Определение концентрации ионов Tm³⁺ и Ho³⁺ в стеклянной и кристаллической фазах в оксифторидной стеклокерамике в результате анализа спектров поглощения

Оптическая стеклокерамика на основе оксифторидных стёкол, активированная ионами редкоземельных элементов, обладает привлекательными свойствами для разработки лазеров и усилителей в ближней инфракрасной области спектра, так как сочетает в себе свойства фторидных кристаллов с низкими частотами фононов и химические и механические свойства оксидных матриц. В стеклокерамических материалах спектроскопические свойства ионов-активаторов в кристаллической и стеклянной фазах могут иметь существенные различия. В этом случае спектральные методы исследования позволяют установить в какой степени примесные ионы распределяются между этими фазами. Целью данной работы являлась разработка спектрального метода определения концентрации ионов тулия и гольмия в кристаллической, PbF₂, и стеклянной фазах стеклокерамик, полученных при вторичной тепловой обработке оксифторидных стёкол, активированных ионами Tm³⁺ и соактивированных ионами Tm³⁺ и Ho³⁺. В работе изучались спектроскопические характеристики оксифторидных стёкол, активированных ионами Tm³⁺ и соактивированных ионами Tm³⁺ и Ho³⁺, а также стеклокерамик, полученных из исходных стёкол в результате вторичной термообработки. Методами рентгенофазового анализа установлено, что при определённых условиях термообработки в них образуется кристаллическая фаза β-PbF₂. Проведено сравнение спектров поглощения и и люминесценции примесных ионов Tm³⁺ и Ho³⁺в исходном стекле, в кристаллах β-PbF₂ с их спектрами в стеклокерамике, и на основе этого предложен метод определения концентрации ионов в кристаллической и стеклянной фазах. Изучена зависимость распределения ионов Tm³⁺ и Ho³⁺ между стеклянной и кристаллической фазами в зависимости от режима вторичной термообработки стёкол.

1. Hayashi H, Hanada T. 1.4 µm band emission properties of Tm3+ ions in transparent glass ceramics containing PbF2 nanocrystals for S-band amplifier. Journal of Applied Physics. 2001;89(2):1041-1045. DOI: 10.1063/1.1335645

2. Tick PA, Borrelli NF, Cornelius LK, Newhouse MA. Transparent glass ceramics for 1300 nm amplifier applications. Journal of Applied Physics. 1995;78(11):6367-6374. DOI: 10.1063/1.360518

3. Goncalves MC, Santos LF, Almeida RM. Rareearth-doped transparent glass ceramics. Comptes Rendus Chimie. 2002;5(12):845-854. DOI: 10.1016/S1631-0748(02)01457-1

4. Tick PA, Borrelli NF, Reaney IM. The relationship between structure and transparency in glass-ceramic materials. Optical Materials. 2000;15(1):81-91. DOI: 10.1016/S0925-3467(00)00017-3

5. Mattarelli M, Tikhomirov VK, Seddon AB, Montagna M, Moser E, Chiasera A, Chaussedent S, Nunzi Conti G, Pelli S, Righini GC, Zampedri L, Ferrari M. Tm3+-activated transparent oxy-fluoride glass-ceramics: structural and spectroscopic properties. Journal of Non-Crystalline Solids. 2004;345&346:354-358. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2004.08.043

6. De Pablos-Martin A, Patzig C, Hoche T, Duran A, Walsh BM, Barnes NP, Reichle DJ, Jiang S. Optical properties of Tm3+ ions in alkali germanate glass, Journal of Non-Crystalline Solids. 2006;352:5344-5352. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2006.08.029

7. 7. . Hirao K, Tanaka K, Makita M, Soga N. Preparation and optical properties of transparent glassceramics containing βPbF2:Tm3+. Journal of Applied Physics. 1995;78:3445-3450. DOI: 10.1063/1.359975

8. Tikhomirov VK, Furniss D, Seddon AB, Reaney IM. Beggiora M, Ferrari M, Montagna M, Rolli R. Fabrication and characterization of nanoscale, Er3+-doped, ultratransparent oxy-fluoride glass ceramics. Applied Physics Letters. 2002;81(11):1937-1939. DOI: 10.1063/1.1497196

9. Samson BN, Tick PA, Borrelli NF. Efficient neodymium-doped glass-ceramic fiber laser and amplifier. Optics Letters. 2001;26(3):145-147. DOI: 10.1364/OL.26.000145

10. Vilejshikova EV, Loiko PA, Rachkovskaya GE, Zakharevich GB, Yumashev KV. Up-conversion luminescence in oxyfluoride glass-ceramics with PbF2:(Yb3+, Eu3+, RE3+) (RE = Tm, Ho, OR Er) nanocrystals. Journal of Applied Spectroscopy. 2016;83(5):723-729. DOI: 10.1007/s10812-016-0354-6

11. Yasukevich AS, Kuleshov NV, Rachkovskaya GE, Zakharevich GB, Trusova EE. The entry of thulium ions into the crystalline and glass phases in oxyfluoride glass ceramics, Proceedings of the 13th International Scientific and Technical Conference, Instrument Engineering 2020, Minsk, November 18-20, 2020. Belarusian National Technical University; editor: O.K. Gusev [and others]. Minsk, 2020;334-336.

12. Demesh MP, Gusakova NV, Yasukevich AS, Kuleshov NV, Grigor`ev SV, Krot YA, Kosmyna MV, Shekhovtsov AN. Application of Fuchtbauer-Ladenburgh equation and reciprocity method for determination of emission cross sections of Nd doped laser media. Devices and Methods of Measurements. 2015;6(2):211-219. (In Russ.).

13. Walsh BM, Barnes NP, Reichle DJ, Jiang S. Optical properties of Tm3+ ions in alkali germanate glass, Journal of Non-Crystalline Solids. 2006;352:5344-5352. DOI: 10.1016/j.jnoncrysol.2006.08.029

14. Seshadri M, Ferencz Junior JAP, Ratnakaram YC, Barbosa LC. Spectroscopic properties of Ho3+, Tm3+ and Ho3+/Tm3+ doped tellurite glasses for fiber laser applications. Fiber Lasers XI: Technology, Systems, and Applications. 2014;8961, 896139 (pp. 1-10). DOI: 10.1117/12.2036876

15. Yin JG, Hang Y, He XH, Zhang LH, Zhao CC, Ma E, Gong J, Zhang PG. Transition intensities and excited state relaxation dynamics of Tm3+ in Tm:PbF2 crystal. Laser Physics. 2012;22(3):609-613. DOI: 10.1134/S1054660X12030279

16. Li Y, Zhao L, Fu Y, Shi Y, Zhang X, Yu H. Cubic to tetragonal phase transition of Tm3+ doped nanocrystals in oxyfluoride glass ceramics. AIP Advances. 2016;6:025001 (pp. 1-7). DOI: 10.1063/1.4941442

17. Zhang P, Yin J, Zhang B, Zhang L, Hong J, He J, Hang Y. Intense 2.8 μm emission of Ho3+ doped PbF2 single crystal. Optics Letters. 2014;39(13):3942-3945. DOI: 10.1134/S1054660X12030279

18. Zhang P, Wan Y, Yin J, Zhang L, Liu Y, Hong J, Ning K, Chen Z, Wang X, Shi C, Hang Y. Low-phonon PbF2:Tm3+-doped crystal for 1.9 µm lasing. Laser Physics Letters. 2014;11:115802 (5 pp.) DOI: 10.1088/1612-2011/11/11/115802

19. Zhang P, Zhang L, Hong J, Wang Y, Chen G, Chen Z, Wang X, Shi C, Hang Y. Spectroscopic properties of Ho3+-doped PbF2 single crystal for 2 µm lasers. Optical Materials. 2015;46:389-392. DOI: 10.1016/j.optmat.2015.04.053

20. Yasukevich AS, Rachkovskaya GE, Zakharevich GB, Trusova EE, Kornienko AA, Dunina EB, Kisel VE, Kuleshov NV. Spectral-luminescence properties of oxyfluoride lead-silicate-germanate glass doped with Tm3+ ions. Journal of Luminescence. 2021;229:117667(1- 8). DOI: 10.1016/j.jlumin.2020.117667

21. Kolda TG, Lewis RM, Torczon V. Optimization by Direct Search: New Perspectives on Some Classical and Modern Methods, SIAM REVIEW. 2003;45(3):385- 482. DOI: 10.1137/S0036144502428893

22. Dyussembekova S, Trusova E, Kichanov S, Podbolotov K, Kozlenko D. A Study of PbF2 Nanoparticles Crystallization Mechanism in Mixed Oxyde-Fluoride Glasses, Ceramics. 2023;6:1508-1516. DOI: 10.3390/ceramics6030093