Download Slide 1 - Lasers, Optoelectronics, Optoelectronic materials, Papers

Zakład Optoelektroniki IF PS
dr hab. inż. Prof. PS - Sławomir M. Kaczmarek
1. Scyntylatory
Materiały scyntylacyjne wytwarzane w PSz: BGO – wzorcowy
materiał scyntylacyjny.
Metoda
Czochralskiego
BGO
„PSz K05002 pixel (2*2*10 mm):
poziomo LYhor = 828 phe/MeV
pionowo LYver = 404 phe/MeV
zdolność rozdzielcza własna R0 = 8.59 %
własna wydajność scyntylacji LY0 = 1084 phe/MeV
współczynnik strat absorpcyjnych m = 1.16 cm-1
PML BGO Photonic Materials N13363-8 pixel (2*2*10 mm):
poziomo LYhor = 847 phe/MeV
pionowo LYver = 471 phe/MeV
własna wydajność scyntylacji LY0 = 1057 phe/MeV !!! (brawo dla PSz!!!)
współczynnik strat absorpcyjnych mi = 0.90 cm-1 (tym oni górują)
Krótko komentując, wynik kryształu ze Szczecina w geometrii pionowej (a
to nas najbardziej interesuje z punktu widzenia zastosowań takich jak PET)
jest bardzo dobry, lepszy niż BGO Photonic Materials” – dr Winicjusz
Drozdowski, Zakład Optoelektroniki, Uniwersytet im. M. Kopernika, Toruń”
2. Monokryształy nieliniowe
Langesity: LGT, LGT:Yb, Ho, LGT:Co
Czteroboran litu: LBO, LBO:Co, LBO:Mn
Przetwornik na drugą harmoniczną lasera Nd:YVO4 (1.06 mm)
o sprawności >30% i o wymiarach: 3*3*18 mm wykonany z
nieliniowego monokryształu Li2B4O7
1. D. Piwowarska, S.M. Kaczmarek, W. Drozdowski, M. Berkowski, A. Worsztynowicz, "Growth and
optical properties of Li2B4O7 single crystals pure and doped with Yb, Co, Eu and Mn ions for
nonlinear applications", Acta Phys. Pol. A, 107 (2005) 507-516
2. R. Wyrobek, „Przetwornik na wyższe harmoniczne lasera Nd:YAG na bazie Li2B4O7”, praca
magisterska, promotor S.M.Kaczmarek
3. B. Felusiak, „Liniowe i nieliniowe właściwości dielektryczne monokryształów Li2B4O7”, praca
magisterska, promotor S.M. Kaczmarek
4. D. Piwowarska, Rozprawa doktorska, Szczecin 2005, promotor S.M. Kaczmarek
Nieliniowy monokryształ SrxBa1-xNb2O6: Cr – materiał fotorefrakcyjny, relaksor:
zapis holograficzny, piezotechnika, optyka nieliniowa (mieszanie fal)
3. Analiza centrów barwnych w monokryształach fluorków:
CaF2, LiLuF4, LiYF4, BaY2F8, KY3F10 domieszkowanych Yb3+
1. S.M. Kaczmarek, A. Bensalah, G. Boulon, "G-ray induced color centers in pure and Yb doped LiYF4 and LiLuF4 single
crystals”, Optical Materials, 28/1-2 (2006) 123-128 (1.339)
2. S.M. Kaczmarek, T. Tsuboi, M. Ito, G. Boulon, G. Leniec, "Optical study of Yb3+/Yb2+ conversion in CaF2 crystals",
Journal of Physics: Condensed Matter, 17 (2005) 3771-3786 (2.049)
3. G. Leniec, S.M. Kaczmarek, G. Boulon, "EPR and optical properties of CaF2:Yb single crystals", Proc. SPIE,
vol. 5958 (2005), pp. 531-540
Monokryształy CaF2, LiLuF4, LiYF4, BaY2F8, KY3F10 domieszkowane Yb3+ wykonane zostały we Francji w celu zastosowania ich
jako matryce laserowe (i/lub materiały scyntylacyjne) generujące promieniowanie IR o dużej energii (koncentracja Yb aż do 30%).
Wykorzystując badania spektroskopowe (absorpcja, fotoluminescencja, termoluminescencja) oraz EPR przeprowadzono analizę
wpływu promieniowania gamma na właściwości optyczne monokryształów fluorków domieszkowanych iterbem. Pokazano, że
oprócz centrów barwnych typu F, Vk promieniowanie gamma wymusza zjawisko konwersji Yb 3+/Yb2+. W efekcie powstają dwa
rodzaje centrów Yb2+ (z uwagi na wysoką koncentracje Yb i występowanie par Yb3+-Yb3+ ): centra Yb2+ związane z Yb3+ (para) oraz
centra izolowane Yb3+. Wyższa koncentracja jonów iterbu obniża intensywność dodatkowej absorpcji centrum typu F co oznacza
współzawodnictwo tego centrum z jonami iterbu w wychwytywaniu elektronów comptonowskich (powstałych po naświetleniu kryształu kwantami gamma w efekcie zjawiska Comptona).
36
G
F
F
CaF2:Yb at 290K
32
3+
1: as-grown, Yb 5at%
3+
2: as-grown, Yb 0.5at%
3+
3: H2-annealed, Yb 5at%
4: DK
6
4
DK [1/cm]
4
D
C
2
4
200
B
300
400
500
600
700
800
4
400
1
x5
1
300
2
16
8
3
200
C
20
B
2
900 1000 1100
Wavelength [nm]
0
24
CaF2:Yb 5at.%
1-K
4
2 - DK g 10 Gy
5
3 - DK g 10 Gy
12
0
A
2
A
D
3
28
K, DK [1/cm]
-1
absorption coefficient (cm )
6
0
500
600
700
800
wavelength (nm)
900
1000
1100
200
250
300
350
Wavelength [nm]
400
450
4. Wzrost sprawności emisji monokryształów forsterytu
Mg2SiO4:Cr, po ich wygrzaniu w tlenie i naświetleniu
kwantami gamma
Cr (0.6wt.%): Mg2SiO4
1 - "annealed in O2"
Absorption coeffiicient [a.u.]
5
12
2 - g 10 Gy
3 - DK [1/cm]
1
8
2
8
4 - annealed in O2
Mg2SiO4 crystal
6
4
2
4
0
1000
2000
3000
4000
5000
Wavelength [nm]
S.M. Kaczmarek, W. Chen, G. Boulon, "Recharging processes of Cr
ions in Mg2SiO4 and Y3Al5O12 crystals under influence of annealing
and g-irradiation", Cryst. Res. & Tech., 41 (1) (2006) 41-47
4
0
3
400
600
800
1000
1200
Wavelength [nm]
Cr(0.6%): Mg2SiO4
60000
5
80000
1 - lem=1160 nm after g 10 Gy
2 - lem=1200 nm
1
70000
EXCITATION [a.u.]
-4
200
EXCITATION [a.u.]
Absorption coefficient [1/cm]
16
Forsteryt – Mg2SiO4:Cr jest materiałem wykorzystywanym jako
matryca laserowa dla laserów przestrajalnych. Pokazano, że
kolejne procesy: wygrzanie w atmosferze utleniającej i
naświetlenie kwantami gamma dawką 1.2*105 Gy prowadzą do
wzrostu amplitudy wzbudzenia i emisji próbki forsterytu, a w
konsekwencji lasera. Przyczyną tego jest wzrost koncentracji
jonów Cr4+ oraz powstanie centrów barwnych, z których transfer
energii do poziomów wzbudzonych jonów Cr4+ podnosi inwersję
obsadzeń tych poziomów, w efekcie sprawność lasera.
60000
50000
2
40000
30000
Mg2SiO4:Cr 0.6%
1
5
1 - lem=870 nm after g 10 Gy
2 - lem=900 nm
50000
40000
30000
20000
2
20000
10000
10000
0
200
300
400
500
600
Wavelength [nm]
700
800
900
0
200
300
400
500
600
Wavelength [nm]
700
800
900
Influence of the annealing and g-irradiation on the absorption of YAG:Nd 1% crystal
2.0
0.75
2
1.5
YAG:Nd 1%
7
DK [1/cm]
1.0
3
0.00
4
255 nm
385 nm
300 nm
650 nm
-0.25
1
10
WTW WAT
1
-0.75
6
4 35
2
2
10
3
10
4
10
5
10
6
10
7
Gamma dose [Gy]
1
Oxygen atmosphere
2
3
4
1-10 Gy, 2-10 Gy, 3-10 Gy
5
6
7
4-10 Gy, 5-10 Gy, 6-10 Gy
o
7-1400 C 3h air
-0.5
-1.0
200
0.25
-0.50
0.5
0.0
DK [1/cm]
0.50
300
400
500
600
700
Wavelength [nm]
ICHTJ
800
900
1000
1100
Influence of the annealing and irradiation with protons of 20 MeV energy (cyclotron)
and electrons (acceler.) of 1 MeV energy on the absorption of YAG:Nd 1% crystal
Nd:YAG (1at.%) 20 MeV
3.0
1 - 258 nm
2 - 273 nm
3 - 352 nm
4 - 586 nm
2
2.5
2.0
1.5
DK [1/cm]
1
8
6
3
0
4
2
-1
1
-2
1.0
0.5
DK [1/cm]
7
1E13
5
3 4
2
1
4
0.0
1E14
1E15
1E16
Protons fluency [nm]
IPJ Świerk
5
12
-0.5
1
-1.0
3
2
-1.5
100
200
2
13
2
1 - 5*10 protons/cm , 2 - 3,5*10 protons/cm
14
2
15
2
3 - 1,35*10 protons/cm , 4 - 1,135*10 protons/cm
16
2
16
2
5 - 5*10 el./cm , 1 MeV, 6 - 1,1135*10 protons/cm
7 - 1673 K 3h air
300
400
500
600
700
800
Wavelength [nm]
900
1000
1100
1200
Influence of annealing (oxidizing and reducing atmospheres) and irradiation with
gamma quanta on the optical output of YAG:Nd pulsed lasers
120
60
1
Nd:YAG (L=45,63mm, =4mm)
50
o
1 - 1400 C 3h in air
3
2 - g 10 Gy
2
80
Optical output [mJ]
Optical output [mJ]
100
5
3 - g 10 Gy
o
4 - 1200 C N2+H2
5
5 - g 10 Gy
60
4
3
40
5
40
2
30
1
5
Nd:YAG (1at.%) - g 10 Gy
20
o
after anneal. at 1200 C 1h N2+H2
L=45,63mm,=4mm
pump of 25 J
10
20
0
0
0
10
20
30
Pump energy [J]
40
50
0
10
20
30
40
50
Pump pulses [number]
- All forms of the irradiations: exposure to 60Co gamma rays, over threshold electrons (1 MeV) and high energy
(20 MeV) protons and annealing in hydrogen create almost the same damage centers which reduce optical
output by absorbing of laser emission.
- Gamma irradiation lowers the slope efficiency of pulsed laser. After subsequent pulses the output energy of
the laser increases to the level, which comes out from the thermal equilibrium of rod being the heated by pumping
pulses, and, air cooled. This increase of the laser energy after subsequent pumping pulses suggests that UV
contained in the pump spectrum causes heating up the rod and accelerates those relaxation processes which
decrease the AA.
234
12
401
315
10
6
DK [1/cm]
5
8
2
4
2
4
1E14
3
1E15
1E16
Protons fluency [cm
-2]
YAlO3:Er (GGG:Er)
1
0
-2
YAP:Er_50%
5
g10 Gy
673 K 3h air
14
2
10 prot/cm
15
2
10 prot/cm
16
2
10 prot/cm
-4
-6
2
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
30
2
Gd3Ga5O12 (GGGC1)
gamma and protons
ABS AG
6
10 Gy
12
-2
10 cm
13
-2
5.56*10 cm
14
-2
1.556*10 cm
16
-2
10 cm
Wavelength [nm]
25
GGG
DK [1/cm]
-8
20
K, DK [1/cm]
DK [1/cm]
6
4
234 nm
315 nm
401 nm
8
15
1
0
l=440 nm
10
1E10
1E11
5
1E12
1E13
1E14
1E15
1E16
-2
Protons fluency [cm ]
0
Gd3Ga5O12
-5
-10
200
300
400
Wavelength [nm]
500
600
5
5
6
60
14
2
14
2
1-AG, 2-10 protons/cm , 3-2*10 protons/cm
15
2
16
2
4-1.2*10 protons/cm , 5-1.12*10 protons/cm
1
4
1
4
l=600 nm
2
2
8
40
6
4
3
500
600
700
800
900
20
DK [1/cm]
SGG:Cr
4
2
0
1E12
5
1
1E13
1E14
1E15
1E16
-2
Proton fluency [cm ]
0
3, 4
2
SrGdGa3O7:Cr
400
600
800
1000
Wavelength [nm]
LiNbO3:Cu (0.06 at.%)
a)
LN:Cu
1-absorption of "as grown" crystal
13
2
2-10 protons/cm
14
2
3-10 protons/cm
14
2
4-2*10 protons/cm
15
2
5-1.2*10 protons/cm
16
2
6-1.12*10 protons/cm
25
20
b)
15
1
12
l=450 nm
10
DK [1/cm]
-20
200
K, DK [1/cm]
K, DK [1/cm]
3
0
6
8
4
0
5
0
400
1E13
3
5
2
4
1E14
1E15
1E16
1
2, 3, 5
4
-2
Fluence [cm ]
500
600
700
800
Wavelength [nm]
900
1000
1100
Cu:LiNbO3 (0.06at.%)
Annealed
1013 prot cm-2
Cu:LiNbO3 (0.07at.%)
1015 prot cm-2
1013 prot cm-2
S.M. Kaczmarek, „Thermal and radiation stability of pure and doped with Cu, Fe and Cr ions lithium niobate single
crystals for optical applications”, Ferroelectrics, 256 (2001) 175
CONCLUSIONS
- For given growth conditions (growth method, purity of the starting material, growth atmosphere, technological
parameters) some definite sub-system of point defects appears in the crystal (e.g. active ions, vacancies,
antisite ions, active ions, uncontrolled and controlled impurities or interstitial defects). At the end of the growth it
is electrically balanced and is left in a metastable state. Some external factors, like irradiation or thermal
processing, may lead to the transition of this sub-system from one metastable state to another. During this
transition point defects may change their charge state.
- Irradiation can induce numerous changes in the physical properties of a crystal ar a glass. This may
originate from atomic rearrangements which take place powered by the energy given up when electrons and
holes recombine non-radiatively, or could be induced by any sort of radiation or particle bombardment capable
of exciting electrons across the forbidden gap Eg into the conduction band.
- Different type of treatments (annealing in reducing or oxidizing atmosphere, irradiation) differ in producing of
characteristic defects. They may be color centers, polarons, trapped holes, Frenkel defects, recharged active,
lattice or uncontrolled ions. In the absorption spectrum they may be observed even in infrared. The type of the
radiation defects arising in the crystal and glasses strongly depends on wether the material was obtained or
next annealed at oxidizing or reducing atmosphere
- Fluency dependence of the additional absorption exhibit characteristic shape with maximum at about 1014
protons/cm2, minimum at about 1015 protons/cm2 and further sharp rise for higher fluencies. Such nonmonotonic dependence is characteristic for color centers, rather than for Frenkel centers. For the latter ones, a
monotonic, linear with proton fluency dependence is seen. The probable reason of the decrease in the region
2*1014 -1015 protons/cm2 could be mutual interaction of the cascades from different proton trajectories.
- Irradiation and annealing treatments appear to be the effective tools of crystal change and
characterization. The observed in the absorption spectrum changes after ionizing radiation or annealing
treatment can have important influence on the performance of optoelectronic devices applied in e.g. outer
space. The obtained results point to the direct influence of color centers on the processes of inverse population
formation of many lasers.
Laserowa diagnostyka plazmy
Diagnostyka interferometryczna gęstości elektronów opiera się na pomiarze zmiany
współczynnika załamania przez swobodne elektrony w plaźmie – heterodynowy interferometr
laserowy (stellarator i tokamak).
Stellarator TJ-II (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas,
Madrid) – lasery CO2, l=10.6 mm oraz He-Ne, l=633 nm. Urządzenie wysokiej precyzji heterodynowy system elektronicznej detekcji fazy.
Tokamak Alcator C-mod (Plasma Science and Fusion Center, MIT, USA ) - laser Nd:YAG z
podwajaną częstotliwością (l1=1.064 mm i l2=0.532 mm) . Pomiar gęstości elektronów 3*1020
m-2 z rozdzielczością 1*1019 m-2.
GOTL – Optoelectronics and Laser Technology Group, Universidad Carlos III de Madrid
Reflektometria jako narzędzie diagnostyczne do określenia profili gęstości i fluktuacji w
plazmie. Pomiar temperatury elektronów 500-1000 eV z wykorzystaniem promieniowania Ka i
Kb. Lasery piko i femtosekundowe.
Investigation of ternary fluoride compounds (e.g. LiBaF3),
perspective as active storage – read out media for imaging
of slow neutron flux. The radiation energy detectors and
storage – read out materials. Composition and structure,
optical characteristics, accumulation kinetics of defects created
by X-ray and slow neutron irradiation; EPR, ODMR and MCD
spectroscopy of intrinsic and impurity defects; Composition,
time-resolved spectral characteristic of intrinsic and impurity
luminescence centres, their participation in electronic recombination processes;
Advanced thermoactivation spectroscopy of deep traps and decay of radiation defects starting
from 10 K; Photostimulated read-out of slow neutron or X- irradiation stored energy; Growth
and preparation of single ternary fluoride crystals. Investigation of metal ions in fusion
plasmas using emission spectroscopy
Optoelektronika w ITERZE
np. czujniki światłowodowe temperatury,
ciśnienia, naprężeń – temperatury pracy
>1000 oC
Skład grupy:
Prof. P.S. Dr hab. Inż. S.M. Kaczmarek
Prof. Dr Arlen Valozhyn (polimidy)
Dr Hubert Fuks
Dr Danuta Piwowarska
Mgr Adam Worsztynowicz
Mgr Grzegorz Leniec
Ewentualni partnerzy:
Grupa MOL
Hiszpania
Materiały do tokamaka:
Dr Rubel, Szwecja
Prof. Kurzydłowski, WIM PW Warszawa