Nonlinear excitation of luminescence of wide-gap crystals by femtosecond laser emission

V. I. Baryshnikov; Барышников В. И.; O. V. Goreva; Горева О. В.; T. А. Kolesnikova; Колесникова Т. А.; O. L. Nikonovich; Никонович О. Л.; Yu. A. Murzina; Мурзина Ю. А.

doi:10.31857/S0367676524070029

Nonlinear excitation of luminescence of wide-gap crystals by femtosecond laser emission

Authors: Baryshnikov V.I.¹, Goreva O.V.¹, Kolesnikova T.А.¹, Nikonovich O.L.¹, Murzina Y.A.¹
Affiliations:
1. Irkutsk State Transport University
Issue: Vol 88, No 7 (2024)
Pages: 1011-1015
Section: Luminescence and Laser Physics
URL: https://journal-vniispk.ru/0367-6765/article/view/279436
DOI: https://doi.org/10.31857/S0367676524070029
EDN: https://elibrary.ru/PCYPWF
ID: 279436

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The features of nonlinear excitation of photoluminescence of wide-gap crystals by femtosecond laser emission have been studied. It has been established that during multiphoton ionization of the intrinsic substance of crystals, the excitation of intrinsic 2pO^2– valence photoluminescence has a long-wave threshold. The photoluminescence yield of impurities, excited by the capture of induced band electrons and holes during the nonlinear ionization of a substance, reaches saturation with increasing intensity of femtosecond laser pulses.

Keywords

femtosecond Ti: Al_{2O₃ laser}, multiphoton ionization of crystals, cerium photoluminescence, valence 2рО²⁻ luminescence

Full Text

Введение

Интенсивное фемтосекундное лазерное облучение широкозонных особо чистых и номинальной чистоты кристаллов: H₂O; Al₂O₃; SiO₂; YAlO₃; Y₃Al₅O₁₂; Ti: BeAl₂O₄; MgSiO₅и др. сопровождается 2рО^2– валентной фотолюминесценцией (ФЛ) собственного вещества [1, 2] и ФЛ примесных ионов металлов редкоземельной и переходной группы [3, 4]. Основой электронно-дырочных механизмов возбуждения указанной ФЛ является нелинейная ионизация собственного вещества при взаимодействии плотного фемтосекундного лазерного излучения с кристаллами [5—7]. Данный подход нелинейного фемтосекундного лазерного возбуждения ФЛ в широкозонных радиационно стойких кристаллах по уровню ионизации собственного вещества близок к воздействию сильноточных наносекундных электронных пучков [8]. Поэтому исследования особенностей нелинейного фемтосекундного лазерного возбуждения ФЛ указанной группы кристаллов, легированных ионами металлов редкоземельной и переходной группы, актуальны, как для разработки лазерных сред [9, 10] и элементов светодиодных излучателей [11, 12], так и кристаллических импульсных преобразователей рентгеновского изображения и сцинтилляторов [13].

Фемтосекундное лазерное возбуждение кристаллов позволяет выявить кинетику формирования возбужденных состояний собственных и примесных ионов и их короткоживущие зарядовые состояния [8]. Вместе с тем, для изучения фундаментальных особенностей нелинейного взаимодействия интенсивного фемтосекундного лазерного излучения с кристаллами необходимы исследования пороговых условий многофотонной ионизации собственного вещества, при которых возможно возбуждение собственной 2рО^2– ФЛ. Кроме того, представляет значительный интерес возможность достижения ~ 100 % возбужденного состояния примесного состава в зависимости от частоты следования фемтосекундных импульсов и времени жизни ФЛ примесей.

Объекты, методы и техника эксперимента

В экспериментах использовали полированные монокристаллы (10×5×5 мм): особо чистые Al₂O₃ (примесей < 10^–7 вес. %); номинальной чистоты(~ 10^–5 вес. %) — Y₃Al₅O₁₂; YAlO₃. Для сравнения были измерены спектры ФЛ таких же по размерам монопримесных кристаллов Ce: YAlO₃(Ce³⁺ 0.1 вес. %) и Ce: Y₃Al₅O₁₂ (Сe³⁺ 0.1 вес. %).

Собственную 2рО^2– ФЛ и ФЛ примесей исследовали в режиме нелинейного возбуждения второй гармоникой фемтосекундного (50 фс) перестраиваемого (360—440 нм) Ti: Al₂O₃ лазера TIF-50. Спектральные и временные параметры фемтосекундных лазерных импульсов контролировали соответственно с помощью спектрометра ASP-100M и автокоррелятора на основе прецизионного интерферометра Майкельсона. Работой спектрометра и интерферометра управляли посредством специального программного обеспечения.

Прецизионная система юстировки широкополосного сферического зеркала и продольного перемещения исследуемого кристалла обеспечивала плавную регулировку интенсивности в кристалле лазерного фемтосекундного пучка, вплоть до области гауссовой перетяжки. Импульсная интенсивность лазерного излучения находилась в диапазоне значений 0.02—2.5 ГВт·см^-².

Фемтосекундные лазерные импульсы посредством юстировочной системы, направляли на торцевую поверхность кристалла под углом полного внутреннего отражения. С противоположной поверхности кристалла излучение фемтосекундного лазера прошедшее кристалл направляли через кварцевую призму на два p-i-n фотодиода (S1722-О1, Hamamatsu) с двухканальным осциллографом Tektronix TDS3032B. Синхронное измерение одноимпульсных спектров ФЛ выполняли под углом 90° к оси лазерного луча в кристалле. Одноимпульсные спектры регистрировали системой, состоящей из спектрографа МДР-4, стробируемого с наносекундным разрешением микроканальный электронно-оптический преобразователя (ЭОП), импульсной ПЗС-матрица с объективом и модуля микропроцессорного управления, контроля и передачей данных. ЭОП запускается через быстродействующий цифровой блок задержки с наносекундной точностью по фронту лазерного импульса. Выбор оптимальной чувствительности импульсной ЭОП-ПЗС-системы обеспечивался специальным программным обеспечением. Спектры стационарного оптического поглощения были измерены спектрометром PerkinElmer при 300 К.

Наносекундная фотопроводимость кристаллов при многофотонном возбуждении собственной 2рО^2– ФЛ и ФЛ примесей измерена по методике, подробно изложенной в работе [8].

Результаты экспериментов и их обсуждение

В кристаллах номинальной чистоты Y₃Al₅O₁₂ (Сe³⁺~ 10^–5 вес. %), возбуждаемых излучением 2ω: Ti: Sp лазера (50 фс, 390 нм, 100 МВт·см⁻²) вне полосы поглощения ионов Сe³⁺ при экспозиции спектрографа 150 нс и синхронным наблюдением в каналах p-i-n фотодиодов установлено, что ФЛ УФ полосы (325—425 нм, λ_m = 370 нм) затухает при 300 К с τ < 1 нс, а в спектральном диапазоне излучения (480—675 нм, λ_m = 530 нм) наблюдается спектр ФЛ с τ = 125 нс (рис. 1). Согласно предварительным данным, полосу ФЛ при 530 нм с τ = 125 нс можно отнести к излучению ионов Се³⁺. Для проверки, в этих же условиях эксперимента, использован кристалл Ce: Y₃Al₅O₁₂ легированный церием (Сe³⁺ 0.1 вес. %). В данном эксперименте наблюдается интенсивная полоса ФЛ Сe³⁺ с λ_m = 530 нм и τ = 125 нс. Полученный результат позволяет отнести данную полосу ФЛ к излучению ионов Се³⁺ (5d-4f электронные переходы).

Рис. 1. Спектрограмма (а) и одноимпульсный спектр ФЛ Ce³⁺ и валентной 2pO^2– ФЛ в номинальной чистоты кристаллах Y₃Al₅O₁₂ при 300 K (б). Возбуждение 2ω: Ti: Sp лазера: λ = 390 нм; 50 фс; 0.1 ГВт·см^–2. Регистрация: задержка 5 нс, экспозиция 100 нс. Стационарный спектр оптического поглощения (в).

Ранее нами установлено, что при внутрицентровом возбуждении ионов Се³⁺ в кристаллах Y₃Al₅O₁₂ время затухания ФЛ составляет 60 нс, а при последовательном захвате ионами Се³⁺ наведенных при ионизации собственного вещества зонных дырок (h) и электронов (е) возникает ФЛ с τ = 125—140 нс [14]. Таким образом, в номинально чистых кристаллах Y₃Al₅O₁₂ возбуждение наблюдаемой ФЛ с полосой при 530 нм и τ = 125 нс происходит путем захвата наведенных зонных дырок и электронов в результате трехфотонной ионизации собственного вещества согласно неравенству 3hν = 9.5 эВ > E_g = 6.5 эВ, где E_g — ширина запрещенной зоны.

Как отмечено выше, в кристаллах номинальной чистоты Y₃Al₅O₁₂ синхронно с полосой ФЛ при 530 нм зарегистрирована малоинерционная ФЛ в полосе при 370 нм (рис. 1) с τ < 1 нс (рис. 2). Данный вид люминесценции нельзя отнести к излучению примесных дефектов в кристалле Y₃Al₅O₁₂, поскольку выход этой ФЛ и время затухания не зависят от температуры в диапазоне 78—900 К. Идентичные особенности малоинерционной 2рО^2– ФЛ в полосе 390 нм с τ < 1 нс наблюдаются в ходе трехфотонного возбуждения излучением 4ω: Ti: Sp лазера (100 фс; 210 нм; 1.0 ГВт·см^–2) при 78—900 К особо чистых кристаллов Al₂O₃ [1]. Сравнение полученных результатов указывает на принадлежность независящей от температуры малоинерционной (τ < 1) ФЛ в полосе при 370 нм к валентной 2рО^2– ФЛ при возбуждении кристаллов Y₃Al₅O₁₂ в режиме трех фотонной ионизации собственного вещества.

Рис. 2. Осциллограмма импульсов ФЛ номинальной чистоты кристаллов Y₃Al₅O₁₂ при 300 K: валентной 2pO^2– в полосе при 380 нм (1) и Ce³⁺ при 530 нм (2), возбуждаемой излучением 2ω: Ti: Sp лазера (400 нм; 50 фс; 80 МГц; 0.1 ГВт·см^–2).

Распределение плотности состояний валентной зоны для оксидных соединений с решеткой класса NaCl имеет типичную структуру, состоящую из двух слегка перекрывающихся полос (подзон) [15, 16]. Энергетическое распределение плотности состояний 2рО^2– валентной зоны кристалла Al₂O₃согласуются со спектральными параметрами малоинерционной ФЛ, возбуждаемой фемтосекундными импульсами 2ω: Ti: Sp лазера (50 фс; 360 нм; 1.5 ГВт·см^-²) в режиме четырехфотонной ионизации собственного вещества (рис. 3). Приведенный на рис. 3 нелинейный механизм возбуждения валентной 2рО^2– ФЛ в особо чистом кристалле Al₂O₃ показывает, что должна быть длинноволновая граница нелинейного возбуждения 2рО^2– валентной ФЛ. В эксперименте при сохранении исходной интенсивности 1.5 ГВт·см^-² зарегистрирован длинноволновый порог четырех фотонного возбуждения УФ валентной 2рО^2– ФЛ равный 13.0 эВ (рис. 3). При измерении четырех фотонного спектра возбуждения в спектральном интервале 11.0—13.8 эВ регистрировали импульсный ток фотопроводимости. В кристаллах Y₃Al₅O₁₂ и YAlO₃ длинноволновый порог трехфотонного возбуждения УФ валентной 2рО^2– ФЛ соответственно равен 9.5 эВ и 10.0 эВ.

Рис. 3. Спектрограмма (1) и спектр (2) валентной 2pO^2– ФЛ особо чистого кристалла Al₂O₃ при четырехфотонном возбуждении излучением 2ω: Ti: Al₂O₃лазера (50 фс; 360 нм; 1.5 ГВт·см^–2). Регистрация: задержка 5 нс, экспозиция 10 нс. Спектр четырехфотонного возбуждения 2pO^2– ФЛ (3). Слева структура валентной 2pO^2– зоны и механизм нелинейного возбуждения 2pO^2– валентной ФЛ.

Выход ФЛ валентной 2pO^2– в кристаллах номинальной чистоты Y₃Al₅O₁₂ и YAlO₃ с увеличением интенсивности лазерного возбуждения растет с кубической закономерностью. При этом выход ФЛ примесных ионов Се³⁺ от кристалла к кристаллу имеет разный уровень насыщения (рис. 4). Это означает, что при частоте следования фемтосекундных лазерных возбуждающих импульсов (80 МГц), когда интервал между импульсами ~ 12 нс << τ = 125 нс ФЛ Се³⁺ в Y₃Al₅O₁₂, основная доля ионов Се³⁺ находится в возбужденном состоянии, и рост ФЛ прекращается (рис. 3, 4).

Рис. 4. Зависимость выхода валентной 2pO^2– ФЛ в Y₃Al₅O₁₂ (1) и ФЛ Ce³⁺ в Y₃Al₅O₁₂ (2), Се: YAlO₃ (3) при 300 K от интенсивности возбуждения излучением 2ω: Ti: Sp лазера: λ = 360 нм, 50 фс. Кристаллы номинальной чистоты.

Таким образом, в номинальной чистоты широкозонных кислородсодержащих кристаллах под действием интенсивного излучения 2ω: Ti: Sp перестраиваемого лазера (50 фс, 360—440 нм, 50—500 МВт·см^-²) возбуждение ФЛ примесного состава происходит путем последовательного захвата зонных электронов и дырок наведенных в процессе нелинейной ионизации собственного вещества согласно неравенству nhν > E_g, где hν — энергия фотонов в лазерном импульсе; n = 3, 4. При частоте следования (80 МГц) возбуждающих фемтосекундных лазерных импульсов, когда интервал между импульсами T << τ_а, где τ_а — время жизни примеси в возбужденном состоянии, с увеличением интенсивности облучения выход ФЛ примесного состава достигает насыщения. Тогда, как выход 2pO^2– валентной ФЛ в указанных кристаллах с увеличением интенсивности фемтосекундного лазерного возбуждения растет с закономерностью nhν > E_g + E_b, где n = 3, 4; E_b — энергия длинноволнового порога возбуждения УФ валентной 2рО^2– ФЛ.