Badanie właściwości termoluminescencyjnych kryształów Yb:YAG hodowanych metodą Horizontal Directed Crystallization stosowaną w laserach dużej mocy

Typ projektu: Wspólny projekt badawczy pomiędzy Polską a Słowacją NAWA - SRDA (Slovak Research and Development Agency)
Kierownik projektu po stronie PL: dr Mykhailo Chaika
Kierownik projektu po stronie SVK: dr Juraj Kajan (Institute of Competitiveness and Innovations, University of Žilina)
Nr projektu: BPN/BSK/2023/1/00011
Przyznane finansowanie: 30 000 PLN
Opis projektu:
Ze względu na swoje znaczenie technologiczne jako nośnika lasera na ciele stałym, monokryształy granatu itrowo - glinowego (YAG) były badane od dawna. Ze względu namały tzw. defekt kwantowy pomiędzy energią pompowania (wzbudzenia optycznego) a energią linii promieniowania laserowego, jak również dzięki szerokim pasmomabsorpcyjnym i długim czasom życia poziomów wzbudzonych, YAG domieszkowany Yb3+ jest jednym z najwydajniejszych materiałów laserowych dużej mocy. Ponadto,dzięki dobremu dopasowaniu promieni jonowych między domieszką a podstawianym jonem Y3+ oraz teoretycznemu braku możliwości wygaszania koncentracyjnego nawet wsilnie domieszkowanym jonami Yb3+ kryształy YAG są bardzo obiecujące do zastosowań jako ośrodki czynne w laserach mikrochipowych i cienkodyskowych. Jeśli jednakstężenie Yb3+ w YAG osiąga wartości większe niż 12%, wydajność lasera znacznie spada, na przykład wydajność lasera próbki Yb3+:YAG o wysokiej czystości (16,5% at.)została zmierzona jako wciąż poniżej oczekiwanej wartość około 60%, co wskazuje, że w tych kryształach zachodzą inne, nieznane procesy utraty Ogranicza tocharakterystykę laserów, zwłaszcza tych wymagających wysokich stężeń aktywnych jonów, takich jak lasery mikroczipowe i cienkodyskowe. Spadek wydajności lasera może być spowodowany m.in. zjawiskiem przeniesienia ładunku (CT).
Rozwój techniki wzrostu kryształów w ciągu ostatnich kilkudziesięciu latzaowocował możliwością wzrostu bardzo czystych kryształów YAG. Jednak niedoskonałości struktury krystalicznej, takie jak luka tlenowa, przyczyniają się do absorpcjioptycznej w obszarze ultrafioletowym (UV) i wpływają na właściwości optyczne materiału. Tego rodzaju defekt może wspierać wiele zjawisk, takich jak przeniesienie ładunku.W przejściach z przeniesieniem ładunku elektron jest usuwany z atomu donorowego i trafia do akceptora. Funkcje falowe dziury pozostawionej na dawcy i elektronu naakceptorze mogą się nakładać, ale w wielu przypadkach nakładanie się jest na tyle małe, że dobrym przybliżeniem jest stwierdzenie, że elektron został faktycznieprzeniesiony z jednego atomu do drugiego lub od defektów strukturalnych do atomu. W materiałach YAG wykryto wcześniej przejścia CT. Na przykład CT wykryto w krysztale YAG: CT od sąsiednich ligandów tlenowych do pustych orbitali jonu Fe3+, którewytwarzają szerokie pasmo absorpcji przy 255 nm, pasmo absorpcji CT wyśrodkowane w pobliżu 200 nm w Yb:YAG spowoduje generowanie par stabilnych jonów Yb2+ wraz z centrami barwnymi O− lub CT między jonami Yb2+ i Yb3+, które wytwarzają szerokie pasmo absorpcji przy 630 nm. Procesy CT wpływają na właściwości materiałów Yb3+:YAG, a nawet otwierają nowe fotoprzyciemnianie (w ang. Photodarkening), który jest czynnikiem ograniczającym żywotność laserów światłowodowych dużej mocy.
Proces CT możezainicjować tworzenie się dwuwartościowego iterbu w kryształach YAG, które wzmacniają procesy nieliniowego rozpadu wraz ze zwiększonym wytwarzaniem ciepła. Procesrozpadu nieliniowego wyznacza granicę maksymalnego stężenia domieszkowania Yb w monokryształach Yb:YAG na około 12%. Innym potencjalnym zastosowaniemmateriałów Yb3+:YAG jest wykrywanie neutrin niskoenergetycznych w oparciu o szybką luminescencję CT w zakresie widzialnym i UV. Jak dotąd jednak, zgodnie znaszą najlepszą wiedzą, nie opublikowano żadnego artykułu dotyczącego procesu CT między jonami Yb3+ a zaburzonym centrum F+ przy długości fali 370 nm. Luminescencja CT jest ściśle powiązana ze stanami pułapek w kryształach. Kiedy elektron przechodzi przez pasmo przewodnictwa i może zostać uwięziony do pułapki.Jednocześnie termoluminescencja (TL) jest potężną metodą badania pułapek w materiałach ciała stałego, w tym w monokrysztale. Właśnie dlatego TL został wybrany do zbadania i zrozumienia związku między pułapkami a efektami przenoszenia ładunku.