Synthesis and spectroscopy of Tm,Ho-codoped Y$_{2}$O$_{3}$ transparent ceramics for $2$-$\mu$m lasers

[Синтез и спектроскопия прозрачных Y$_{2}$O$_{3}$ керамик, соактивированных Tm и Ho, для $2$-мкм лазеров]

Roman N. Maksimov^a, Vladislav A. Shitov^a, Vladimir V. Osipov^a, Albert N. Orlov^a, Ekaterina M. Buzaeva^b, Polina A. Ryabochkina^b, Aleksandr O. Ariskin<sup>b

a</sup> Institute of Electrophysics UrB RAS, Ekaterinburg, Russian Federation
^b National Research Mordovia State University, Saransk, Russian Federation

Аннотация: В данной работе были получены прозрачные керамические материалы на основе оксида иттрия, соактивированного тулием и гольмием (Tm,Ho:Y$_{2}$O$_{3}$), посредством твердофазного вакуумного спекания наноразмерных частиц со сложным химическим составом, синтезированных методом лазерной абляции. Синтезированный порошок представлял собой мягкие агрегаты, состоящие из отдельных сферических частиц диаметром $16$ нм, кристаллическая структура которых преобразовывалась из моноклинной (пространственная группа C2/m) в кубическую модификацию (пространственная группа Ia-3) в процессе спекания. Были изучены морфологические свойства и их корреляция с оптическим качеством керамик Tm,Ho:Y$_{2}$O$_{3}$, спечённых при температурах $1700$–$1775^\circ$ C. Образец, спечённый при $1750^\circ$ C, обладал более высокой прозрачностью ($81.6\%$ при $\lambda=600$ нм и $83.0\%$ при $\lambda=1000$ нм) и наименьшим содержанием рассеивающих центров $0.00014$ об.$\%$. Сечение поглощения при $797$ нм для перехода $^{3}$H$_{6}\rightarrow{}^{3}$H$_{4}$ ионов Tm$^{3+}$ составляло $4.44\times10^{-21}$ см$^{2}$. Широкая полоса люминесценции, наблюдаемая в диапазоне от $1750$ нм до $2100$ нм, обусловлена комбинацией процессов кросс-релаксации ионов Tm$^{3+}$ и безызлучательного переноса энергии с уровня $^{3}$F$_{4}$ (Tm$^{3+}$) на уровень $^{5}$I$_{7}$ (Ho$^{3+}$). Эти результаты указывают на перспективность использований прозрачных Tm,Ho:Y$_{2}$O$_{3}$ керамик в качестве активных сред для лазеров с широким диапазоном плавной перестройки и синхронизацией мод, генерирующих излучение в области $2$ мкм.

Ключевые слова: нанопорошок, сесквиоксид иттрия, оптическая керамика, микроструктура, содопирование, безызлучательный перенос энергии.

УДК: 538.9: 535.37

Получена: 02.11.2024
Исправленный вариант: 13.12.2024
Принята: 24.03.2025

Язык публикации: английский