Эффект насыщения времени затухания люминесценции возбуждённого уровня иона Yb3+ в оптической керамике из оксида иттрия с добавлением оксида циркония

Осипов В.В., Орлов А.Н., Лисенков В.В., Шитов В.А., Максимов Р.Н.

Ссылка для цитирования:

Осипов В.В., Орлов А.Н., Лисенков В.В., Шитов В.А., Максимов Р.Н. Эффект насыщения времени затухания люминесценции возбуждённого уровня иона Yb³⁺ в оптической керамике из оксида иттрия с добавлением оксида циркония // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 2. С. 13–20. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-02-13-20

Osipov V.V., Orlov A.N., Lisenkov V.V., Shitov V.A., Maksimov R.N. Saturation effect of the luminescence lifetime decay of the excited level of the Yb³⁺ ion in optical ceramics made of yttrium oxide with the addition of zirconium oxide [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 2. P. 13–20. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2026-93-02-13-20

Ссылка на англоязычную версию:

Аннотация:

Предмет исследования. Влияние толщины оптической керамики из Yb:Y₂O₃+ ZrO₂ на кинетику затухания люминесценции возбуждённого уровня ²F_5/2иона иттербия Yb³⁺. Цель работы. Установление закономерности в зависимости времени жизни люминесценции возбуждённого уровня иона Yb³⁺ в оптической керамике из оксида иттрия с добавлением оксида циркония от её толщины. Метод. Для экспериментальных исследований влияния толщины прозрачной керамики на её кинетику фотолюминесценции выбран клинообразный образец, что существенно упрощает исследование. Теоретическое обоснование полученных экспериментальных данных осуществлено на базе интегро-дифференциального уравнения Бибермана–Холстейна. Основные результаты. Экспериментально обнаружен эффект насыщения времени затухания фотолюминесценции оптической керамики из 5Yb:Y₂O₃+ ZrO₂ в зависимости от её толщины. Показано, что при толщине образца 1,2 мм достигается насыщение времени затухания излучения, которое составляет 1270 мкс. Представлено качественное объяснение эффекта насыщения излучения на основе интегро-дифференциального уравнения Бибермана–Холстейна. Практическая значимость. Выявлено насыщение времени затухания люминесценции возбуждённого уровня ²F_5/2иона иттербия Yb³⁺ в оптической керамике из 5Yb:Y₂O₃+ ZrO₂ в зависимости её толщины. Для получения высоких значений КПД (коэффициент полезного действия) лазерной генерации на оптической керамике из 5Yb:Y₂O₃+ ZrO₂рекомендуется выбирать образцы с толщинами, не приводящие к насыщению времени затухания люминесценции.

Ключевые слова:

пленение излучения, время жизни люминесценции, фотолюминесценция, кинетика затухания

Благодарность:

работа выполнена за счёт гранта Российского научного фонда № 24-19-20074, https://rscf.ru/project/24-19-20074/, при финансовой поддержке Правительства Свердловской области.

Коды OCIS: 300.0300

Список источников:

Krankel C. Rare-earth-doped sesquioxides for diode-pumped high-power lasers in the 1-, 2-, and 3-μm spectral range // J. of selected topics in quantum electronics. 2015. V. 2 № 1. P. 250. https://doi.org/10.1109/jstqe.2014.2346618
Liu W., Jin L., Wang S. The absorption and emission properties of highly transparent ZrO₂-doped Yb³⁺: Y₂O₃ ceramics // J. Am. Ceram. Soc. 2019. V. 10 № 9. P. 5020. https://doi.org/10.1111/jace.16476
Liu Z., Ikesue A., Li J. Research progress and prospects of rare-earth doped sesquioxide laser ceramics // J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. № 11. P. 3895. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.026
Kühn H., Fredrich-Thornton S.T., Krankel K., Peters R., Petermann K. Model for the calculation of radiation trapping and description of the pinhole method // Opt. Lett. 2007. V. 32. №13. P. 1908. https://doi.org/10.1364/OL.32.001908
Toci G., Alderighi D., Pirri A., Vannini M. Lifetime measurements with the pinhole method in presence of radiation trapping: II—Application to Yb³⁺ doped ceramics and crystals // Appl. Phys. B. 2012. V. 106. P. 73–79. https://doi.org/10.1007/s00340-011-4632-y
Курильчик С.В., Кисель В.Э., Кулешов Н.В., Павлюк А.А. Измерение времени затухания люминесценции ионов Yb³⁺ кристаллах Li₂Zn₂(MoO₄)₃ с использованием метода, устраняющего влияние перепоглощения излучения // Приборы и методы измерений. 2011. Т. 2. № 1. С. 59–63.

Kurilchik S.V., Kisel V.E., Kuleshov N.V., Pavlyuk A.A. Measurement of the luminescence decay time of Yb³⁺ ions in Li₂Zn₂(MoO₄)₃ crystals using a method that eliminates the influence of radiation reabsorption // Instruments and methods of measurements. 2011. V. 2. № 1. P. 59–63.

Осипов В.В., Платонов В.В., Шитов В.А., Максимов Р.Н. Высокопрозрачная керамика, приготовленная на основе нанопорошков, синтезированных в лазерном факеле. Часть 1. Особенности получения // Фотоника. 2017. Т. 67. С. 52–70. https://doi.org/10.22184/1993-7296.20167.7.52.70

Osipov V.V., Platonov V.V., Shitov V.A., Maksimov R.N. Highl- transparent ceramics prepared based on nanopowders synthesized in a laser torch. Part 1: Preparation features // Photonics. 2017. V. 67. P. 52–70. https://doi.org/10.22184/1993-7296.2017.67.7.52.70

Osipov V.V., Platonov V.V., Lisenkov V.V., Tikhonov E.V. Applying CO₂ and Ytterbium fiber lasers to high-performance production of refractory oxide nanopowders // Inorg. Mater. Appl. Res. 2022. V. 13. P. 674. https://doi.org/10.1134/S2075113322030285
Platonov V.V., Kochurin E.A., Osipov V.V., Lisenkov V.V., Zubarev N.M. Characteristic properties of laser ablation of translucent targets // Laser Phys. 2018. V. 28. № 7. P. 076002. https://doi.org/10.1088/1555-6611/aabdb4
Ямщиков В.М., Рогачев В.Г., Кудряшов Е.А., Качалин Г.Н. Перенос и пленение резонансного излучения в двухуровневой системе // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128. Вып. 8. С. 1160–1164. https://doi.org/21883/OS.2020.08.49714.318-19

Yamshchikov V.M., Rogachev V.G, Kudryashov E.A., Kachalin G.N. Transfer and trapping of resonance radiation in a two-level system // Optics and Spectroscopy. 2020. V. 128. № 8. P. 1182–1186. https://doi.org/10.1134/S0030400X20080391

Биберман Л.М., Воробьев В.С., Якубов И.Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 376 с.

Biberman L.M., Vorob'ev V.S, Yakubov I.T. Kinetics of nonequilibrium low-temperature plasmas. New York: Springer, 2012. 498 p.

Holstein T. Imprisonment of resonance radiation in gases // Phys. Rev. 1947. V. 72. № 12. P. 1212–1233.