Opracowanie nowych materiałów laserowych wykorzystywanych do generowania impulsów dużej mocy: Badanie mechanizmu kontrolowania strat w granatach domieszkowanych jonami chromu.

Typ projektu: NCN OPUS 23
Kierownik projektu: dr Mykhailo Chaika
Numer projektu: 2022/45/B/ST5/01487
Opis projektu:
Głównym celem projektu jest poznanie mechanizmu pasożytniczych strat energii poprzez badanie procesu konwersji energii w górę pod wpływem wzbudzenia w zakresie podczerwonym w materiałach o strukturze granatu domieszkowanych jonami Cr3+ . Do realizacji projektu wybrano związki o wzorze ogólnym C3A2D3O12, (gdzie C = Y3+, Lu3+, Gd3+, La3+; A = Al3+, Cr3+, Ga3+, Sc3+; D = Al3+, Ga3+) domieszkowane różnym stężeniem jonów Cr3+ . Zmiana składu chemicznego matrycy pozwoli na modulowanie siły pola krystalicznego oraz energii fononów prowadzących do redukcji negatywnego wpływu jonów Cr3+ na właściwości laserowe. Od czasu opracowania pierwszego urządzenia laserowego na bazie rubinu w 1960 roku, lasery na ciele stałym zrewolucjonizowały dziedzinę urządzeń optycznych. Postęp był szczególnie wyraźny po opracowaniu laserów opartych na kryształach granatu Nd3+:YAG o długości fali 1,064 µm. Jednak pomimo postępów w układach laserowych z ciągłym trybem pracy, nadal istnieje duży potencjał rozwoju laserów impulsowych. Lasery impulsowe składają się z elementu aktywnego (zwykle Nd3+:YAG) sprzężonego z absorberem Cr4+:YAG, pełniącym rolę Q-switch. Głównym czynnikiem limitującym wydajność takiego systemu jest stosunkowo niska wydajność absorbera Cr4+:YAG. Brak jest znanej alternatywy dla laserów dużej mocy, ponieważ V3+:YAG jest stosowany dla laserów o niższej energii fali emitującej, a LiF:F2- szybko degraduje. Działanie lasera impulsowego jest oparte na wprowadzeniu nasycających strat (przez jony Cr4+) w rezonatorze, co pozwala na zgromadzenie energii w elemencie aktywnym (Nd3+:YAG). Po pewnym czasie następuje nasycenie absorbera, co prowadzi do uwolnienia energii nagromadzonej przez element aktywny i generowania impulsu. Energia takiego impulsu jest bezpośrednio proporcjonalna do różnicy między nasycającymi i nienasycającymi stratami wprowadzonymi przez absorber (Cr4+:YAG). Zwiększenie wydajności laserów impulsowych opartych na Cr4+:YAG badane jest głównie w kierunku wzrostu stężenia jonów Cr4+ , tudzież strat nasycających. Nasze ostatnie badania wykazują, że Cr3+ jest w stanie absorbować energie światła z energią fotonów poniżej pasma absorbcji, a zatem wprowadza nienasycone centrum absorbujące, zmniejszając moc wyjściową laserów opartych na Cr4+:YAG. Wpływ jonów Cr3+ na właściwości laserowe może być dominujący, ponieważ ich stężenie jest dość wysokie (aż do kilku procent atomowych). Synteza granatów domieszkowanych jedynie jonami Cr4+ wydaje się być nierealne. Jak pokazują badania współtowarzyszy mu zazwyczaj chrom na +3 stopniu utlenienia. Redukcja efektu pasożytnego jonów Cr3+ jest możliwa poprzez zrozumienie natury zjawiska konwersji energii w górę, co pozwoli nam poprawić wydajność lasera impulsowego opartego na granatach domieszkowanych chromem. Zrozumienie natury konwersji energii w górę w granatach domieszkowanych chromem jest możliwe dzięki analizie właściwości spektroskopowych serii stężeniowej granatów Cr:C3A2D3O12. Właściwości spektroskopowe układów Cr3+ zależą bezpośrednio od siły pola krystalicznego (Dq/B), które określa energie dwóch najniższych stanów wzbudzonych (2Eg i 4T2g). Modulowanie pola krystalicznego jest możliwe poprzez zmianę składu chemicznego granatów, na przykład Dq/B monokryształów granatu może wynosić od 2,2 dla LaSGG do 2,8 dla LuAG. Ponadto, przyjmując założenie, że konwersja energii w górę w jonach Cr3+ zachodzi za pośrednictwem przejść wibronowych, można wnioskować że zmiana energii fononów, ze zmiana matrycy, będą miały wpływ na to zjawisko. Projekt zostanie podzielony na dwie części. Pierwsza część projektu będzie poświęcona badaniu wpływu składu matrycy oraz stężenia jonów chromu na wydajność konwersji energii w górę jonów Cr3+ . Polikrystaliczne granaty z domieszką chromu zostaną syntetyzowane metodą zol-żel. Zbadana zostanie mikrostruktura i właściwości optyczne materiału. Na podstawie uzyskanych wyników będzie przygotowana seria ceramik przezroczystych granatów domieszkowanych chromem. Analiza wyników badań pozwoli nam zaproponować mechanizm konwersji energii w górę w granatach domieszkowanych chromem, a w efekcie znaleźć sposób na zminimalizowanie jego negatywnych efektów na wydajność laserów impulsowych.