Badanie własności optycznych i spektroskopowych monokryształów wolframianów domieszkowanych jonami Er i Yb : nowych ośrodków aktywnych do mikrolaserów „bezpiecznych dla oka"

• Autorzy: Mierczyk Z. , Młyńczak J. , Kopczyński K. , Majchrowski A.

Warianty tytułu

EN

Investigations of optical and spectroscopic properties of Er and Yb ions in doped tungstate single crystals admixtured by Er and Yb ions as new active materials for eye safe microlasers

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przeprowadzono badania własności optycznych i spektroskopowych kryształów wolframianu potasowo-gadolinowego domieszkowanych jonami Er³⁺ i Yb³⁺. Monokryształy KGW:Er³⁺, KGW:Yb³⁺ i KGW:Er³⁺, Yb³⁺ uzyskane były metodą wzrostu z topników. Wyznaczono widma absorpcji w zakresie spektralnym 190- 5000 nm za pomocą spektrofotometru Lambda 900. Badano również widma luminescencji wzbudzonej promieniowaniem 980 nm emitowanym przez lampę ksenonowąw układzie spektrofluorymetru FS 900 oraz wyznaczono czasy życia zarówno jonów Er³⁺ jak i jonów Yb³⁺ na górnych poziomach laserowych odpowiednio ⁴I₁₃/₂ oraz ²F₅/₂. W widmach absorpcji badanych kryształów wyróżniono charakterystyczne dla jonów Er³⁺ i Yb³⁺ grupy pasm, przy czym widmo absorpcji jonów Er³⁺ jest znacznie bogatsze, gdyż występują w nim pasma absorpcji zarówno w obszarze widzialnym (360 nm, 380 nm, 405 nm, 450 nm, 485 nm, 520 nm, 650 nm i 790 nm), jak i w podczerwieni (965 nm i 1530 nm). W widmie absorpcji jonów Yb³⁺ występuje tylko jedna grupa pasm w obszarze podczerwieni (maksima 914 nm, 941 nm i 968 nm). Stosunki intensywności poszczególnych pasm absorpcji jonów Er³⁺ i Yb³⁺ w badanych kryształach są stałe, natomiast bezwzględne wartości zależą od koncentracji wprowadzonych domieszek. Pasma absorpcji jonów Er³⁺ w obszarze widzialnym umożliwiają wzbudzanie lampą wyładowczą, natomiast pasma absorpcji jonów Yb³⁺ w obszarze 980 nm zapewniają wzrost efektywności pompowania diodą laserową. Interesujące z punktu widzenia generacji promieniowania laserowego „bezpiecznego dla wzroku" pasma w widmie luminescencji jonów Er³⁺ w zakresie 1450÷1650 nm są związane z przejściami kwantowymi ⁴I₁₃/₂ → ²F₅/₂ (maksimum 1530 nm). Wprowadzenie jonów Yb³⁺ powoduje wzrost intensywności luminescencji KGW:Er³⁺, Yb³⁺ w paśmie 1530 nm w wyniku procesu sensybilizacji. Pomiary czasu zaniku fluorescencji jonów Er³⁺ na górnym poziomie laserowym (⁴I₁₃/₂) przeprowadzone dla próbek kryształów KGW domieszkowanych Er³⁺ i Yb³⁺ wykazały, że ze wzrostem koncentracjijonów Er³⁺ od 1% at. do 6% at. skraca się czas życia jonów Er³⁺ od 5,1 ms do 4,3 ms. Efekt stężeniowego gaszenia fluorescencji pojawia się po przekroczeniu 2% at. Er³⁺. Na podstawie przeprowadzonych badań optycznych i spektroskopowych stwierdzono, że najlepszymi z punktu widzenia generacji promieniowania laserowego są kryształy KGW:Er³⁺, Yb³⁺ (1% Er³⁺, 5% Yb³⁺), gdyż wykazują one największy współczynnik absorpcji dla promieniowania pompy i największą luminescencję jonów erbu.

EN

Studies of optical and spectroscopic properties of potassium-gadolinium tungstate crystals admixtured by Er³⁺ and Yb³⁺ ions have been carried out. KGW:Er³⁺, KGW:Yb³⁺ and KGW: Er³⁺ Yb³⁺ single crystals have been obtained by growing from a flux. The absorption spectra in the range at 190-5000 nm have been determined using the Lambda 900 spectrometer. The luminescence spectra excited by 980 nm radiation emitted by xenon lamp in the FS 900 spectrofluorimeter were also studied and the life time of Er³⁺ as well as Yb³⁺ ions have been found at a high laser levels ⁴I₁₃/₂ and ²F₅/₂ respectively. It has been found that Er³⁺ spectrum is richer than the Yb³⁺ one since the former spectrum contains the bands in the visible range (360 nm, 380 nm, 405 nm, 450 nm, 485 nm, 520 nm, 650 nm and 790 nm), as well as in the infrared (965 nm and 1530 nm). In the spectrum of Yb³⁺ ions only single group of bands occurs in the infrared range (maximums 914 nm, 941 nm and 968 nm). From the point of view of generation of a eye safe radiation the bands luminescence spectrum of Er³⁺ ions in 1450-1650 nm range are connected with the ⁴I₁₃/₂ → ⁴I₁₅/₂ (maximum 1530 nm) quantum transition. On the basis of the carried out optical and spectroscopic studies it has been stated, that from the point of view of laser generation the best crystals are KGW:Er³⁺, Yb³⁺ (1% Er³⁺, 5% Yb³⁺), since they show the largest absorption coefficient for the pump radiation and the largest Er³⁺ ion luminescence.

Słowa kluczowe

PL

promieniowanie bezpieczne dla oka; technika laserowa; KGW:Er3+; Yb3+; ośrodek aktywny

EN

eye-safe radiation; laser technology; KGW:Er3+; Yb3+; active medium

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2005
• Tom: Vol. 54, nr 12
• Strony: 53--77
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., wykr.

Twórcy

autor

Mierczyk Z.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

autor

Młyńczak J.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

autor

Kopczyński K.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Optoelektroniki, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

autor

Majchrowski A.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Instytut Fizyki Technicznej, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

Bibliografia

• [1] W. J. Geeraets, E. R. Berry, Ocular spectral characteristics as related to hazards from lasers and other light sources, American Journal of Ophthalmology, vol. 61(1), 1968, pp. 15-20.
• [2] D. H. Sliney, Selected papers on laser safety, SPIE Milestone Series, vol. MS-117, Bellingham, Washington 1995.
• [3] W. Koechner, Solid-State Laser Engineering, 4 Edit., Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 1997.
• [4] Z. Mierczyk, M. Kwaśny, В. Kuzaka, Bezpieczeństwo stosowania laserów, Polski Merkuriusz Lekarski, t. VI, nr 34, 1999, s. 211-217.
• [5] IEC Standard EN 825-1, Safety of laser product. Equipment classification, requirements and user’s guide, 1993.
• [6] American National Standard for the Safe Use of Lasers, ANSI Z-136.1-1993, 1993.
• [7] R. Fluck, U. Keller, E. Gini, H. Melchior, Eyesafe pulsed microchip laser, OSA TOPS Advanced Solid State Lasers, vol. 19, 1998, pp. 146-149.
• [8] P. G. Zverev, T. T. Basiev, J. T. Murray, R. C. Powell, R. J. Reeves, Stimulated Raman Scatering of Picosecond Pulses in Ba(NO3)2 Crystals, OSA Proc, on Advanced Solid-State Lasers, vol. 15, 1993, pp. 156-160.
• [9] Z. Mierczyk, New materials for coherent pumped laser systems. Active mediums, frequency conversion systems and non-linear elements, Proc. SPIE, vol. 3186, 1997, pp. 22-31.
• [10] S. Jiang, J. Myers, D. Rhonehouse, M. Myers, R. Belford, S. Hamlin, Laser and thermal performance of a new erbium doped phosphate glass, Ed. Kigre, Inc. Hilton Head Island, 1990.
• [11] Laser Rangefinders, JANE’s Armour and Artillery Upgrades, Eleventh Edition 1998-99, Jane’s Information Group Ltd., Couldson, Surrey UK, 1998.
• [12] Z. Mierczyk, Investigations of saturable absorbers for „eye safe” giant-pulse laser systems, Optics and Opto-electronics, Theory, Devices and Applications, Narosa Publishing House, New Delhi, vol. 2, 1998, pp. 1033-1036.
• [13] M. B. Camargo, R. D. Stultz, and M. Birnbaum, Passive Q-switching of the Er3+:Y3Al5O12 laser at 1.64pm, Appl. Phys. Lett., vol. 66, 1995, pp. 2940-2942.
• [14] N. Pelletier-Allard, R. Pelletier, High-resolution spectroscopic study of Er:YAlO3, J. Alloys and Compounds, 275-277, 1998, pp. 374-378.
• [15] R. E. Peale, H. Weidner, F. G. Anderson, N. M. Khaidukov, Spectroscopy of Er3+ inK2YF5, OSA TOPS, vol. 10, Advanced Solid-State Lasers, 1997, pp. 462-466.
• [16] R. Moncorge, J. A. Capobianco, M. Bettinelli, E. Cavalli, S. Girard, Y. Guyot, Cr:MgSiO3, a Cr doped crystal with long fluorescence lifetime and broad-band emission around 1.52 pm, OSA TOPS, vol. 19, Advanced Solid-State Lasers, 1998, pp. 484-488.
• [17] Laser Rangefinders, JANE’s Armour and Artillery Upgrades, Eleventh Edition 1998-99, Jane’s Information Group Ltd., Couldson, Surrey UK, 1998.
• [18] T. T. Basiev, A. A. Sobol, P. G. Zverev, L. 1. Ivleva, V. V. Osiko, R. C. Powell, Raman spectroscopy of crystals for stimulated Raman scattering, Optical Materials 11, 1999, pp. 307-314.
• [19] A. Braud, S. Girard, J. L. Doualan, R. Moncorge, M. Diaf, M. Thuau, Properties of the 1.5 and 2.3 pm laser emissions of various Tm doped crystals codoped with Tb or Yb ions, OSA TOPS, vol. 26, Advanced Solid-State Lasers, 1999, pp. 476-480.
• [20] A-F. Obaton, J. Bernard, C. Parent, G. Le Flem, J. M. Fernandez-Navarro, J-L. Adam, M. J. Myers, G. Boulon, New laser materials for eye-safe sources: Yb-E/+ — codoped phosphate glasses, OSA Proc, on Advanced Solid-State Lasers, vol. 26, 1999, pp. 655-657.
• [21] Z. Mierczyk, M. Kwaśny, К. Kopczyński, A. Giętka, T. Lukasiewicz, Z. Frukacz, J. Kisielewski, R. Stępień, К. Jędrzejewski, Er3 and Yb3+ doped active media for „ eye safe ” laser systems, Journal of Alloys and Compounds 300-301, 2000, pp. 398-406.
• [22] R. M. Boiko, A. G. Okhrimchuk, A. V. Shestakov, Glass ceramics Co2+ saturable absorber Q-switch for 1.3-1.6pm spectral region, OSA Proc, on Advanced Solid-State Lasers, TOPS, vol. 19, 1998, pp. 24-25.
• [23] M. Birnbaum, M. B. Camargo, S. Lee, F. Unlu, and R. D. Stultz, Co2+:ZnSe Saturable Absorber Q-switch for the 1.54pm Er3+:Yb3+.Glass Laser, OSA TOPS Advanced Solid- State Lasers, vol. 10, 1997, pp. 148-151.
• [24] J. T. Lin, Non-linear crystals for tunable coherent sources, Optical and Quantum Electronics, 22, 1990, pp. 283-313.
• [25] R. Wu, J. D. Myers, M. J. Myers, T. Wisnewski, 50 Hz Diode Pumped Er:Glass Eye-Safe Laser, OSA TOPS, vol. 26, Advanced Solid-State Lasers, 1999, pp. 336-340.
• [26] Z. J. Chen, J. D. Minelly, and Y. Gu, Compact low cost E3+/Yb3+ co-dopedfiber amplifiers pumped by 827 nm laser diode, Electron. Lett., vol. 32, 1996, pp. 1812-1813.
• [27] Z. Mierczyk, „Eye-safe" laser systems, Proc. SPIE, vol. 4237, 2000, pp.177-188.
• [28] Z. Mierczyk, Nieliniowe absorbery. Badania właściwości, technologia i wybrane zastosowania, Monografie WAT, Warszawa 2000.
• [29] Fuxi Gan, Laser materials, World Scientific Press, 1995, pp. 87.
• [30] 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, pp. 105-115.
• [31] M.C. Pujol, M. Rico, C. Zaldo, R. Sole, V. Nikolov, X. Solans, M. Aguilo, F. Diaz, Crystalline structure and optical spectroscopy of Er3 -doped KGd(WO4)2 single crystals, Appl. Phys. В 68, 1999, pp. 187-197.
• [32] A. Lupei, V. Enaki, V. Lupei, C. Presura, A. Petraru, Resonant electron-coupling of Yb3+ in YAG, Journal of Alloys and Compounds, 1998, pp. 196-199.