МОДЕЛІ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПЕРЕХОДІВ В ER³⁺ АКТИВОВАНИХ СКЛОПОДІБНИХ СПЛАВАХ СИСТЕМИ Ag_0,05Ga_0,05Ge_0,95S₂ – Er₂S₂

Протягом останніх років інтенсивно досліджуються сульфідні склоподібні сплави. Вони особливо цікаві для можливого застосування в фотонних пристроях, лазерах, підсилювачах світла, ап-конверторах і т. п.. В сульфідних стеклах поєднується низька енергія фотонів, широке вікно прозорості в видимому та інфрачервоному спектральному діапазоні, високий показник заломлення та порівняно висока розчинність рідкоземельних елементів в склоподібній матриці сплаву. Змінюючи компонентний склад скло утворюючої матриці, можна одержати середовище, яке для Er³⁺ іонів сприятиме підвищенню ефективності фотолюмінесценції (ФЛ).

Серед сульфідних стекол, які активовані ербієм, найбільше уваги приділяють дослідженню люмінесцентних властивостей системи Ge – S – Ga в спеціальному інтервалі 1,45 – 1,65 мкм. Під впливом середовища (скло утворюючої матриці) енергетичні рівні в 4f – оболонці іона ербію розщеплюються на сукупність підрівнів (Штарківське розщеплення), впливаючи як на ширину так і на інтенсивність люмінесценції. Змінюючи компонентний склад склоутворюючої матриці, можна одержати середовище, яке для Er³⁺  іонів сприятиме підвищенню ефективності фотолюмінесценції.

 Синтез сплавів проводиться з високочистих елементів (Ag – 99,997 мас.%,  Ga – 99,997 мас.%,  Ge – 99,997 мас.%, S – 99,999 мас.%) у вакуумованих ампулах, виготовлених з тонкостінного кварцового скла. З системи Ag_0,05Ga_0,05Se₂ + GeS₂ ↔ Ag_0,05Ga_0,05S₂ + GeSe₂ ми вибрали склоподібний Ag_0,05Ga_0,05Ge_0,95S₂, який характеризується найбільшим вікном прозорості, порівняно з іншими стеклами цієї системи [1].

При збудження склоподібних сплавів системи Ag_0,05Ga_0,05Ge_0,95S₂ – Er₂S₃ довжиною хвилі 980 нм виявлено фотолюмінесценцію в спектральному діапазоні 1450 – 1650 нм [2]. Цей процес можемо представити з допомогою наступної моделі енергетичних переходів:

Please use another browser to view content
Крім того, збудження цією довжиною хвилі дозволяє спостерігати випромінювання ФЛ у видимій ділянці спектр. Яскраве свічення зразків зеленого і червоно кольору, яке збуджувалося Інфрачервоним лазером (980 нм), можна було спостерігати неозброєним оком. Дослідження спектрів ФЛ в діапазоні 400-900 нм виявили смуги випромінювання, що відповідають таким максимумами: 525, 660, 860 нм. Максимуми відповідають переходу іона Er³⁺  в основний стан, а саме: Please use another browser to view content . Поглинання, та випромінювання світла добре демонструють наступні моделі енергетичних переходів:

Please use another browser to view content

Please use another browser to view content

Як бачимо, перехід ²H_11/2 →⁴I_15/2 відбувається із поглинанням двох фотонів із довжиною хвилі світла 980 нм. Всі вказані моделі енергетичних переходів відповідають переходам іона Er³⁺ в основний ⁴I_15/2 стан. Проте випромінювання із максимумом 860 нм, згідно із діаграмою енергетичних рівнів в іоні Er³⁺, не може бути представлений як перехід в основний стан. Вважаємо, що такий перехід може відбуватись згідно із наступними моделями:

Please use another browser to view content

або за моделлю, яка включає декілька безвипромінювальних релаксацій до нижчого енергетичного рівня:

Please use another browser to view content Please use another browser to view content

Ми надаємо перевагу останній моделі, оскільки час життя носія на рівні ⁴I_13/2  на два порядки перевищує час життя на рівні ⁴I_11/2  . Тому ймовірність поглинання фотона ℏυ₁₅₄₀  на рівні ⁴I_13/2   набагато вища як ймовірність поглинання ℏυ₉₈₀  на рівні ⁴I_11/2  .

Вказані моделі енергетичних переходів дозволять краще зрозуміти механізми  випромінювальної рекомбінації стекол, які активовані рідкоземельними іонами при створенні активних середовищ в оптичних підсилювачах та мікролазерах.

 

Список літератури

1. Halyan V.V. Glass formation region and X-ray analysis of the glassy alloys in AgGaSe2+GeS2<=>AgGaS2+GeSe2 system / Sem. phys, quantelect. and optoelect./ V.V. Halyan, M.V. Shevchuk, G.Ye. Davydyuk, S.V. Voronyuk, A.H. Kevshyn, V.V. Bulatetsky. – 2009. - Vol.12, №2. - P. 138-142.
2. Halyan V.V. Photoluminescence in Er-doped AgGaS₂–GeS₂ glasses / Phys. Status Solidi C./ V.V. Halyan, A.H. Kevshyn, Yu.M. Kogut, G.Ye. Davydyuk, M.V. Shevchuk, V. Kažukauskas, A. Ziminskij. – 2009. - Vol.6, №12, - P. 2810–2813.