FALOWODOWE STRUKTURY LASEROWE Yb, Nd:YAG/YAG

PL ISSN 0209-0058 MATERIAŁY ELEKTRONICZNE T. 30-2002 NR 1/2 FALOWODOWE STRUKTURY LASEROWE Yb, Nd:YAG/YAG Jerzy Sarnecki', Krzysztof Warstwy falowodowe Yb, Nd:YAG/YAG domieszkowane w szerokim przedziale koncentracji jonami Nd'^i Yb'^ otrzymano w procesie epitaksji z fazy ciekłej. W pracy przedstawiono widma emisji warstw przy pobudzaniu diodami laserowymi emitującymi promieniowanie o długości fali 810 nm oraz 975 nm. Niezależnie od długości fali pompującej zaobserwowano emisję linii 1030 nm charakterystycznej dla jonów iterbu oraz fluorescencję w zakresie niebieskim w wyniku oddziaływań kooperatywnych między jonami iterbu. l.wprowadzenie Kopczyński- W ostatnicłi latach obserwuje się rosnące zainteresowanie laserami YbiYAG generującymi promieniowanie o długości fali około 1030 nm odpowiadające pasmu absorpcji jonów prazeodymu dla przejścia 'H^ 'G^. Lasery planarne Yb-.YAG pobudzane diodami półprzewodnikowymi (970 nm) mogą stać się wydajnym źródłem pompowania dla wzmacniaczy włóknowycłi domieszkowanych) jonami Pr''"^ (PDFA - włókno ZBLAN) wzmacniającycłi linię generacji 1330 nm. Prowadzone są intensywne prace związane z zastosowaniem laserów ciała stałego, a w szczególności laserów Yb:YAG, do pobudzania PDFA. Z uwagi na wysoką stabilność pracy i uzyskiwane moce wyjściowe prace te są jednym z kierunków badań zmierzającycłi do poprawienia chaiakterystyk pracy włóknowych wzmacniaczy prazeodymowych. Selektywne pompowanie diodowe lasera Yb:YAG wymaga stosowania stosunkowo drogich diod laserowych InGaAs. Rozwiązaniem alternatywnym może ' Instytut Technologii Materiałów Elektronicznych, 01-919 Warszawa, ul. Wólczyńska 133 e-mail: sarnecki@sp.itme.edu.pl - Instytut Optoelektroniki WAT, 01-908 Warszawa, ul. Kaliskiego 2, e-mail: kkopczyn@wat.waw.pl

Falowodowe struktury laserowe Yb,Nd:YAG/YAG okazać się dodatkowe d o m i e s z k o w a n i e granatu Y b : Y A G j o n a m i neodymu [!]. U t w o r z e n i e struktury f a l o w o d o w e j Yb, N d : Y A G A ' A G umożliwia p o m p o w a n i e standardowymi diodami laserowymi A l G a A s (810 nm). Następuje wtedy wzbud z e n i e j o n ó w Nd"*"^ d o p o z i o m u ''Fj^,, a n a s t ę p n i e p o p r z e z b e z p r o m i e n i s t y transfer energii w z b u d z e n i e j o n ó w Yb^"^ do p o z i o m u ^Fj^^. W efekcie m o ż n a u z y s k a ć g e n e r a c j ę na d ł u g o ś c i fali 1030 n m z w i ą z a n ą z p r z e j ś c i e m j o n ó w iterbu d o p o z i o m u ^F^^^. W procesie epitaksji z fazy ciekłej (LPE) możliwy jest wzrost warstw l a s e r o w y c h RE^^:YAG d o m i e s z k o w a n y c h a k t y w n y m i j o n a m i z g r u p y lantan o w c ó w ( RE^'^ = Nd'"^, Yb^^, Er'"^ czy Tm'"^) o doskonałej perfekcji strukturalnej i wysokiej jakości optycznej [2-7]. Parametry spektroskopowe i generacyjne warstw laserowych RE^^rYAG o t r z y m a n y c h m e t o d ą L P E są p o r ó w n y w a l n e z p a r a m e t r a m i n a j w y ż s z e j jakości m o n o k r y s z t a ł ó w granatów otrzymanych metodą C z o c h r a l s k i e g o. W y t w o r z e n i e c i e n k o w a r s t w o w e g o f a l o w o d u RE^'^iYAG w y m a g a w z r o s t u wartości współczynnika załamania warstwy w stosunku do współczynnika z a ł a m a n i a podłoża Y A G o ~ A n = 1 0 ^ (dla X ~ 1000 nm). E f e k t ten m o ż n a uzyskać poprzez częściowe podstawienie j o n ó w AP^ przez jony Ga'"^ i ogranic z e n i e r ó w n o c z e s n e g o w z r o s t u stałej sieci w a r s t w y RE^'^rYAG j o n a m i Lu^^. Technologię wzrostu epitaksjalnych struktur falowodowych N d : Y A G / Y A G i Y b : Y A G / Y A G oraz pomiary ich własności strukturalnych, spektroskopowych i l a s e r o w y c h p r z e d s t a w i o n o w pracach [8-11]. Możliwości, j a k i e stwarza d o d a t k o w e d o m i e s z k o w a n i e j o n a m i Yb'"^ układu j o n ó w n e o d y m u w m a t r y c y Y A G oraz zalety p l a n a r n y c h laserów f a l o w o d o wych uzasadniają podjęcie w I T M E prac związanych z epitaksją z fazy ciekłej struktur f a l o w o d o w y c h Yb, N d : Y A G A ' A G. O t r z y m a n o warstwy f a l o w o d o w e z różnymi koncentracjami odpowiednio j o n ó w Yb (do 15 at %) i Nd (do 3 at. %) i w y n i k a j ą c y m i z nich stosunkami koncentracji j o n ó w Yb/Nd w zakresie od 0,5 d o 5. T a k bogaty materiał badawczy umożliwił określenie p r o g o w y c h koncentracji j o n ó w Nd'^ i Yb^"^ dla jakich, przy pobudzaniu diodą 810 nm, zaczyna się emisja linii 1030 nm jonu Yb'^, przy j e d n o c z e s n e j emisji linii 1060 nm jonu Nd^"^, o r a z w z a j e m n y c h k o n c e n t r a c j i j o n ó w dla k t ó r y c h w y s t ę p u j e g a s z e n i e luminescencji j o n ó w Nd^"" i wyłączna luminescencja p r o m i e n i o w a n i a 1030 nm w wyniku przejścia ^F^^^ ^ j o n ó w Yb^"^. W strukturach f a l o w o d o w y c h o w y ż s z e j koncentracji j o n ó w Yb^"^, niezależnie od długości fali diody p o m p u j ą cej zaobserwowano również emisję promieniowania niebieskiego w wyniku k o o p e r a t y w n e g o o d d z i a ł y w a n i a j o n ó w iterbu.

J. Sarnecki, K. Kopczyński 2. STRUKTURA FALOWODOWA Yb, Nd:YAG/YAG Wytworzenie aktywnego falowodu epitaksjalnego RE:YAG wymaga wzrostu wartości współczynnika załamania warstwy n^^^ w stosunku do współczynnika załamania podłoża n^ o ~10- {X ~ 1000 nm ). Efekt ten można uzyskać przez częściowe podstawie jonów Al"*"^ w pozycjach oktaedrycznych przez jony Ga^"^. Obecność jonów Ga'^ w warstwie YAG prowadzi do jednoczesnego wzrostu wartości stałej sieci warstwy. Wzrost stałej sieci warstwy należy skompensować obojętnymi jonami Lu^^ o mniejszym promieniu jonowym niż promień podstawianych przez nie w pozycjach dodekaedrycznych jonów Y'^, tak aby niedopasowanie stałych sieci warstwy a^ i podłoża a^ sprowadzić do bezpiecznego przy heteroepitaksji granatów zakresu -0,02 A < Aa = a^ - a^ < + 0,01 A [12], 12.0301 12.025^ C3a^ Nd^ 12.020- Lu^ 12.015- Yb"" CD 12.010-12.005-12.000-11.995-1 ' 1 ' 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 xlubz Rys.l. Stała sieci granatu. Fig. 1. LaUice constant of Ga O,,gamet. Liniową zmianę stałej sieci granatu YAG w funkcji koncentracji jonów Nd'^, Yb'"^, Lu'^ i Ga'^ przedstawia rys. 1. Do obliczeń przyjęto wartości promieni poszczególnych jonów zamieszczone w pracy [13]. Wyniki badań zmian wartości współczynnika załamania An = n - n^^j; dla warstw YAG (A, = 633 nm) w zależności od koncentracji niektórych jonów domieszkowych zestawiono na rys. 2 posługując się wynikami pomiarów przestawionymi w pracy [14]. 7

Falowodowe struktury laserowe Yb,Nd:YAG/YAG Koncentracja [at. %] Rys. 2. Zależność An = n^ - n^^^ od koncentracji i rodzaju domieszki. Fig. 2. Film substrate refractive index difference versus dopant concentration. 3. EPITAKSJA WARSTW FALOWODOWYCH Yb,Nd:YAG Z FAZY CIEKŁEJ Wzrost warstw granatów w procesie epitaksji z fazy ciekłej zachodzi z przechłodzonego roztworu w y s o k o t e m p e r a t u r o w e g o. Fazę granatu np. Y^AIgOj^ t w o r z ą tlenki Al^Oj i Y^Oj r o z p u s z c z o n e w t o p n i k u P b O - B^Oj. P r o c e s epitaksji o d b y w a się warunkach izotermicznych metodą zanurzeniową z poziom o m o c o w a n y m p o d ł o ż e m o b r a c a j ą c y m się r u c h e m r e w e r s y j n y m. Procesy epitaksji warstw granatów przeprowadzono w stanowisku LPE z a p r o j e k t o w a n y m, s k o n s t r u o w a n y m i u r u c h o m i o n y m w trakcie prac z w i ą z a nych z p r o j e k t e m z a m a w i a n y m K B N P B Z - 0 2 3-1 0, k t ó r e g o f r a g m e n t e m było Opracowanie technologii i charakteryzacja cienkowarstwowych struktur Nd.YAG/ YAG. P r z e b i e g p r o c e s u e p i t a k s j i z f a z y c i e k ł e j w a r s t w g r a n a t ó w, z a ł o ż e n i a konstrukcyjne laboratoryjnego stanowiska do epitaksji wraz z opisem jego działania zostały przedstawione we w c z e ś n i e j s z y c h publikacjach [15-16]. Dla określenia stosunków stężeń m o l o w y c h poszczególnych tlenków w składzie w y j ś c i o w y m oraz zależności t e m p e r a t u r o w o - f a z o w y c h w z ł o ż o n y m układzie topnik faza granatu przyjęto współczynniki molowe R. zaproponowane p r z e z B l a n k a i N i e l s e n a w p r a c y [12]. W s p ó ł c z y n n i k i te w p r z y p a d k u epitaksji warstw Yj^^jNd^Lu^YbjAlj^Ga^Oij m a j ą postać: 8

J. Sarnecki, K. Kopczyński.AliOi. [ n o, + Nd^O^ + Lu^ O, + ] PbO Y^O^ ' + Nd^O^ + + [y^o^ + Nd^O^ + Yh^O, + Lu^O, + + AUO^ Ga^^ + Ga^O^ + PbO+Bfi^ ] R^ o k r e ś l a rozpuszczalność t l e n k ó w t w o r z ą c y c h fazę granatu tj. Y^O^.Yb^O^, N d p,, LUjO,, A i P j i Ga^O, w topniku P b O + B, 0,. Przy epitaksji warstw granatów opisanych wzorem Y, ^ ^ Nd^Yb^Lu Al^ ^Ga^Oi^ z z a s t o s o w a n i e m t o p n i k a P b O - B, 0, należy u w z g l ę d n i a ć r ó ż n e p r o p o r c j e poszczególnych j o n ó w w warstwie i wyjściowym składzie. Różnica ta spowod o w a n a jest r ó ż n y m i od jedności wartościami współczynnika podziału (segregacji) p o s z c z e g ó l n y c h j o n ó w ziem rzadkich i galu. Problem ten o m ó w i o n y został w pracy [16], w której przedstawiono oszacowane z pomiarów dyfraktometrycznych struktur epitaksjalnych Y A G w s p ó ł c z y n n i k i p o d z i a ł u dla domieszkowych j o n ó w Nd, Lu, Yb i Ga. W a r t o ś c i w s p ó ł c z y n n i k ó w podziału posłużyły do wyliczenia składów w y j ś c i o w y c h przy wzroście warstw ( Y N d Y b L u ), ( A l G a ) P,, które w zamierzeniu są warstwami f a l o w o d o w y m i o określonej koncentracji j o n ó w aktywnych iterbu i n e o d y m u. Z e s t a w i e n i e w s p ó ł c z y n n i k ó w m o l o w y c h określających składy w y j ś c i o w e i w y z n a c z o n e z p o m i a r ó w d y f r a k t o m e t r y c z n y c h k o n c e n t r a c j e j o n ó w Nd i Y b zawiera tab. 1. Dla ustalonych parametrów procesu epitaksji otrzymano warstwy falowodowe ze stałą koncentracją j o n ó w Lu'^ ( - 3 0 at.%. t = 0,9 ) i Ga'"^ ( - 1 4 at.%, z = 0,7), a zmienną Nd^^ i Yb'^ odpowiednio w zakresie: 1 at.% - 3 at.% (Nd'^) i 0,5 at.% -15 at.% (Yb^^). Dla takiego poziomu domieszkowania warstw Y A G j o n a m i Ga^"^ r ó ż n i c a w s p ó ł c z y n n i k ó w z a ł a m a n i a warstwy i p o d ł o ż a w y n o s i ~ 0.015 [9]. W celu ograniczenia domieszkowania warstw YAG j o n a m i Pb*^ z topnika stosowano temperatury wzrostu warstw p o w y ż e j 950". Jony Pb^"^ wchodząc w położenia d o d e k a e d r y c z n e p o w o d u j ą, oprócz zwiększenia stałej sieci warstwy, istotny wzrost niepożądanej absorpcji. W przypadku epitaksji warstw Y^AjO,,, korzystniej niż dla Y,Fe^O nie obserwowano domieszkowania warstw jonami Pb-* dla temperatur wzrostu p o w y ż e j 950 "C [17].

Falowodowe struktury laserowe Yb,Nd:YAG/YAG T a b e l a 1. W s p ó ł c z y n n i k i m o l o w e R. przy epitaksji w a r s t w g r a n a t ó w Yj^Nd^Al^O^ (skład 1), Y,3 - X - I N d XLu IAl 5 - z G a z 0 12 (skład 2)' i Y 3 '- x - y - i N d x Y b y Lu IA L5 - z G a z 0 12 (skład 3-9)'.' ^ ^ Table 1. M o l e c o e f f i c i e n t s R. for e p i t a x y o f g a m e t layers Yj^Nd^Al^Oj, Y j ^ ^Nd^Lu A l j No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ri 5.0 4.41 4.12 4.00 4.04 3.99 3.61 3.59 3.37 ( c o m p o s i t i o n 2 ) and R2 - R3 12.0 12.0 12.0 12.0 12.0 12.0 12,0 12,0 12,0 ( c o m p o s i t i o n 1), Y^^^ Nd^Yb^Lu A l, ^ G a p,, ( c o m p o s i t i o n 3-9 ). R4 0.0275 0.0324 0.0324 0.0324 0.0325 0.0326 0.0325 0.0326 0.0335 R5-3.41 3.35 3.28 2.65 2.93 2.07 1.96 1.70 X y 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.03 0.09 0.09 0.09 0.015 0.03 0.09 0.15 0.09 0.15 0.45 - Procesy epitaksji p r z e p r o w a d z o n o dla przecłiłodzeń nie p r z e k r a c z a j ą c y c h 20 C. Na podłożach Y A G o średnicy 20 m m i orientacji < 1 1 1 > o t r z y m a n o warstwy o grubościach w zakresie od 1 pm do 40 pm. 4. BADANIA STRUKTUR FALOWODOWYCH Epitaksjalne struktury f a l o w o d o w e Y b, N d : Y A G A ' A G zostały scharakteryzowane z wykorzystaniem wysokorozdzielczej dyfraktometrii rentgenowskiej ( X R D ) oraz badań s p e k t r o s k o p o w y c h i g e n e r a c y j n y c h. 4.1. Pomiary XRD Metoda wysokorozdzielczej dyfraktometrii rentgenowskiej posłużyła d o oceny jakości strukturalnej warstw oraz wyznaczenia względnego niedopasowania stałych sieci warstwy a^ i podłoża a^. Względne niedopasowanie zdefiniowane j a k o : Aa/a^ = (a^ - a^ya^ u m o ż l i w i a wyliczenie różnicy stałych sieci Aa dla w a r s t w z r ó ż n y m i k o n c e n t r a c j a m i j o n ó w Nd^^^.Yb^"^. N i e d o p a s o w a n i e stałych sieci podłoża Y A G i warstwy i n f o r m u j e o wpływie d o m i e s z k o w a n i a na stałą sieci warstwy. Przy domieszkowaniu warstw Y A G j o n a m i Nd^^ wartość stałej sieci rośnie. W warstwach Y^^Nd^Al^Oj^ (skład 1) dla koncentracji j o n ó w Nd^"^ ok. 1 at. % wartości stałej sieci podłoża i warstwy są zbliżone (Aa» 0) ponieważ stała sieci podłoża Y A G jest większa niż warstwy epitaksjalnej Y A G [2,16]. Wprowadzenie w miejsce j o n ó w Y'"^ j o n ó w Lu^"^ i Yb^^ obniża wartość stałej sieci granatu (rys. 1). 10

J. Sarnecki, K. Kopczyński Rys. 3. Dyfraktogram struktury Gap,,A'AG ( skład 2 ). Fig. 3. XRD pattern of Y^^^^Nd^^jLL Al, Gap,,/YAG structure ( melt 2 ). Składem wyjściowym do epitaksji warstw Y,^^ Nd^Yb Lu Al^^Ga^u był skład nr 2, z którego otrzymano struktury falowodowe Y^y^^NdimjLu^AljpaPi^/YAG o wartości stałych sieci podłoża i warstwy na tyle zbliżonych, że zarejestrowany został jeden pik dyfrakcyjny przedstawiony na rys. 3 [16], Częściowe podstawienie w miejsce jonów Y-" jonów Yb^"^ powoduje zmniejszenie stałej sieci. Dyfraktogramy struktur falowodowych otrzymanych ze składów wyjściowych nr 6 i 9 ilustrują rys. 4. i rys. 5. Pik odpowiadający mniejszej wartości 26 pochodzi od podłoża i pokazuje, że stała sieci podłoża YAG jest większa od stałej sieci warstwy. Odległość kątowa pików dyfrakcyjnych A6 6 wynosi ok. -27" (Aa/a^. = 2,64x10-') co odpowiada Aa = 3,1 xl()' A. Trzykrotne zwiększenie koncentracji tlenków Nd^O^ i Yb,0, w składzie wyjściowym nieznacznie przesunęło względem siebie piki pochodzące od podłoża i warstwy dając w efekcie = - 41" (Aa/a^, = 4,03x10"*) a niedopasowanie Aa = 4,8x10'^ A - rys. 5. Niedopasowanie stałych sieci warstwy falowodowej i podłoża YAG mieściło się w zakresie -0.02 A < Aa = a^ - a^ < -f-0,01 A, dla którego nie zaobserwowano przy epitaksji granatów wzrostu fasetowego. 11

Falowodowe struktury laserowe Yb,Nd:YAG/YAG 2.5b<10'- 2.0(10'- ISklO - s l.ttrto*- 5.0(10'- 0.0-52.6 52.7 52.8 52.9 53.0 53.1 20 [de^ 53.2 Rys. 4. Dyfraktogram struktury falowodowej Y^ ^ Yb Al^ ^Ga^Oi/YAC - koncentracja jonów Nd'" ~1 at % (X = 0,03) i Yb'" ~ 5 at.% (t = 0,15) Fig. 4. XRD pattern of Y^ ^,Nd_^Lu Yb Al^ pap /VAG waveguide structure - concentration of Nd'" ions ~ 1 at % (x = 0,03) and Yb'" ~ 5 at.% (t = 0,15) 3.Sx10'- 3.0x10' 2.5x10' I I 2.0x10' 1.5x10' M 1.0x10' % 5.0x10' 0.0 52.6 52.7 52.8 52.9 2 53.0 53.1 53.2 Rys. 5. Dyfraktogram struktury falowodowej Yj^.,Nd^Lu Yb Alj^Ga^Oj/YAG - koncentracja jonów Nd'" ~3 at % (x = 0,09) i Yb'" ~ 15 at.% (t» 0,45) Fig. 5. XRD pattem of Y, _.,Nd_^Lu Yb Alj^GaPi/VAG waveguide structure - concentration of Nd'" ions ~ 3 at % (x = 0,09) and Yb'" -15 at.% (t» 0,45) 12

J. Sarnecki, K. Kopczyński 4.2. Pomiary spektroskopowe i generacyjne Laser Yb:YAG o długości fali generacji 1030 nin (przejście 'F 7/2 jonów Yb''") może być wydajnym źródłem pompowania wzmacniaczy włóknowycłi domieszkowanych jonami Pr''^ (PDFA - włókno ZBLAN). Długość fali 1030 nm jest zbliżona do szerokiej linii silnej absorpcji jonu Pr^"" ~ 1017 nm. W strukturze falowodowej Y,^ ^ ^Nd^Lu^Yb^Al^ ^Ga^Oj^/YAG pobudzanie ośrodka standardowymi diodami AlGaAs 810 nm prowadzi do wzbudzenia poziomu ''Fj^^ jonów Nd''^. Z poziomu tego zachodzić może typowa dla jonów Nd'^ w YAG luminescencja w zakresie X = 1064 nm CF ^ "I ) lub bezpromienisty transfer energii do jonu Yb'^ i wzbudzenie poziomu ^F^^^- W efekcie obserwuje się jednoczesną luminescencję promieniowania 1030 nm odpowiadającego przejściu -F^^j > -F^^, w jonach Yb'^. Widma luminescencji struktur Nd,Yb:YAG pobudzanych diodą laserową 810 nm w temperaturze pokojowej przedstawiono na rys. 6-7. 1.2e5 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 Długość fali [nm] Rys. 6. Widma luminescencji warstw Nd,Yb:YAG dla różnych koncentracji jonów Nd'^ i Yb'^ mierzone w temperaturze pokojowej. Fig. 6. Luminescence spectra of the Nd,Yb:YAG at room temperature versus Nd'^ and Yb'"^ ions concentration. 13

Falowodowe struktury laserowe Yb,Nd:YAG/YAG 3eS EXCSlOnm 3at%Nd, 3at%Yb 3at%Nd, 5at%Yb 2.4e5 I ^ 1.8e5 c 1 2e5 60000 1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 Długość feli [rm] Rys. 7. Widma luminescencji warstw Nd,Yb;YAG dla wyższych koncentracji jonów Nd'"^ i Yb^"^ mierzone w temperaturze pokojowej. Fig. 7. Luminescence spectra of the Nd,Yb:YAG at room temperature for higher and Yb'"^ ions concentration. Grubości warstw epitaksjalnych w badanych strukturach falowodowych mieszą się w zakresie 20-25 pm. W y j ą t e k stanowi warstwa o grubości 40 pm z koncentracją j o n ó w Yb^"^ i Nd'"' ok. 3 at.%. Pomiarów widm wzbudzenia dokonano korzystając z zestawu fluorymetrycznego J O B I N - Y V O N z m o n o c h r o m a t o r a m i H 2 0 - H 1 0. Rozdzielczość aparatury p o m i a r o w e j wynosiła 0.5 nm. Próbki wzbudzano diodą laserową SDL 2432. Dla struktur f a l o w o d o w y c h Y j ^ ^ ^ N d ^ L u ^ Y b ^ A l j ^ G a P j / Y A G o stałej koncentracji j o n ó w Nd^^ ~ 1 at.% wraz ze wzrostem koncentracji j o n ó w Yb'"^ od - 0, 5 at.% do ~3 at.% wzrasta natężęnie linii 1030 nm i maleje natężenie linni 1064 nm. Dla wyższych koncentracji j o n ó w Yb (3at.% i 5 % at.%) i Nd (3 at.%) efekt ten jest silniejszy. Przy pobudzaniu diodą 975 nm InGaAs, dla wszystkich koncentracji j o n ó w itru i n e o d y m u o b s e r w o w a n o wyłącznie luminescencję p r o m i e n i o w a n i a o długości fali 1030 nm z poziomu ^F^^ j o n ó w Yb^"^ - rys. 8. Dla pięciokrotnie w i ę k s z e j koncentracji j o n ó w iterbu w stosunku do koncentracji j o n ó w n e o d y m u w w a r s t w a c h f a l o w o d o w y c h Y b, N d, L u, G a : Y A G obs e r w o w a n o przy p o m p o w a n i u d i o d ą A l G a A s 8 1 0 n m j e d y n i e l u m i n e s c e n c j ę promieniowania o długości fali 1030 nm. W i d m o luminescencji struktury falow o d o w e j o koncentracji j o n ó w Yb^"" ( - 1 5 at.%) i Nd^"^ ( - 3 at.%) przedstawiono 14

J. Sarnecki, K. Kopczyński na rys. 9. Na wykresie widoczne jest również widmo promieniowania pompującej AlGaAs 810 nm. diody 24000 EXC 975 nm 1 at% Nd,0.5 at% Yb I at% Nd, 1 at% Yb 1 at% Nd, 3 at% Yb 3at%Nd, 5at%Yb 100C 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 Długość fali [nm] Rys. 8. Widma luminescencji w temperaturze pokojowej przy pobudzaniu diodą laserową 975 nm. Fig. 8. Luminescence spectra at room temperature by excitation of 975 nm laser diode. 920 960 1000 1080 Dtugość fali [nm] Rys. 9. Widmo luminescencji struktury Y,^^ Nd^Lu^ Yb AL Gap,,A'AG (x = 0,09, t = 0,45). Fig. 9. Emission spectra of Y,^^ Nd^Lu Jb AL Ga 0,,/YAG structure (x = 0,09, t = 0,45). 15

Falowodowe struktury laserowe Yb,Nd:YAG/YAG P o t w i e r d z o n a została m o ż l i w o ś ć e f e k t y w n e g o, b e z p r o m i e n i s t e g o t r a n s f e r u energii między j o n a m i n e o d y m u (Nd) i iterbu (Yb) w f a l o w o d o w e j warstwie Y j ^ ^ Nd^LUyYb Al^ ^Ga^Oi^- W rezultacie uzyskać m o ż n a generację promieniowania o długości fali 1030 nm na przejściu j o n ó w iterbu (^F^^^ ^F^^^) przy p o b u d z a n i u j o n ó w Nd^"^ p o m p ą 810 nm. D o pomiarów g e n e r a c y j n y c h p r z y g o t o w a n o struktury w postaci prostokąt ó w o w y m i a r a c h 5 x 1 5 m m z w y p o l e r o w a n y m i i p ł a s k o - r ó w n o l e g ł y m i pow i e r z c h n i a m i c z o ł o w y m i. F a l o w ó d p o m p o w a n o p o d ł u ż n i e w i ą z k ą lasera półprzewodnikowego AlGaAs pracującego na długości fali 810 nm. Do p o m p o w a nia wykorzystano diodę laserową typu S D L 2432 firmy Spectra Diodę Labs z wyjściem światłowodowym i chłodziarką T E C oraz zasilacz SDL 822. Do pomiaru mocy zastosowano miernik R M 6600 z sondami p o m i a r o w y m i R K P 575 i układem odpowiednich filtrów. Badania generacyjne prowadzono w układzie rezonatora Fabry-Perota z płasko-równoległymi zwierciadłami zewnętrznymi. Z uwagi na brak pokryć cienkowarstwowych na powierzchniach czołowych badanych struktur oraz braku możliwości optymalizacji układu optycznego formowania wiązki p o m p u j ą c e j uzyskano niskie sprawności i wysokie progi generacji. Charakterystykę m o c y w y j ś c i o w e j lasera f a l o w o d o w e g o Y b, N d : Y A G w f u n k c j i mocy p r o m i e n i o w a n i a p o m p u j ą c e g o p a d a j ą c e g o na strukturę przedstawiono na rys. 10. 600 800 1000 1200 1400 Moc pompy [mw] Rys. 10. Moc wyjściowa lasera falowodowego Yb,Nd:YAG pompowanego diodą laserową 810 nm w funkcji mocy pompy padającej na strukturę. Fig. 10. Output power versus incident pump power for the Yb,Nd:YAG waveguide laser pumed 810 nm laser diode. 16

J. Sarnecki, K. Kopczyński W trakcie badań generacyjnych niezależnie od długości fali diody p o m p u j ą c e j o b s e r w o w a n o luminescencję promieniowania w niebieskim zakresie widma. Niebieska luminescencja związana jest z oddziaływaniami kooperatywnymi m i ę d z y j o n a m i Yb'"^ w w a r s t w i e f a l o w o d o w e j. P o d o b n ą l u m i n e s c e n c j ę promieniowania o długości fali ok. 4 8 4 nm w warstwach f a l o w o d o w y c h Y b : Y A G p o b u d z a n y c h przestrajalnym laserem Ti^"^: szafir ( 940 n m ) o b s e r w o w a n o w pracy [11]. 5. PODSUMOWANIE W procesie epitaksji z fazy ciekłej otrzymano warstwy f a l o w o d o w e Y A G domieszkowane jonami neodymu i iterbu. Różnica współczynników załamania warstwy Yb,Nd:YAG i podłoża Y A G wynosiła An > 0.01. Efekt zwiększenia wartości w s p ó ł c z y n n i k a z a ł a m a n i a w a r s t w y uzyskany został przez c z ę ś c i o w e p o d s t a w i e n i e j o n ó w Al^'' j o n a m i Ga^^ z j e d n o c z e s n y m skompensowaniem wzrostu stałej sieci przez domieszkowanie jonami Lu'^. W e d ł u g w i e d z y a u t o r ó w b a d a n e struktury są p i e r w s z y m i f a l o w o d o w y m i strukturami epitaksjalnymi Y^^^^Nd^Yb^Lu Al, p a ^ i ^ A ^ A G z tak szerokim przedziałem koncentracji j o n ó w Yb'"^ i N d ^. Metodą wysokorozdzielczej dyfraktometrii rentgenowskiej zmierzono względne n i e d o p a s o w a n i e stałych sieci m o n o k r y s t a l i c z n e g o p o d ł o ż a Y A G i warstw e p i t a k s j a l n y c h. Badania d y f r a k t o m e t r y c z n e wykazały d o b r ą p e r f e k c j ę strukturalną o t r z y m a n y c h warstw epitaksjalnych. We wszystkich strukturach falowodowych Y,^^ ^Nd^Yb^Lu Al^^Gap^^ / Y A G o b s e r w o w a n o emisję z poziomu j o n ó w Yb'"^. Przy pobudzaniu struktur Y b, N d : Y A G d i o d ą l a s e r o w ą A l G a A s o d ł u g o ś c i fali 8 1 0 nm w z b u d z e n i e j o n ó w Yb^'' następuje poprzez bezpromienisty transfer energii ze w z b u d z o n e g o pompą poziomu "F^^^ j o n ó w Nd'"^ do poziomu j o n ó w Yb. W y s t ę p u j e graniczny stosunek koncentracji j o n ó w Y b do koncentracji j o nów Nd, dla którego, przy p o b u d z a n i u struktury p r o m i e n i o w a n i e m 8 1 0 n m, obserwuje się całkowite gaszenie luminescencji j o n ó w Nd. W badanych strukturach występowanie luminescencji tylko jonów Yb na linii 1030 nm obserwowano dla stosunku koncentracji Yb/Nd = 5 dla obydwu długości promieniowania p o m p u j ą c e g o. W b a d a n i a c h u z y s k a n o a k c j ę l a s e r o w ą dla d ł u g o ś c i fali 1030 n m przy p o m p o w a n i u d i o d ą 8 1 0 nm A l G a A s. N i s k a s p r a w n o ś ć g e n e r a c j i l a s e r o w e j związana była z brakiem pokryć c i e n k o w a r s t w o w y c h na ośrodku c z y n n y m i braku możliwości optymalizacji układu p o m p u j ą c e g o. Otrzymane w pracy wyniki dają podstawę do prowadzenia dalszych badań struktur f a l o w o d o w y c h Yb, N d : Y A G. P l a n o w a n e prace p o ś w i ę c o n e z o s t a n ą 17

Falowodowe struktury laserowe Yb,Nd:YAG/YAG p o m i a r o m c z a s ó w ż y c i a p o z i o m ó w w z b u d z o n y c h j o n ó w a k t y w n y c h, intensywnści p o s z c z e g ó l n y c h przejść promienistych i e f e k t y w n o ś c i bezpromienistego przekazu energii między j o n a m i neodymu i iterbu. O s o b n y m zagadnieniem w y m a g a j ą c y m dalszej analizy m o g ą być o b s e r w o w a n e oddziaływania kooperatywne j o n ó w Yb^"^ przy obecności w sieci krystalicznej j o n ó w Nd'"^. PODZIĘKOWANIA Autorzy pragną podziękować Pani mgr K. Mazur i Panu wykonanie pomiarów dyfraktometrycznych i cenne dyskusje. dr J. Sassowi za BIBLIOGRAFIA [1] Sugimoto N., Chishi Y., Katoh Y., Shimokozo M. and Sudo S.: A ytterbium-and neodymium-co-doped yttrium aluminium gamet-buried channel wavequide laser pumped at 0.81 Mm, Appl.PhyS.Lett. 67 (1995) 582-584 [2] Ferrand B, Pelenc D., Charter 1. and Wyon Ch.: Growth of LPE Nd:YAG single crystal layers for waveguide laser applications, J.Cryst. Growth, 128 (1993) 966-969 [3] Hanna D.C.,.Large A.C., Shepherd D.P., Tropper A.C., Charter 1., Ferrand B. and Pelenc D.: A side-pumped Nd:YAG epitaxial waveguide laser. Optics Comm. 91 (1992) 229-235 [4] Pelenc D., Chambaz B., Charter 1., Ferrand B., Wyon Ch., Shepherd D.P., Hanna D.C., Large A.C., Tropper A.C.: High slope efficiency and low threshold in a diode pumped epitaxially grown Yb:YAG waveguide laser. Optics Comm. 115 (1993) 211-215 [5] Ferrand B., Remeix A.: YAG:Tm laser waveguides grown by liquid phase epitaxy, Ecole de Physique des Houches, 1 3-2 3 Juin 1994, vol II, 859-864 [6] Tropper A.C.: Crystalline waveguide lasers, CLEO Europe, Amsterdam NL, 1994, Postdeadline Papers, CMF2, 99-101 [7] Large A.C., Hanna D.C., Shepherd D.P., Tropper A.C., Warburton T.J., Borrel C., Ferrand B.,Remeix A., Thony P., Auzel F., Meichenin D.: Low threshold 1.64 mm operation of a Yb,ER:YAG waveguide laser, CLEO Europe, Amsterdam NL, 1994, CMF4, 19 [8] Jabłoński R., Sarnecki J., Mazur K., Sass J., Skwarcz J.: ESR and X-ray diffraction measurements of Nd subsdtuted yttrium aluminum garnet films, J. Alloys and Compounds, 300-301 (2000) 316-321 [9] Samecki J., Malinowski M., Skwarcz J., Jabłoński R., Mazur K., Litwin D. Sass J.: Liquid phase epitaxial growth and characterization of Nd: YAGA'AG structures for thin film lasers. Proc. SPIE 4237 (2000) 5-10 [10] Malinowski M., Samecki J., Piramidowicz R., Szczepański P. and Woliński W.: Epitaxial RE'":YAG planar waveguide lasers, Opto-Electmnics Rev., 9 (2001) 67-74 [11] Malinowski M., Kaczkan M., Piramidowicz R., Frukacz Z., Samecki J.: Cooperadve emission in Yb3":YAG planar waveguide, J. Luminesc. 94-95 (2001) 29-33 18

J. Sarnecki, K. Kopczyński [12] Blank S.L., Nielsen J.W.: The growth of magnetic gamet by liquid phase epitaxy, J.Cryst. Growth 17 (1972) 302-311 113) Shannon R.D., Prewitt C.T.: Effective ionic radii in oxides and fluorides, Acta Cryst. B25 (1969) 925-946 [14] Pelenc D.: These de Doctorat, Universite de Grenoble, 1992 [15] Sarnecki J., Skwarcz J.: Epitaksja warstw Er:YAG z fazy ciekłej. Materiały Elektroniczne 25 (1997) 4-17 [16] Sarnecki J.: Wzrost z fazy ciekłej i charakteryzacja laserowych struktur falowodowych Nd:YAGA'AG, Materiały Elektroniczne 28 (2000) 5-24 [17] Gualtieri D.M.: Liquid phase epitaxial growth of Y,(Al.,Sc)jO, on ( 111 )-oriented YjAl^O^^ substrates, i.oyii. Graw//!, 84 (1987) 399-402 THE Yb, Nd:YAG/YAG STRUCTURES FOR WAVEGUIDE LASERS The thin waveguide films of Nd'" and Yb'" co-doped YAG were grown by means of liquid phase epitaxy. The fluorescence spectra of thin films pumped by the laser diodes at 810 nm and 975 nm are presented. Itterbium emission at 1030 nm and strong blue radiation due to cooperative emission of Yb'" ions was observed independently on the excitation wavelength. 19