МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ИНСТИТУТ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

УДК 535.53:

КУДРЯВЦЕВ

Дмитрий Петрович

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КРИСТАЛЛОВ БОРАТОВ СТРОНЦИЯ SrВ4O7, Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+)

01.04.05 - оптика, лазерная физика

Автореферат

диссертации на получение научной степени кандидата физико-математических наук

Львов - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Запорізькій державній інженерній академії Міністерства освіти і науки України, м. Запоріжжя.

Науковий керівник: доктор фізико - математичних наук, професор

Оселедчик Юрій Семенович,

зав. кафедрою фізики

Запорізька державна інженерна академія,

Офіційні опоненти:

доктор фізико - математичних наук, ст. науковий співробітник

Бурак Ярослав Володимирович,

зав. лабораторією

Інститут фізичної оптики

доктор фізико - математичних наук, проф.

Матковський Андрій Орестович,

зав. кафедрою напівпровідникової електроніки

Національний університет "Львівська політехніка",

Провідна установа: Інститут фізики НАН України (м. Київ), відділ нелінійної оптики.

Захист відбудеться 13.01. 2004 р. о _15-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35. 071. 01 в Інституті фізичної оптики за адресою: 79005, м. Львів, вул. Драгоманова, 23.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту фізичної оптики (79005, м. Львів, вул. Драгоманова, 23.)

Автореферат розісланий 08.12. 2003 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фіз. - мат. наук, доцент ____________ Климів І.М.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Пошук нових матеріалів для нелінійної і лазерної оптики визначається двома напрямками. З одного боку, активно вивчаються нові генераційні канали. З іншого - продовжується пошук нових матриць. У першу групу входять: пошук нових генераційних каналів відомих активаторів, дослідження та широке застосування маловивчених раніше активаторів, таких як RE2+, Cr4+, Ti4+, Er3+, Yb3+, дослідження сенсибілізованих систем. Друга група представлена дослідженнями розупорядкованих середовищ (LICAF, гадоліній - галієві гранати, ітрій - скандій - гадолінієві гранати і т.ін.), низькопорогових упорядкованих середовищ, матриць з високим вмістом активатора, у тому числі самоактивованих і т.п.. Інтерес до таких досліджень зумовлений тим, що зниження порогу генерації і збільшення потужності лазера на основі рідкісноземельних елементів можна досягти за рахунок вибору оптимальної матриці. Окремим напрямком пошуку нових матриць є задача одержання активно-нелінійних матриць, що об'єднують у собі властивості лазерних випромінювачів і нелінійно-оптичних перетворювачів частоти. Вивчення таких матриць продиктовано задачами розширення спектрального діапазону лазерного випромінювання. В даному напрямку активно досліджуються активовані ніобати (LiNbO3), а також боратні діелектричні матриці (оксоборати ітрію Ca4YO(BO3)3 та гадолінію Ca4Gd(BO3)3, рідкісноземельні алюмоборати YAl3(BO3)4, GdAl3(BO3)4, скандоборати LaSc3(BO3)4).

Пошук нових боратних активованих нелінійних кристалів пов'язаний зі значними труднощями. Відсутня загальна теорія і методологія пошуку таких сполук. Більшість боратних кристалізаційних систем мало вивчені. Проте, сучасна інформація дозволяє сподіватися на одержання раніше невідомих кристалів з цікавими властивостями - активно-нелінійних, самоактивованих. Тому дослідження фазової діаграми кристалізаційної системи, умов кристалізації, числа можливих хімічних сполук у системі, хімічних сполук, що можуть кристалізуватися у вигляді монокристалів, є актуальною задачею. У цю ж групу входить вивчення властивостей отриманих монокристалів, вивчення можливості легування відомими активаторами і прогнозування генераційних властивостей таких монокристалів.

Вищевикладені міркування визначили напрямок досліджень і актуальність обраної теми дисертації, в основу якої лягли роботи в контексті загального напрямку пошуку нових нелінійно-оптичних і активно-нелінійних кристалів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертаційна робота виконувалася в межах науково-дослідних робіт за тематичним планом Міністерства освіти і науки України, напрямок 5 - "Нові речовини та матеріали", за темами: "Дослідження явища самопомноження частоти нелінійно - оптичними кристалами родини боратів" (номер держреєстрації № 0198U007690, 1.01.1998 - 31.12.2000), та "Дослідження генераційних властивостей активаторних іонів празеодиму Pr3+ у нелінійних боратних кристалах." (номер держреєстрації № 0101U007512, 1.01.2001 - 31.12.2003)

Метою дисертаційної роботи є: дослідження умов вирощування оптичних монокристалів SrB4O7, Sr4B14O25, Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+). Вивчення структурних особливостей, спектрально-люмінесцентних та нелінійно-оптичних властивостей цих кристалів. Для чого необхідно було виконати такі завдання:

1.

2.

SrB4O7 (SBO)

Sr4B14O25

Sr4B14O25:RE3+, (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+)

високої оптичної якості.

3.

4.

5.

6.

Об’єкт дослідженя - структурні, оптико-фізичні, нелінійно-оптичні та спектрально-люмінесцентні властивості кристалів SrB4O7, Sr4B14O25 та легованих монокристалів Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+)

Предмет дослідження - монокристали SrB4O7, Sr4B14O25 і Sr4B14O25:Pr3+, Sr4B14O25:Nd3+, Sr4B14O25:Eu3+.

Для виконання поставленної мети використовувалися наступні методи дослідження:

- метод вирощування монокристалів з поверхні розчину - розплаву (TSSG - метод);

- метод диференційно - термічного аналізу;

- рентгеноструктурний аналіз;

- спектрометричні та люмінесцентні дослідження;

- нелінійно - оптичні дослідження ;

- теоретична модель Джада - Офельта.

Наукова новизна одержаних результатів:

- досліджено умови вирощування та вирощені нові монокристали Sr4B14O25 та леговані монокристали Sr4B14O25:RE3+ + (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+) та вивчена іх кристалічна структура;

-

-

·

·

·

·

·

·

Практичне значення отриманих результатів. Вирощено монокристал SrB4O7 високої оптичної якості. Зафіксовано генерацію II та III гармонік випромінювання YAG:Nd3+ лазера на монокристалічних зразках SrB4O7. Знайдена лінія поглинання SrB4O7 на довжені хвилі = 212 нм.

Вперше вирощені монокристали Sr4B14O25 і Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+). Вивчено оптичні властивості нових монокристалів Sr4B14O25 і Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+). Показано можливість застосування Sr4B14O25:Pr3+ монокристалічних елементів для одержання генерації у видимій області спектра.

Особистий внесок здобувача. автор у співробітництві з с.н.с Просвірніним А.Л. розробив ростову установку для вирощування кристалів SrB4O7, Sr4B14O25 та Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+). Здобувач особисто модернізував установку ДТА - аналізу. Використовуючи TSSG - методику, виростив монокристали Sr4B14O25 і Sr4B14O25:Pr3+ Sr4B14O25:Nd3+. Розробив і створив стенд для дослідження спектрів поглинання і люмінесценції у видимому і ближньому ІЧ спектральних діапазонах. Самостійно підготував зразки і провів експерименти з вивчення спектрів поглинання і люмінесценції кристалів Sr4B14O25:Pr3+ та Sr4B14O25:Nd3+. Автор у співробітництві з канд. фіз. мат. наук Світанько М.В. провів комплекс прецизійних досліджень нелінійно - оптичних властивостей кристала SrB4O7: отримав генерацію II, III гармонік випромінення Nd3+:YAG лазера, виміряв значення когерентної довжини та нелінійних коефіцієнтів кристала SrB4O7. Дисертант зробив розрахунок генераційних характеристик кристала Sr4B14O25:Pr3+.

Крім того, здобувач брав участь в узагальненні результатів досліджень, написанні статей та формуванні висновків.

Науковий керівник Оселедчик Ю.С. здійснював формулювання наукової проблеми, вибір методів досліджень та брав участь в обговоренні результатів досліджень, висновків, оформленні окремих статей. Старший науковий співробітник Просвірнін А.Л. виростив кристал SrB4O7, брав участь у розробці ростової установки для вирощування кристалів Sr4B14O25 та Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+) та вирощуванні цих кристалів, а також у дослідженні фазової діаграми.

Внесок автора є основним.

Апробація результатів дисертації. Окремі результати і розділи роботи доповідалися на ХV Міжнародній школі - семінарі "Спектроскопія молекул і кристалів" (23 - 30 червня, 2001 р., Чернігів, Україна), ХVІ Міжнародній школі - семінарі "Спектроскопія молекул і кристалів" (25 травня - 1 червня, 2003 р., Севастополь, Україна), другій науковій молодіжній школі "Оптика - 2002",

(14 - 17 жовтня, 2002 р., Санкт - Петербург, Росія), VIII Всеросійській школі - семінарі "Хвильові явища в неоднорідних середовищах" (26-31 травня 2002 р., Красновідово, Росія), Міжнародній конференції "Оптоелектронні інформаційні технології" (24 - 26 квітня, 2001 р., Вінниця, Україна).

Публикації. Основні результати дисертації викладені в 12 роботах, серед них 5 статей у вітчизняних та іноземних журналах, 2 патенти на винахід,, 5 тез доповідей на конференціях.

Структура і об’єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, розділу, присвяченому огляду літератури та постановці проблеми дослідженнь, 5-ти розділів з викладом оригінальних результатів, висновку та цитованої літератури. Вона нараховує 135 сторінок, в тому числі 54 рисунків та 157 бібліографічні назви.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність теми, сформульовано мету роботи. Відзначено наукову новизну та практичну цінність отриманих результатів. Представлено відомості про апробацію роботи та публікації.

Перший розділ містить літературний огляд. В ньому подано загальну характеристику

оптичних властивостей та огляд застосування в лазерній оптиці монокристалів родини боратів.

На підставі теорії аніонних груп проаналізовано залежності оптичних властивостей боратних оксидних кристалів від структури аніонних боратних груп. Розглянуто властивості нелінійно - оптичних боратних кристалів: - BBO, LBO, CBO, CLBO, та експериментальні схеми з їх застосуванням. Наведено огляд нелінійно-активих кристалів - LaBGeО5:Nd3+, LiNb3:Nd3+, - Gd2(Mo4)3:Nd3+, YAl3(BO3)4:Nd3+, YCa4O(BO3)3:Nd3+ і т. п.. Здійснено огляд оптичних властивостей боратів стронцію як одного з представників родини боратів. Показана перспективність легування тетраборату стронцію з метою отримання активно-нелінійного кристала.

Розглянуто генераційні канали електронних переходів лантаноїдів у лазерних діелектричних матрицях та обґрунтовано вибір іона-активатора. Висновки першого розділу обумовлюють актуальність дослідження ростової системи SrO - B2O3 у сенсі пошуку нових монокристалів сімейства стронцієвих боратів.

Другий розділ містить результати дослідження діаграми стану SrO - B2O3 та опис фізико - химічних та технологічних особливостей вирощування монокристалів боратів стронцію SrB4O7, Sr4B14O25 та Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+).У цьому ж розділі наведено результати дослідження структури нового монокристала Sr4B14O25.

Кристалізаційна система SrO - B2O3 на відміну від інших боратних систем, добре вивчених на даний момент, вивчена недостатньо. Зокрема, загальної фазової діаграми системи SrO - B2O3 у діапазоні концентрацій від 0 до 100 % дотепер не існує.

Для детального вивчення фазової діаграми системи SrО - B2O3 застосовувався метод диференціального термічного аналізу, адаптований для вивчення схильних до переохолодження розплавів: тиглем у ДТА - установці слугував разклепаний у вигляді контейнера кінець диференційної термопари (Pt - RhPt). У результаті розшифровки термограм досліджуваних розплавів побудована діаграма стану системи SrО- B2O3 (рис. 1). Встановлено, що температура кристалізації SrB2O4 Т = 1170 5С, температура плавлення SrВ4O7 Т = 1015 5 С. Температура плавлення SrВ6O10 була визначена як Т = 920 5 С.

У діапазоні концентрацій 64 – 66 мол. % B2O3 була отримана нова хімічна сполука Sr4B14O25. Міжнародна рентгенівська кристалографічна база даних (ICPDC 15-801) не містить інформацію про цю сполуку. Температура інконгруентного плавлення Sr4B14O25 Т = 1012 5 С. Показано, що монокристал Sr4B14O25 може бути отриманий у результаті кристалізації з розплаву, що містить 64 – 66 мол. % B2O3.

Встановлено, що легований борат стронцію Sr4B14O25:Pr3+ кристалізується з розплаву SrО - 2B2O3 – x Pr2O3 при молярній частці Pr2O3 0.002 < x < 0.01. Виявлено, що легований борат стронцію Sr4B14O25:Nd3+ кристалізується з розплаву SrО - 2B2O3 – x Nd2O3 при молярній частці Nd2O3 0.004 < x < 0.01. Sr4B14O25:Eu3+ вдалося отримати лише у полікристалічному вигляді.

Для вирощування монокристалів боратів стронцію SrB4O7, Sr4B14O25 та Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Nd3+, Pr3+, Eu3+) використовувалася вертикальна однозонна піч опору потужністю 1,5 кВт. При вирощуванні використовувалися затравки, орієнтовані по нормалі до площини (020) і (002). Швидкість охолодження становила 2 – 4 С/день. Швидкість витяжки підтримувалася на рівні 2 – 3 мм/день. Отримані кристали мали розміри: діаметр 20 –25 мм, довжина l = 10 мм. Вирощені кристали мали циліндричну форму з частковою огранкою площинами (002) і (200). Кристали не гігроскопичні. Монокристали мали слабке забарвлення: жевто – зелене у випадку празеодима, та фіолетове у випадку неодима.

У результаті проведеного рентгеноструктурного аналізу експериментально встановлено, що монокристали Sr4B14O25 і Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+) належать до моноклінної системи, просторова група С2/m. Значення параметрів кристалічної ґратки a = 16.384 A, b = 7.762 Е, c = 16.619 Е, = 119.8. Розраховане на основі структурних даних значення густини calc= 3.246 г/см3 добре відповідає експериментально знайденому за допомогою методу гідростатичного зважування exp= 3.2 г/см3. На рис. 2 представлений фрагмент кристалічної структури Sr4B14O25.

Третій розділ присвячено дослідженню нелінійно-оптичних властивостей монокристала SrB4O7. При уточненні раніше отриманих даних по прозорості SrB4O7 ( = 130 - 3200 нм) зафіксована смуга поглинання ( = 205 - 220 нм) в УФ області прозорості.

За методом Мейкера встановлено нелінійні коефіцієнти тетраборату стронцію:

d31 = 0,0150,0033 * 10-12 м/В, d32 = 0,0190,0039 * 10-12 м/В, d33 = 0,0030,0006 * 10-12 м/В,

d15 = 0,002 0,0006 * 10-12 м/В, d24 = 0,0050,001 *10-12 м/В.

На тонких монокристалічних пластинах тетраборату стронцію на середній довжині когерентності ког спостерігалися процеси генерації ІІ та ІІІ гармонік лазерного випромінювання АІГ: Nd3+. Ефективність генерації другої гармоніки склала 1,1*10-6 (Pнакачки = 70 МВт/см2, = 20 нс), третьої - 5,4*10-9 (Pнакачки = 3 ГВт/см2, = 20 нс). На рис. 3, 4 представлені залежності енергії другої та третьої гармоніки випромінювання АІГ:Nd3+ лазера від густини потужності основної гармоніки.

Рис. 3 Залежність енергії другої гармоніки від густини потужності основної гармоніки при нелінійно - оптичному перетворенні на пластинках з SBO (1) та перетворювачі з RTP (2).

Рис. 4 Залежність енергії третьої гармоніки від густини потужності основної гармоніки.для SBO (1) та LBO (2)

У четвертому розділі наведено результати дослідження дисперсії показників заломлення та спектроскопічних досліджень монокристалів Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+).

За методом призми проведено дослідження дисперсії показників заломлення кристалу Sr4B14O25. За методом найменших квадратів були обчислені значення коефіцієнтів A, B, C, та D рівняння Селмеєра.

(1)

В таблиці 1 представлено коефіцієнти рівняння Селмеєра для Sr4B14O25.

Таблиця 1.

Коефіцієнти рівняння Селмеєра для Sr4B14O25. |

А | B, мкм2 | C, мкм2 | D, мкм -2

Nx | 2.65039 | 0.00965 | 0.04341 | 0.03580

Ny | 2.60564 | 0.00592 | 0.07247 | 0.05088

Nz | 2.54329 | 0.00446 | 0.08031 | 0.06367

Експериментально встановлено, що короткохвильовий край смуги прозорості Sr4B14O25 відповідає ВУФ спектральному діапазону. Спектральна чутливість застосованої апаратури не дозволила встановити точне значення короткохвильового краю смуги прозорості, однак встановлено, що це значення не менш =185 нм.

Довгохвильовий край смуги прозорості монокристала відповідає довжині хвилі = 3400 нм. У всьому діапазоні прозорості відсутні лінії поглинання. Встановлено, що короткохвильовий край смуги прозорості монокристалу Sr4B14O25:Pr3+ відповідає довжині хвилі = 227 нм. Смуга поглинання = 180 - 227 нм відповідає міжконфігураційним 4f 5d електронним переходам.

Довжина хвилі довгохвильового краю поглинання дорівнює 3400 нм. Спектр поглинання (рис. 5) має вісім піків від 443 нм до 2330 нм, які відповідають електронним переходам іону Pr3+.

Рис. 5. Спектр поглинання монокристалічного зразка Sr4B14O25: Pr3+

Наведено результати дослідження спектрів люмінесценції монокристала Sr4B14O25: Pr3+ при збудженні Ar+ лазером, exc = 488 нм, що відповідає лінії поглинання 3H4 3P0 іона празеодима (Рис. 6).

Рис. 6. Спектр люмінесценції монокристала Sr4B14O25 :Pr3 + при накачці Ar+ - лазером.

Люмінесценція іонів Pr3+ при електронних переходах 3P0 3H4 та 3P0 3H5 досліджувалася за допомогою спектрофлюориметра Hitachi 850 в умовах лампової накачки при накачці в лінію поглинання 440 нм. Зареєстровано люмінесцентний пік, що відповідає довжині хвилі 475 нм (3P0 3H4) та широку лінію люмінесценції, що відповідає довжині хвилі =540 нм (3P0 3H5).

При накачці у УФ смугу поглинання іонів Pr3+ ( =180 - 230 нм ) збуджено інтенсивну люмінесценцію в УФ ( = 384 нм, 1S0 3P2 + 1I6) та синьому спектральному диапазонах ( = 460 нм та = 472 нм, 3P0 3H4). Показано, що енергетичний стан 1S0 лежить нижче енергетичної зони 5d стану.

Експериментально виміряне значення часу життя стану 3P0 = 17 мкс.

Проведено спектроскопічні дослідження монокристала Sr4B14O25:Nd3+. Встановлено, що короткохвильовий край смуги прозорості монокристалу Sr4B14O25:Nd3+ відповідає довжені хвилі = 190 нм. Спектр поглинання у диапазоні 190 - 1000 нм має 5 піків, які відповідають електронним переходам іона Nd3+. Зареєстровано люмінесцентні лінії 880 - 960 нм (4F3/24I9/2), та 1064 нм (4F3/24I11/2). Спектр поглинання монокристалу Sr4B14O25:Nd3+ представлено на рис. 7.

Рис. 7. Спектр поглинання монокристала Sr4B14O25:Nd3+

Люмінесценція монокристалу Sr4B14O25:Nd3+ досліджувалася за допомогою спектрофлюориметра Hitachi 850 при накачці у смугу поглинання = 530 нм (4I9/2 2K13/2+2G7/2+4G9/2). Спектр люмінесценції представлено на рис. 8.

Рис. 8. Люмінесценція монокристала Sr4B14O25:Nd3 +при накачці у лінію поглинання = 530 нм (4I9/2 2K13/2+2G7/2+4G9/2).

У п’ятому розділі представлено результати розрахунку спектрально-люмінесцентних та генераційних характеристик монокристала Sr4B14O25:Pr3+. Розрахунок робився методами теорії Джадда- Офельта. Для розрахунку основних спектрально–генераційних характеристик кристала Sr4B14O25:Pr3+ у наближенні теорії Джадда–Офельта чисельними методами розраховувалися інтегральні коефіцієнти поглинання = K() d для кожної абсорбційної лінії, як площа під кривою поглинання. Сила ліній електро–дипольних переходів із основного стану розраховувалася за формулою (2) з використанням коеффіцієнтів поглинання виміряних при кімнатній температурі та дисперсії показника заломлення.

(2)

На основі даних про сили ліній, було розраховано параметри інтенсивності Джадда – Офельта за співвідношенням (1)

Обчислені таким чином параметри дорівнюють:

Щ2= 11,14 *10-20 см2

Щ4=1,388 *10-20 см2

Щ6=1,815*10-20 см2

На основі розрахованих сил електродипольних ліній робився розрахунок імовірності спонтанних переходів Ajj’ між двома мультиплетами J та J’:

. (3)

Результати розрахунку імовірностей спонтанних переходів, коефіцієнтів розгалуження, генераційних перерізів переходів та люмінесцентний час життя подано у таблиці 2.

Таблиця 2.

Основні спектрально – генераційні характеристики кристала Sr4B14O25:Pr3+.

Електронний перехід | л,

нм | Aed jj,

с-1Amd jj

с-1,

% | рад,

мксeff

*1012,

Гц | e

*1020,

см2

3P0 - 3H4 | 475 | 6449 | - |

42678 | 15,1 |

22 | 8,37 | 1,636

3P0 - 3H5 | 540 | 0 | - | 0 | 5,92 | 0

3P0 - 3H6 | 605 | 1700 | - | 3,9 | 4,39 | 1,348

3P0 - 3F2 | 655 | 33191 | - | 77,8 | 4,39 | 3,092

3P0-3F3 | 707 | 0 | - | 0 | 3,95 | 0

3P0-3F4 | 739 | 1179 | - | 2,8 | 1,35 | 4,564

3P0-1G4 | 1014 | 157 | - | 0,36 | 1,74 | 8,967

Оцінка порогової енергії генерації для переходів 3P0 3H5, 3P0 3H6, 3P0 3F2, 3P03F3, 3P03F4, 3P0 1G4 вказує на те, що найбільш перспективний для отримання лазерної генерації - перехід 3P0 3F2. Переходи 3P0 3H6, 3P03F4, 3P0 1G4 мають суттєво більшу порогову енергію накачки, але при зменшенні ефективної напівширини линії люмінесценції (при низьких температурах) можливо активувати і ці канали.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3. Встановлено, що легований борат стронцію Sr4B14O25:Pr3+ кристалізується з розплаву SrО - 2B2O3 – x Pr2O3 при молярній частці Pr2O3 0.002 < x < 0.01. Легований борат стронцію Sr4B14O25:Nd3+ кристалізується з розплаву SrО - 2B2O3 – x Nd2O3 при молярній частці Nd2O3 0.004 < x < 0.01. Вперше вирощені монокристали Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+).

4. Зафіксовано несинхронну генерацію ІІ та ІІІ гармонік лазерного випромінювання YAG:Nd3+ у тонких монокристалічних пластинках тетраборату стронцію. Ефективність генерації другої гармоніки склала 1,1*10-6 (Pнакачки = 70 МВт/см2, = 20 нс), третьої - 5,4*10-9 (Pнакачки = 3 ГВт/см2, = 20 нс).

5. Досліджено властивості люмінесценції кристалу Sr4B14O25:Pr3+ при ламповій та лазерній (Ar+ лазер) накачці. При накачці у УФ полосу поглинання іонів Pr3+ ( =180 - 230 нм ) збуджено інтенсивну люмінесценцію в УФ ( = 384 нм, 1S0 3P2 + 1I6) та синьому спектральному діапазонах ( = 460 нм та = 472 нм, 3P0 3H4).

6. Проведено спектроскопічні дослідження монокристала Sr4B14O25:Nd3+. Встановлено, що короткохвильовий край смуги прозорості монокристала Sr4B14O25:Nd3+ відповідає довжині хвилі = 190 нм. Спектр поглинання у діапазоні 190 - 1000 нм має 5 піків, які відповідають електронним переходам іона Sr4B14O25:Nd3+.

7. Методами теоретичної моделі Джадда-Офельта розраховано спектрально-люмінесцентні та генераційні характеристики монокристала Sr4B14O25:Pr3+. Встановлено, що преходи 3P0 3F2, 3P0 3H6 перспективні для отримання лазерної генерації на Pr3+, а переходи 4F3/2 4I9/2 та 4F3/2 4I9/2 на іонах Nd3+.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ:

1.

2.

3.

4.

3.

Патент C30B17/00, Україна. Спосіб вирощування кристалу борату стронцію Sr4B14O25 легованого лантаноїдами. Деклараційний патент на винахід: C30B17/00, Україна./ Оселедчик Ю.С., Просвірнін А.Л., Світанько М.В., Кудрявцев Д.П., № 49341А, Заявл. 12.11.2001; Опубл. 16.09.2002.

7. Патент С30В17/00, Україна. Спосіб вимірювання тривалості ультракоротких імпульсів ультрафіолетового диапазону: Деклараційний патент на винахід: Україна./ Оселедчик Ю.С., Просвірнін А.Л., Світанько М.В., Кудрявцев Д.П., № 46236А, Заявл. 04. 03. 2002; Опубл. 15. 05. 2002.

8. Кудрявцев Д.П., Світанько М.В., Швець Е.Я., Просвірнін А.Л.,Оселедчик Ю.С., Низковольтні електрооптичні модулятри лазерного випромінення на основі кристала KTiOPO4 (KTP).//Proceedings of International Conference on Optoelektronic Information Technologies ", 24 - 26 April, 2001, Vinnytsia, Ukraine, P.146.

9. Kudrjavtcev D.P., Oseledchik Yu. S., Prosvirnin A.L., Svitanko N.V., Petrov V.V. The luminescence of strontium tetraborate doped with praseodymium (SrB4O7:Pr3+), excited with argon - ion laser.//Proceedings of the V International School - Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals".23 - 30 June, 2001, Chernihiv, Ukraine, P.104.

10. Кудрявцев Д.П., Свитанько Н.В. Новый лазерный материал - борат стронция Sr4B14O25:Pr3+ / Труды Второй научной молодёжной школы "Оптика - 2002", 14 - 17 октября, 2002г., Санкт - Петербург, Россия, с.112

11. Кудрявцев Д.П., Свитанько М.В., Просвирнин А.Л.,Оселедчик Ю.С., Измерение длительности ультракоротких импульсов лазерного излучения ультрафиолетового спектрального диапазона./ Труды VIII Всероссийской школы - семинара "Волновые явления в неоднородных средах". 26 -31 мая 2002г., Красновидово, Россия, часть 1, с. 33.

12. Kudrjavtcev D.P., Oseledchik Yu. S., Prosvirnin A.L., Svitanko The spectral - generation properties of new Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+) crystal.//Proceedings of the VІ International School - Seminar "Spectroscopy of molecules and crystals".25 May - 1 June, 2003, Sevastopol, Ukraine, P.129.

АНОТАЦІЯ

Кудрявцев Д.П. Оптичні властивості кристалів боратів стронція SrВ4O7, Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+) - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико математичних наук за спеціальністю 01.04.05. - оптика, лазерна фізика - Запорізька державна інженерна академія, Запоріжжя, 2003.

Дисертація присвячена дослідженню кристалізаційних, структурних, спектроскопічних, люмінесцентних, нелінійно-оптичних, та генераційних властивостей кристалів SrВ4O7, Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+).

Побудована фазова діаграма системи SrО - B2O3 у диапазоні концентрацій 50 - 75 мол.% B2O3. Отримана нова хімічна сполука Sr4B14O25. Вирощено монокристали SrB4O7, та SrB4O7:RE3+. Вперше вирощено монокристали Sr4B14O25 Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Nd3+, Pr3+). Досліджена структура нового монокристала. Проведено спектроскопічні та люмінесцентні дослідження кристалів Sr4B14O25 , Sr4B14O25:Pr3+.

Зафіксовано несинхронну генерацію ІІ та ІІІ гармонік YAG:Nd3+ лазера у тонких монокристалічних пластинках тетраборату стронцію.

Проведено спектроскопічні дослідження монокристала Sr4B14O25:Nd3+

Експериментально виміряне значення часу життя стану 3P0 іону Pr3+ = 17 мкс.

Розраховано спектрально-люмінесцентні та генераційні характеристики монокристала Sr4B14O25:Pr3+.

Ключові слова: фазова діаграма, новий монокристал, празеодим, область прозорості, поглинання, люмінесценція, нелінійні коефіцієнти, час життя, спектрально - генераційні характеристики.

АННОТАЦИЯ

Кудрявцев Д.П. Оптические свойства кристаллов боратов стронция SrВ4O7, Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+) - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05. - оптика, лазерная физика - Запорожская государственная инженерная академия, Запорожье, 2003.

Диссертация посвящена исследованию кристаллизационных, структурных, спектроскопических, люминесцентных, нелинейно-оптических, и генерационных свойств кристаллов SrВ4O7, Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+).

Получена фазовая диаграмма системы SrО - B2O3 в диапазоне концентраций 50-75 мол.% B2O3. Получено новое химическое соединение Sr4B14O25. Выращены монокристаллы Sr4O7, и Sr4O7:RE3+. Впервые выращены монокристаллы Sr4B14O25 Sr4B14O25:RE3+ (RE3+ = Nd3+, Pr3+). Исследована структура нового монокристалла. Проведены спектроскопические и люминесцентные исследования кристаллов Sr4B14O25 , Sr4B14O25:Pr3+.

Зафиксирована несинхронная генерация ІІ и ІІІ гармоник АИГ: Nd3+ лазера на тонких монокристаллических пластинках тетрабората стронция. Проведены спектроскопические исследования монокристалла Sr4B14O25:Nd3. Экспериментально измерено значение времени жизни состояния 3P0 иона Pr3+ = 17 мкс. Рассчитаны спектрально - люминесцентные и генерационные характеристики монокристалла Sr4B14O25:Pr3+.

Ключевые слова: фазовая диаграмма, новый монокристалл, празеодим, область прозрачности, поглощение, люминесценция, нелинейные коэффициенты, время жизни, спектрально - генерационные характеристики.

ABSTRACT

Kudrjavtcev D.P. Optical properties of strontium borate crystals SrВ4O7, Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+) - Manuscript.

Thesis of candidate’s degree of the specialty 01.04.05 - Optics, laser physics. - Zaporozhye state engineering academy, Zaporozhye.

The thesis is devoted to the study of crystallization, structural, spectroscopic, luminescence, nonlinear - optic and generation properties of the SrВ4O7, Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+) crystals.

The search of new materials for nonlinear and laser optics is determined by two directions. New generation channels are actively studied, on the other hand, proceeds search of new matrixes. Borates dielectric matrixes are actively investigated. The search of new activated and nonlinear borates crystals is connected to significant difficulties. There is no general theory and methodology of search such crystals. The various number of borates crystallisation systems are investigated not enough. However, the information being at the present time, allows to hope on descovering new crystals with interesting properties - nonlinear - active, self-activated.

The phase diagram of the SrO - B2O3 system resulting from combined analysis of X - ray powder diffraction and differential thermal analysis tecniques is investigated. In the concentration range 64 - 66 mol % B2O3 new strontium borates Sr4B14O25 was developed. It was growing up new Sr4B14O25, Sr4B14O25: RE3+ (RE3+ = Pr3+, Nd3+, Eu3+) monocrystals. The crystal structure of new crystal was checked by X - ray powder diffraction. The Sr4B14O25:Pr+3 crystal belongs to the monoclinic system with the space group C2/m. The unit cell parameter are a = 16.384 ?, b = 7.762 ?, c= 16.619 ?, = 119,8.

The transmission range of Sr4B14O25 and Sr4B14O25:Pr+3 crystal are measured. The absorption and luminescence spectra of new Sr4B14O25:Pr+3 crystal doped with Pr3+ are investigated. The luminescence spectra of the Sr4B14O25:Pr3+ crystal simples were measured by laser and lamp pump. It was detected the strong luminescence line in orange spectral range = 595 nm (1D2 3H4 transition). The polarizing dependence of the luminescence intensity found out.

A strong UV and blue luminescence with the pumping in Pr+3 ion UV absorption band was excited. The nonsinchroneous generation of II, III, IV garmonics of YAG:Nd 3+ laser radiation in SrB4O7 planar monocrystal structures are fixed. On Maker fringent method the nonlinear coefficients of SrB4O7 are measured.

The spectroscopic properties of Sr4B14O25:Nd3+ are investigated. The absorption spectra of Sr4B14O25:Nd3+ crystals are registrated. The luminescence spectra of the Sr4B14O25:Nd3+ crystal samples were measured by light emitted diodes pump. It was registered the luminescence line 880 - 960 nm (4F3/24I9/2), 1064 nm (4F3/24I11/2).

With the method of minimal deviation the dispersion of refractive indices of Sr4B14O25 crystal are measured. It was calculated the coefficients of Sellmeier equation.

On the experimental absorption results the Jadd - Offelt intensity parameters of new crystal Sr4B14O25:Pr+3 was calculated: It was calculated the spontaneous transition probability's and generation cross section. The lifetime calculation result of metastable energy level 3P0 teor = 22 mks is in a good agreement with the experiment exp = 17 mks. The analysis of calculation results make a possibility of laser generation in a visible range on the wavelength of the energy transfer 3P03F2 (л = 655 nm) on the crystal Sr4B14O25:Pr3+ at a room temperature.

Key words: phase diagram, new monocrystal, praseodymium, transparency range, absorption bands, nonlinear coefficients, dispersion of refractive indexes, lifetime, spectral - generation properties, Jadd - Offelt model.