Магнитооптические свойства оксидных стекол, активированных Pr и Dy тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.11, кандидат физико-математических наук Поцелуйко, Анатолий Михайлович

• Поцелуйко, Анатолий Михайлович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Поцелуйко, Анатолий Михайлович

Введение

Глава I. Эффект Фарадея и интенсивности электронных f-d и f-f переходов в ионах Рг3+ и Dy3+ в различных стеклянных матрицах

§1.1 Теория эффекта Фарадея в парамагнитных ионах

§1.2. ЭФ в стеклах, активированных РЗ элементами для f-d переходов

§1.3. ЭФ в области f-f переходов

§ 1.4 Интенсивность f-f полос поглощения РЗ ионов в стекле

Глава II. Методика измерений и образцы

§2.1. Методика измерения поглощения

§ 2.2. Методика измерения эффекта Фарадея

§ 2.3. Описание образцов

§ 2.4. Методика разложения спектров поглощения на составляющие

Глава III. Магнитооптические свойства стекол, активированных РгиБу

§3.1 Концентрационная зависимость ЭФ и поглощения в силикофосфатогерманатных стеклах, содержащих Рг

§3.2 Магнитооптические активности f-f переходов ионов

PrJ ,DyJT

3.2.1 Магнитооптические активности стекол на основе LiB

3.2.2 Магнитооптические активности f-f переходов для стекол, содержащих ионы Dy3+

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Магнитооптические свойства оксидных стекол, активированных Pr и Dy»

Интерес к изучению магнитооптических свойств стекол, активированных редкоземельными (РЗ) элементами, проявляется как из-за их широкого практического применения, так и с целью более глубокого познания свойств соединений РЗ элементов с помощью высокоинформативных магнитооптических методов. Изучение магнитооптического эффекта Фарадея (ЭФ), проведенное в некоторых системах стекол [1-11], выявило линейную зависимость его величины от концентрации РЗ иона и сложную зависимость от номера РЗ иона, которая, в целом, соответствует зависимости от номера РЗ иона магнитной восприимчивости, что было предсказано теоретически Ван Флеком и Хебом [3]. Наибольшие значения ЭФ наблюдались для стекол,

О г ^ I О О I О г активированных Се , Рг , N(1 , Бу и ТЬ . Подобные исследования явились основой многочисленных разработок магнитооптических изоляторов, модуляторов, вращателей и тому подобных элементов с использованием стекол, активированных РЗ элементами, главным образом, для видимого диапазона длин волн. В последние годы особенно актуальной стала проблема создания эффективных магнитооптических элементов для ультрафиолетового (УФ) и инфракрасного (ИК) диапазонов. Это связано с появлением нового поколения лазеров, генерирующих излучение в диапазонах 240-300 нм и 13001500 нм. Эффективность магнитооптических элементов определяется не только высокими значениями ЭФ. Последние должны сочетаться с достаточно высокой прозрачностью материала в соответствующем диапазоне. Поэтому только комплексное исследование магнитооптических свойств и оптического поглощения на одних и тех же образцах может обеспечить успех разработки. На основе ранее накопленного мирового опыта и данных недавних совместных исследований Института физики им. Л.В.Киренского и Государственного оптического института им. С.И.Вавилова можно ожидать, что наиболее эффективными для УФ диапазона будут стекла, содержащие Рг в достаточно высоких концентрациях. При высоких концентрациях РЗ ионов могут 5 проявляться эффекты взаимодействия между ними, которые будут приводить к изменению магнитооптического качества стекла. Наличие или отсутствие взаимодействия можно установить с помощью исследования концентрационных зависимостей ЭФ и оптического поглощения.

С другой стороны, именно, ионы празеодима до сих пор являются камнем преткновения в интерпретации интенсивностей внутри конфигурационных электронных переходов, вообще, и так называемых сверхчувствительных переходов, в частности. Сверхчувствительный переход в Рг наблюдается в ИК диапазоне, который в литературе представлен весьма слабо. Поэтому детальное исследование интенсивностей полос поглощения в ИК диапазоне и, особенно, их температурных зависимостей могут стать началом формирования нового массива экспериментальных данных, необходимых для дальнейшего развития представлений о внутри конфигурационных переходах в РЗ ионах. Такое исследование целесообразно проводить в сравнении с другим РЗ ионом, для которого, в отличие от Рг, интенсивности полос поглощения хорошо описываются современной теорией. Удобно в качестве иона для сравнения выбрать Бу, который характеризуется близким к Рг значением ЭФ в УФ и видимой областях спектра. Немаловажной представляется и возможность получения новых данных о структуре ближайшего окружения Рг и Бу в стекле с помощью сопоставления магнитооптических активностей и интенсивностей электронных переходов различной природы в различных стеклянных матрицах.

В связи с вышеизложенным целями настоящего исследования являются получение концентрационных зависимостей ЭФ и оптического поглощения иона Рг3+ в различных стеклянных матрицах в УФ и видимом диапазонах, определение магнитооптической активности электронных переходов различной природы в Рг и Бу в различных матрицах, а также получение температурных 6 зависимостей интенсивностей полос поглощения этих ионов в тех же матрицах в ИК диапазоне.

Научная новизна. Получены концентрационные зависимости ЭФ и оптического поглощения в силико-фосфатных стеклах, активированных Рг. Выявлена и объяснена нелинейность этих зависимостей при определенных технологических условиях изготовления стекла, что приводит к ухудшению его магнитооптического качества. Для лучших стекол этого состава получены рекордные значения магнитооптической добротности в УФ области.

Впервые исследованы новые для магнитооптики стекла на основе трибората лития, активированные Рг3+ в высоких концентрациях.

Оценены магнитооптические активности различных электронных переходов двух представителей класса РЗ ионов: Рг3+ и Dy3+. Ранее такие оценки для f-ионов не проводились.

Впервые получены температурные зависимости интенсивностей полос о I о. поглощения в ИК области спектра для ионов Рг и Dy в различных стеклянных матрицах. Обнаружена принципиальная разница в характере этих зависимостей для Рг3+ и Dy3+.

Практическая ценность. Полученные экспериментальные результаты внесли существенный вклад в разработку новых эффективных магнитооптических материалов для УФ области спектра.

Апробация и публикации. Результаты работы были представлены и обсуждались на Международной конференции по магнетизму (1СМ'97), Австралия 1997, и на ежегодной межрегиональной научно-технической конференции с международным участием памяти A.M. Ставера, Красноярск 1998. Основные результаты изложены в пяти опубликованных работах, список которых приведен в конце диссертации. 7

Структура диссертации. Диссертация изложена на 97 страницах, она состоит из введения, четырех глав, заключения и двух приложений, включает 53 рисунка и 11 таблиц. Список литературы содержит 76 названий.

Заключение диссертации по теме «Физика магнитных явлений», Поцелуйко, Анатолий Михайлович

Заключение.

В заключение суммируем основные результаты работы.

1. Исследованы спектры оптического поглощения и магнитооптического эффекта Фарадея в трехвалентных ионах празеодима и диспрозия в различных стеклянных матрицах - силико-фосфатной, алюмо-боратной и литиево-боратной, в широком спектральном интервале от 0.18 до 2.2 мкм.

2. Показано, что силико-фосфатные стекла и стекла на основе трибората лития, активированные Рг3+ в высоких концентрациях, обладают рекордными значениями эффекта Фарадея и магнитооптической добротности в ультрафиолетовой области спектра. Выявлены и объяснены отклонения концентрационных зависимостей этих величин от линейного закона, обусловленные возможными нарушениями технологии.

3. Впервые получены соотношения между магнитооптическими параметрами и интенсивностью полос поглощения для электронных переходов различной природы в РЗ ионах на примере Рг3+ и Бу3+.

4. Впервые получены температурные зависимости интенсивностей М полос поглощения РЗ ионов Рг3+ и Бу3+ в различных стеклянных матрицах в ИК области спектра, включающей сверхчувствительные переходы. Показано принципиальное различие этих зависимостей для Рг3+ и Оу3+. В первом случае интенсивности полос зависят от температуры по-разному для разных переходов, во втором случае интенсивность полос является константой во всем исследованном интервале температур. Предложено объяснение обнаруженных зависимостей.

82

В заключение автор считает своим приятным долгом поблагодарить научного руководителя Эдельман И.С. за предложенную тему и постоянное внимание к работе, своего первого учителя в науке Малаховского A.B., Зарубину Т.В., Замкова A.B., Паршикова С.А. и Зайцева А.И. за предоставленные образцы для исследования, Кудряшовой Н.С. за помощь в измерении спектров поглощения. Благодарю за помощь всех сотрудников лаборатории ФМЯ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Поцелуйко, Анатолий Михайлович, 1999 год

1. Berger S.B., Rubinstein C.B., Kurkjan C.R., Treptow A.W. Faraday rotation of rare-earth (111) phosphate-glasses. //Phys.Rev.-1964-v.l33-No.3A-p.723-727.

2. Borrelli N.F. Faraday rotation in glasses. //J.Chem.Phys.-1964-v.41-No.ll-p.3289-3293.

3. Van Fleck J.N., Hebb M.V. On the paramagnetic rotation of tysonite. //Phys.Rev.-1934-v.46-p. 17-32.

4. Бурков В.И., Федорушков Б.Г., Братковский B.M., Вахрамеев В.И., Котов В.А., Ланда Л.М., Солинов В.Ф., Халиев В.Д., Семин Г.С. Магнитооптические характеристики фторфосфатных стекол с редкоземельными ионами. //Физ. и хим. стекла-1979-т.5-№1-с.124-126.

5. Lettelier V., Seignac A., Le Floch A. Magnetooptical properties of heavily rare-earth doped non-crystalline flourophosphates. //J. Non-Cryst. Sol.-1989-v.lll-No.l-p.55-62.

6. Villaverde A.B. Vascoxcelles E.C.C. Magnetooptical dispersion of Hoya glasses AOT-5, AOT-44B andFR-5. //Appl.Optics-1982-v.21, No.8-p. 1347-1348.

7. Zarubina T.V., Edelman I.S., Petrovskii G.T., Smirnova L.A., Kim T.A. Temperature dependence and dispersion of Faraday effect in glasses on the basis of ceriun and terbium oxides. //Optiko-mekhanicheskaya promyshlennost-1987-No.l-p.33-35.

8. Collocott S.J., Taylor K.N.R. Magnetooptical properties of erbium-doped soda glass. //J.Phys.C:Sol. St. Phys.-1978-v.ll-p.2885-2893.

9. Collocott S.J., Taylor K.N.R. Magnetooptical properties of praseodymium and holmium-doped soda glass. // J.Phys.C:Sol. St. Phys.-1979-v.12-p. 1767-1775.

10. Шатц П.Н., Мак-Каффи А.Д. Эффект Фарадея. //Усп.химии-1971-т.40-в.9-с.1698-1725.

11. Сьютс Дж.К. Эффекты Фарадея и Керра в магнитных материалах. //Заруб.радиоэлектр.-1973-№12-с.53-73.

12. Смоленский Г.А. Физика магнитных диэлектриков.-М:Наука-1974-454с.

13. Buchingam A., Stephens P. Magnetooptical activity. //Annual Rev. Phys. Chem.-1966-17-p.399-426.

14. Shafer M.W., Suits J.C. Preparation and Faraday rotation of divalent europium glasses. //J.Am.Cheram. Soc.-1966-v.49-No.5-p.261-264.1. Л I

15. Scott G.B., Page J.L. The absorption spectra of Y3Fe50i2 and Y3Ga5Oi2: Fe to 5.5eV. //Phys.Stat. Sol.(b)-1977-v.79-No.l-p.203-213.

16. Попова M.H., Пауков И.В. Спектроскопические исследования магнитного упорядочения в купратах R2Cu205. //Опт. и спектр.-1994-т.2-№2-с.285-302.

17. G6rller-Walrand С., Binnemans К., Rationalization of crystal-field parametrization, in: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earts, eds K.A. Gschneidner Jr and L. Eyring-v.23 (North-Holland, Amsterdam)- 1996-ch.l55-p. 121-283.

18. Малаховский A.B. Избранные вопросы оптики и магнитооптики соединений переходных элементов. Новосибирск:Наука-1992-222с.

19. Собельман И.И. Введение в теорию атомных спектров.-М.:Наука-1977-319с.

20. Atkins P.W. Molecular Quantum Mechanics (Oxford University Press, Oxford) 1983.93

21. Dieke G.H. Spectra and energy levels of rare-earth ions in crystals. The J. Hopkins University, Baltimore, Maryland, eds. Crosswite H.M. and Crosswite H., 1968, 354p.

22. Gôrller-Walrand C., Binnemans K. Spectral intensities of f-f transitions // Handbook Phys. Chem. Rare Earth. Ed. K. A. Gschneidner, L. Eyring. (North-Holland Publishers) 1998. v. 25. p. 100-264.

23. Broer L.J.F., Gorter C.J., Hoogschagen J. //Physica 1945-11-p.231.

24. Judd B.R. Optical absorption intensities of rare-earth ions. //Phys.Rev.-1962-v. 127-No.3-p.750-761.28.0felt G.S. Intensities of crystal spectra of rare-earth ions. //J.Chem.Phys.-1962-v.37-No.3-p.511-520.

25. Axe J.D., Jr. Radiative transition probabilities within 4f configurations: the fluorescence spectrum of europium ethylsulfate. //J.Chem.Phys.-1963-39-No.5-p.l 154-1160.

26. Carnall W.T. The absorption and fluorescence spectra of rare earth ions in solution, in: Handbook on the Physics and Chemistry of Rare Earths-1979-v.3, eds. Gschneidner K.A. and Eyring L. (North-Holland, Amsterdam) ch.24, p. 171.

27. Gôrller-Warland C., Fluyt L., Ceulemans A. and Carnall W.T. Magnetic dipole transitions as standards for Judd-Ofelt parametrization in lanthanide spectra. //J.Chem.Phys.-l 991 -v.95-No.5-p.3099-3106.

28. Chrysochoos J., Evers A. Effect of the primary and secondary solvation spheres of Eu upon the electric-quadrupole transitions (AJ=2). //J.Chem.Phys.Lett.-1973-v,18-No.l-p.ll5-119.

29. Gruen D.M., DeKock C.W. Absorption spectra of gaseous NdBr3 and Ndl3. //J.Chem.Phys.-1966-v.45-No.2-p.455-460.

30. Gruen D.M., DeKock C.W. MeBeth R.L. Electronic spectra of lanthanide compounds in the vapor phase. //Adv.Chem.Ser.-1967-Ser.71-p.102-121.

31. Krupke W.F. Optical absorption and fluorescence intensities in several rare-earth-doped Y203 and LaF3 single crystals. //Phys.Rev.-1966-v.l45-p.325-337.94

32. Jorgensen C.K., Judd B.R. Hypersensitive pseudoquadrupole transitions in lantanides. //Mol.Phys.-1964-v.8-p.281 -290.

33. Peacock R.D. Hypersensitivity of spectral bands in complexes of praseodymium (III). //Chem.Phys.Lett.-1970-v.7-No.2-p. 187-188.

34. Peacock R.D. The charge-transfer contribution to the intensity of hypersensitive trivalent lanthanide transitions. //Mol.Phys.-1977-v.33-No.5-p.l239-1246.

35. Judd B.R. Hypersensitive transitions in rare-earth ions. //J.Chem.Phys.-1966-v.44-No.2-p.839-840.

36. Judd B.R., in: ACS Symposium Series. Lanthanide and actinide chemistry and spectroscopy, ed. N. Edelstein (Americal Chemical Society)-1980-267p.

37. Полуектов H.C., Бельтюкова C.B., Мищенко B.T. О связи интенсивности «сверхчувствительных» переходов спектров поглощения ионов лантанидов в растворах комплексов с параметром U(2) теории Джадда-Офельта. //ДАН-1977-т.235-№5-с.1107-1109.

38. Misra S.N., Sommerer S.O. //Appl.Spectrosc.Rev.-1991-v.26-p.151.

39. Peacock R.D. The intensities of lanthanide f-f transitions. //Struct.Bond.-1975-v.22-p.83-122.

40. Goldner P., Auzel F. Application of standard and modified Judd-Ofelt theories to a praseodymium-doped fluorozirconate glass. //J.Appl.Phys.-1996-v.79(10)-p.7972-7977.

41. Carnall W.T., Fields P.R., Rajnak K. Electronic energy levels in the trivalent lanthanide aquo ions. I. Pr3+, Nd3+, Pm3+, Sm3+,Dy3+, Ho3+, Er3+ and Tm3+. //J.Chem.Phys.-1968-v.49-No.l0-p.4424-4442.

42. Eyal M., Greenberg E., Reisfeld R., Spector N. Spectroscopy of praseodynium (III) in zirconium fluoride glass. //Chem.Phys.Lett.-1985-v.l 17 No.2-p.l08-l 14.

43. Jasperson S.N. Shnatterly S.E. An improved method for high reflectivity ellipsometry based on a new polarization modulation technique. // Rev. Sci. Instr., 1969, v. 40, №6, p.761-769.95

44. Zabluda V., Potseluyko A., Edelman I., Malakhovskii A., Zarubina T., Petrovskii G., Ivanov M. Concentration dependence of the Faraday rotation in the Pr containing oxide glasses. //J.Magn.Magn.Mater.-1998-v.l85-p.207-212.

45. Ravishankar H., Hogart C.A. Optical absorption of cerium phosphate glasses. //J.Mat.Sci.Lett.-1985-v.4-No.4-p.399-402.

46. Ravishankar H., Hogart C.A., Roilos M., Mohamed-Osman A.E. Optical absorption in praseodymium germanate glass. //J.Mat.Sci.Lett.-1986-v.5-No.3-p.275-276.

47. Ravishankar H., Hogart C.A., Ahmed M.M., Morris D.F.C. Optical absorption spectra of praseodymium phosphate glasses. //J.Mat.Sci.Lett.-l 984-v.3-No.9-p.843-844.

48. Ahmed M.M., Harani R., Hogart C.A. The optical energy gap in praseodymium phosphate glasses. // J.Mat.Sci.Lett.-1984-v.3-No.l2-p.l055-1057.

49. Hogart С .A., Hosseini A.A. Optical absorption near the fundamental absorption edge in some vanadate glasses. //J.Mater.Sci.-v.l8-No.9-p.2697-2705.

50. Edelman I.S., Zarubina T.V., Stepanov S.A., Kim T.A. Magnetic properties of ferrite microparticles in borate glasses. //J.Magn.Magn.Mater.-1992-v.l 10-p.99.

51. Эдельман И. С., Поцелуйко A. M., Заблуда В. Н., Болсуновская О. А. Замков А. В., Паршиков С. А., Зайцев А. И. Магнитооптика3 4*

52. Рг в матрице стекла 1ЛВ3О5. //Физ. и хим. стекл.- 2000-т.26-№1-с.96-102.

53. Замков А.В., Заблуда В.Н., Паршиков С.А., Зайцев А.И. Магнитооптическое стекло. //Патент №2098366 от 03.02.97 г.

54. Potseluyko A.M., Edelman I.S., Malakhovskii A.V., Zarubina T.V., Zamkov A.V. Temperature dependencies of intensities of f-f transitions in Pr3+ and Dy3+ in glasses. //Preprint 797F, Krasnoyarsk, 2000, 27p.

55. Свиридов Д.Т., Смирнов Ю.Ф. Оптические спектры ионов переходных металлов в кристаллах. М:Наука, 1976. 265с.96

56. Ефимов A.M., Макарова Е.Г. Дисперсионное уравнение для комплексной диэлектрической проницаемости стеклообразных веществ и дисперсионный анализ их спектров отражения. //Физ. и хим. стекла.-1985-Т.11-№4-с.385-401.

57. Ефимов A.M. Колебательная спектроскопия стекла: современное состояние и тенденции дальнейшего развития. //Физ. и хим. стекла.-1996-т.22-№4-345-363.

58. Ребане К.К. Элементарная теория колебательной структуры спектров примесных центров кристаллов.-М.:Наука, 1968.-232с.

59. Quimby R.S., Miniscalco W.J. Modified Judd-Ofelt technique and application to optical transitions in Pr3+-doped glass. //J.Appl.Phys.-v.75-No.l-p.613-615.

60. Medeiros Neto J.A., Hewak D.W., Tate H. Application of a modified Judd-Ofelt theory to praseodymium-doped fluoride glasses. //J.Non-Cryst.Sol.-1995-v.l83-No.l-2.-p.l02-107.

61. Nakazawa M., Kimura Y., Suzuki K. Efficient Er -doped optical fiber amplifier pumped by a 1.48 fim InGaAsP laser diode. //Appl.Phys.Lett.-1989-v.54-p.295-297.

62. Hewak D.W., Samson B.N., J.A. Mederios Neto, Laming R.J., Payne D.N. Emission at 1.3 pm from Dysprosium-doped Ga:La:S glass. //Electron.Lett.-l994-v.30(12)-p.968-970.97

63. Carnall W.T., Fields P.R., Rajnak K. Spectral intensities of the trivalent lantanides and actinides in solution. II. Pm3+, Sm3+, Eu3+, Gd3+, Tb3+, Dy3+, and Ho3+. //J.Chem.Phys.-1968-v.49-No.l0-p.4412-4423.

64. Bell J.T., Thompson C.C., Helton D.M. The high-temperature spectra of aqueous transition metal salts. I. Praseodymium and neodymium nitrate to 356°. //J.Phys.Chem.-1969-v.73-No.l0-p.3338-3345.

65. Liehr A.D., Ballhausen С J. Intensities in inorganic complexes. //Phys.Rev.-1957-v.l06-No.9-p.l 161-1163.

66. Ballhausen С J. Introduction to ligand field theory.-Mc.Graw-Hill Book Co., Inc., New-York,1962.

67. Satten R.A., Wong E.Y. Temperature dependence of vibronic transitions in crystal and spectrascopic observation of a phase transition. //J.Chem.Phys.-1965-v.43-No.9-p.3025-3030.

68. Brunestad J., Yakel H.L., Smith G.P. Temperature dependence of the absorption spectrum of nikel(II)-doped KMgCl3 and the crystal structure of KMgCl3. //J.Chem.Phys.-1966-v.45-No.l2-p.4652-4666.

69. Финкель B.A. Структура редкоземельных металлов.-М.:Металлургия,1978.-128c.

70. Бандуркин Г.А., Джурннский Б.Ф., Тананаев И.В. Особенности кристаллохимии соединений редкоземельных элементов.-М:Наука,1984.-230с.