KYbW 0,16 ±0,02 7 LaCaBO 0,59 ±0,02 8 YAG-1 0,53 ±0,02 9 YAG-2 0,64 ±0,02 W przypadku luminescencji jonów iterbu czas życia maleje wraz ze wzrostem koncentracji tych jonów. W badanych próbkach kryształów dla większej koncentracji iterbu występuje również większa koncentracja jonów erbu. Powoduje to większą sprawność przekazywania energii z Yb 3+ do Er 3+ i prowadzi do mniejszego udziału jonów Yb 3+ w luminescencji. W efekcie obserwowane jest zmniejszenie się czasu życia iterbu. Czas życia jonów w stanie wzbudzonym zależy od temperatury ośrodka i maleje wraz z jej wzrostem. Zależność ta nie jest silna i przy zmianie temperatury od 0 do 300 K czas ten zmienia się o ok. 10 µs [6]. Pomiarów przeprowadzonych w pracy dokonano w temperaturze pokojowej i dla tej temperatury wyznaczono prezentowane czasy życia. 5. Wnioski Wyznaczono charakterystyki spektroskopowe nowych szklanych ośrodków laserowych, jakimi są szkła SELG (Strong Erbium Laser Glass) i Concentrated Glass domieszkowane jonami Er 3+ i Yb 3+. Ośrodki te charakteryzują się wysoką sprawnością transferu energii z jonów Yb 3+ do Er 3+. Obserwowany brak luminescencji z poziomu 2 F 5/2 jonów Yb 3+ potwierdza optymalny dobór koncentracji jonów domieszki. Pomiary czasu zaniku fluorescencji z górnego poziomu laserowego ( 4 I 13/2 ) jonów Er 3+ wykazały, że wraz ze wzrostem koncentracji jonów Er 3+ maleje czas życia poziomu 4 I 13/2, co może być spowodowane efektem stężeniowego gaszenia fluorescencji. Wykonano również badania ośrodków krystalicznych kryształów KGW, YAG, KYW, KYbW oraz LaCaBO domieszkowanych jonami Er 3+ i Yb 3+. Kryształy

18 68 J. Młyńczak, K. Kopczyński, J. Mierczyk, A. Majchrowski, M. Włodarski charakteryzują się bogatym widmem absorpcji i luminescencji, a wstępujące różnice długości fal w maksimach widm absorpcji i luminescencji wynikają z rozszczepienia starkowskiego poziomów energetycznych związanego z polem sieci krystalicznej. Z pomiarów czasów życia poziomu 4 I 13/2 jonów erbu wynika, że wraz ze wzrostem koncentracji jonów Er 3+ wzrasta czas życia jonów Er 3+ w wyniku wzrostu prawdopodobieństwa reabsorpcji i ponownej fluorescencji. W przypadku luminescencji jonów Yb 3+ z poziomu 2F5/2, występuje zjawisko odwrotne skracania czasu życia wraz ze wzrostem koncentracji jonów związane z większą sprawnością przekazywania energii z Yb 3+ do Er 3+. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzji otrzymano w lutym 2008 r. LITERATURA [1] B. Denker, B. Galagan, V. Osiko, S. Sverchkov, Materials and components for miniature diode-pumped 1.5 µm erbium glass lasers, Laser Physics, vol. 12, no. 4, 2002, [2] G. Karlsson, F. Laurell, J. Tellefsen, B. Denker, B. Galagan, V. Osiko, S. Sverchkov, Development and characterization of Yb-Er laser glass for high average power laser diode pumping, Applied Physics B: Lasers and Optics, vol. 75, 2002, [3] A. Majchrowski, M. T. Borowiec, E. Michalski, J. Żmija, V. Dyakonov, H. Szymczak, T. Zayarnyuk, M. Barański, Growth and properties of potassium holmium double tungstate Kho(WO 4 ) 2, Cryst. Res. Technol., 36(3), 283, [4] A. Majchrowski, High-temperature solution growth of oxide single crystals, Proc. of SPIE, vol. 3724, 18, [5] H. W. Bruesselbach, D. S. Sumida, R. A. Reeder, R. W. Byren, Low-Heat High-Power Scaling Using InGaAs-Diode-Pumped Yb:YAG Lasers, IEEE J. Quantum Electron., vol. 3, no. 1, 1997, [6] M. C. Pujol, M. Rico, C. Zaldo, R. Sole, V. Nikolov, X. Solans, M. Aguilo, F. Diaz, Crystalline structure and optical spectroscopy of Er 3+ -doped KGd(WO 4 ) 2 single crystals, Appl. Phys. B 68, 1999, [7] A. Lupei, V. Enaki, V. Lupei, C. Presura, A. Petraru, Resonant electron-coupling of Yb 3+ in YAG, Journal of Alloys and Compounds, 1998, [8] Z. Mierczyk, J. Młyńczak, K. Kopczyński, A. Majchrowski, Badanie własności optycznych i spektroskopowych monokryształów wolframianów domieszkowanych jonami Er i Yb nowych ośrodków aktywnych do mikrolaserów bezpiecznych dla oka, Biul. WAT, vol. 54, nr 12, [9] J. Młyńczak, M. Włodarski, Badanie ośrodków aktywnych do systemów laserowych bezpiecznych dla wzroku, IV International Electronic and Telecomunication Conference of Students and Young Scientific Workers SECON 2001, Warsaw, Poland, Nov [10] Z. Mierczyk, K. Kopczyński, M. Kwaśny, A. Majchrowski, J. Młyńczak, M. Włodarski, Badania nowych ośrodków aktywnych do systemów laserowych bezpiecznych dla wzroku, VII Sympozjum Techniki Laserowej, Świnoujście, , [11] Z. Mierczyk, A. Majchrowski, K. Kopczynski, M. Kwaśny, J. Młyńczak, M. Włodarski, Nowe krystaliczne ośrodki aktywne do laserów generujących promieniowanie bezpieczne dla oka, IV Konferencja Optoelektronika, Poznań,

19 Badanie własności optycznych i spektroskopowych ośrodków aktywnych J. MŁYŃCZAK, K. KOPCZYŃSKI, J. MIERCZYK, A. MAJCHROWSKI, M. WŁODARSKI Investigations of optical and spectroscopic properties of new active media doped with Er 3+ and Yb 3+ ions for eye-safe microchip lasers Abstract. Studies of optical and spectroscopic properties of new glasses and crystals doped with Er 3+ and Yb 3+ ions were curried out. Concentrated Yb-Er laser glasses and SELG (Strong Erbium Laser Glass) were developed at the General Physics Institute of Laser Materials and Technology Research Center at Russian Academy of Sciences in Moscow under Professor Denker leadership. KGW, KYW, KYbW and LaCaBO crystals were grown from a flux with the use of Top Seeded Solution Growth (TSSG) technique at the Institute of Applied Physics of the Military University of Technology. YAG crystals were obtained by means of the Czochralski method at the Institute of Electronic Materials Technology in Warsaw. Absorption coefficient spectra of the investigated active media were evaluated with the use of the Lambda-900 spectrometer in the range of nm. Luminescence spectra were measured using FS 900 spectrometr and lifetimes of the Er 3+ and Yb 3+ ions on the levels 4 I 13/2 and 2 F 5/2 were estimated. Keywords: eye-safe radiation, microchip laser, active medium Universal Decimal Classification:

20