Кристаллы квантовой и нелинейной оптики - Блистанов А.А.
ISBN 5-87623-065--0
Скачать (прямая ссылка):
4.2. КОРУНД С ТИТАНОМ
Монокристаллы АЬОз: Ti выращиваются методами Чохральского, направленной кристаллизации и методом Вернейля в восстановительной или защитной среде. Кристаллы, полученные методом Вернейля, обычно более неоднородны, напряжены и имеют большую плотность дислокаций. При выращивании методом направленной кристаллизации используются тигли из молибдена или вольфрама. Методом вертикальной направленной кристаллизации с затравкой удается получить совершенные кристаллы АЬОз : Ti достаточно высокого качества с содержанием ТЬОз от 0,099 до 0,24 % (масс.) [9]. Поскольку коэффициент распределения титана в корунде меньше
1
единицы, основной проблемой при выращивании AI2O3 : Ti методом направленной кристаллизации является оттеснение титана фронтом кристаллизации и связанные с этим явлением осевая концентрационная неоднородность и невозможность получения высоких концентраций активатора в кристалле. Осевая концентрационная неоднородность кристаллов AI2O3 : Ti приводит к осевой неоднородности поглощения [9] (рис. 4.3). Однородность кристаллов, выращиваемых методом Чохральского обычно выше, и при выращивании кристаллов с скоростями кристаллизации, меньшими чем 0,3 мм/ч, можно получить кристаллы с концентрацией Ti до 0,24 % (ат.).
Кристаллы АЬОз : Ti методом Чохральского выращиваются из иридиевых тиглей, в атмосфере азота с примесью 1 % (об.) водорода со скоростью вытягивания до 0,35 мм/ч и скоростью вращения порядка 5 об/мин. Направлением роста обычно выбирается направление <001>. Отжиг кристаллов проводится в вакууме или аргоне при 1940 °С. Охлаждение кристаллов может идти со скоростью от 10 град/ч при высоких температурах до 200 град/ч при температурах, приближающихся к комнатной [10]. При концентрации Ti, превышающей 0,1 %, потери на поглощение в диапазоне длин волн лазерной генерации становятся неприемлемо большими, так что наиболее высокие генерационные характеристики достигаются при концентрации Ti около 0,1 % (ат.). Схема энергетических уровней иона Ti3+ приведена в гл. 2 (см. рис. 2.15). Лазерная генерация может быть получена на оптических переходах 2Eig -> 2Tg. В этих переходах сильно проявляется электронно-колебательное взаимодействие, поэтому в оптических спектрах наблюдается значительный стоксовский сдвиг: спектр люминесценции сдвинут относительно спектра поглощения на
300 нм в сторону длинных волн. Из-за сильного взаимодействия электронов с колебаниями решетки линия люминесценции Ti3+ очень широкая (0,6... 1,0 мкм). Генерация на переходах иона Ti3+ может быть получена при ламповой и лазерной (лазеры аргоновый и ИАГ: Nd) накачке. С помощью селективных резонаторов можно обеспечить перестройку излучения лазера АЬОз : Ti в интервале длин волн 0,6... 1,0 мкм. Некоторые оптические характеристики корунда с титаном приведены ниже:
К, сп'1
Рис. 4.3. Зависимость коэффициента К поглощения корунда с титаном на длине волны 490 нм от расстояния между образцом и затравкой
100
Время жизни х в метастабильном состоянии 2Е при Т = 300 К, мкс..................3,0
Эффективное сечение (о) лазерного перехода, см2, в направлении:
оси с...............................................3,2 ± 0,3 • 10~19
оси а...............................................1,7 ± 0,2 • 10~19
Пик поглощения, нм..............................................................490
Область накачки, нм.......................................................400...600
Пик люминесценции, нм...........................................................790
Область люминесценции (область перестройки), им..........................600... 1000
Поглощение в корунде с титаном характеризуется широкой полосой в области 400...600 нм, являющейся суперпозицией двух полос с максимумами при 490 нм (2076 см-') и при 550 нм (17987 см1) и шириной полос 1295 и 921 см1 соответственно.
Корунд - анизотропный кристалл, и оптические спектры Ti3+ в корунде поляризованы. Поглощение и люминесценция света с необыкновенной поляризацией (вдоль оси С) в два раза выше, чем поглощение света с обыкновенной поляризацией. Основной проблемой при создании лазеров на корунде с титаном является проблема поглощения в красной и ближней ИК-обласги спектра, т.е. в области генерации перестраиваемого лазера. Это поглощение связывается с комплексами, которые могут образовывать ионы титана и собственные точечные дефекты корунда [10].
Присутствие дефектов вблизи иона Ti3+ смещает З^-уровни титана, изменяет расстояние между 2Т и 2Е состояниями, что должно приводить к повышению поглощения в области длинных волн. Рост ИК-поглощения при отжиге кристаллов в присутствии кислорода и снижение поглощения в результате восстановительного отжига [10] свидетельствуют о том, что к росту ИК-поглощения приводит присутствие в кристалле четырехвалентного титана.
Коэффициент поглощения корунда с титаном в ближней ИК-обласги спектра (Km) и коэффициент поглощения иона Ti3+ (АТ490) связаны зависимостью (рис. 4.4)
1§(АГик)/1§(АГ49о) = 2.
Эта зависимость указывает на то, что ИК-поглощение связано с центрами, число которых пропорционально квадрату концентрации ионов Ti3+, определяющих поглощение при 490 нм. Это может означать, ЧТО В СОСТаВ центров, рис. 4.4. Связь поглощения на длине волиы 490 определяющих ИК-ПОГЛОЩе- ИМ (Kt90) и в ближией ИК-области спектра (Ки*) ние, кроме ИОНОВ Ti4+, КОН- кристаллов корунда с титаном [10]
