Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban

Átírás

1 Koherens lézerspektroszkópia adalékolt optikai egykristályokban Kis Zsolt MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont H-1121 Budapest, Konkoly-Thege Miklós út június 8.

2 Hogyan nyerjünk információt egyes atomokról inhomogén kiszélesedésű optikai abszorpciós spektrumukból?

3 Tartalomjegyzék Bevezetés A ritkaföldfémekkel adalékolt LiNbO 3 szerkezete Az adalékionok és a kristályrács közötti kölcsönhatás leírása Kísérleti eredményink Kísérleti módszer Z -scan eljárás a homogén vonalszélesség mérésére Piezo-szkenner frekvencia-eltolásának időfüggő mérése Mérési eredmények Összefoglalás

4 A ritkaföldfémekkel adalékolt LiNbO 3 szerkezete LiNbO 3 és LiNbO 3 :R 3+ kristályok: az atomok között ionos kötés van az adalékionok a Li + -t helyettesítik a beépülő adalékionok kristályhibákat keltenek a kristálytér felhasítja az adalékionok energianívóit a kristályhibák miatt az adalékionok optikai spektruma inhomogén kiszélesedést mutat az adalékionok valencia héján 4f n elektron van a LiNbO 3 :Yb 3+ elnyelési spektruma

5 Az adalékionok és a kristályrács közötti kölcsönhatás az ionok körül a potenciális energia felületnek lokális minimuma van = harmonikus potenciállal közelíthető az adalékionok tömege és a rájuk ható erők különböznek a kristályrács többi ionjáétól = lokális rezgések jelennek meg. Például LiNbO 3 :Yb 3+ : M Li = 7, M O = 16, és M Nb = 93, míg M Yb = 173, Li + Yb 3+ a potenciális energia felületek minimum helyei függenek az adalékionok elektron héjának kvantumállapotától a kristálytér felhasítja az adalékionok energiaszintjeit (DC Stark-shift)

6 Kisérleti módszer adalékolt egykristályok: sln:yb, cln:yb, sln:er, cln:er, LYB:Yb, ( mol %) cél: az adalékionok 980 nm hullámhosszú átmeneteihez tartozó T 1 populáció- és a T 2 dipól-relaxációs idők mérése módszer: szaturációs spektroszkópia, pumpa-próba impulzusokkal, CW lézer vonalszélessége 100 KHz T 2 mérése : a spektrális lyuk félérték-szélessége alapján T 1 mérése : a spektrális lyuk mélysége abszorpció Im(χ + ( )) = N deg 2 ε 0 ahol (Γ 2 = 1 T T 1 T 2 Ω 2 w) T 1 Ω 2 T πg(0) 1 2 w( 1 + Γ) T 2 ) e Γ ( t d /T ( 1T2 + Γ) T ] 1 Ω 2 T 2 w 2 + ( 2 ) T 2 e t d /T 1 T1, 2 [ N deg 2 πg(0) ε 0 T 2 Ω w 1 T 2

7 Kísérleti elrendezés (fotó)

8 Kísérleti elrendezés (vázlat)

9 Saját fejlesztésű mérőprogram

10 Z -scan eljárás a homogén vonalszélesség mérésére A mért vonalszélesség: σ sph = 1 T 2 + Γ, ahol Γ 2 = 1 T T 1 T 2 Ω 2 w

11 Piezo-szkenner frekvencia-eltolásának időfüggő mérése

12 Fabry-Perot interferométer alapú kalibráció

13 Fabry-Perot interferométer alapú kalibráció

14 Fabry-Perot interferométer alapú kalibráció ( ) z a TEM mn módusok Gouy-fázisa Φ(z) = k z (m + n + 1) arctan ν, z 0 ahol ν = c/(2l), L = 50 cm [ ( )] rezonancia frekvenciák ν qnm = q + (m+n+1) L arctan ν π z 0 célszerű rosszul illeszteni a rezonátor TEM 00 módust, továbbá legyen L/z 0 = 1 ekkor ν = 1/100 cm MHz, legkisebb fr. távolság δν = 75 MHz

15 Mérési eredmények

16 Kettős spektrális lyuk sln:yb-ban

17 Az eredmények összefoglalása Yb 3+ ion 2 F 7/2 2 F 5/2 átmenete T 1 (µs) T 2 (ns) / γ h (MHz) sln:yb nr 266± ± 7 / 2.35 sln:yb br 438± ± 0.5 / 17.5 cln:yb nr 386± ± 20 / 1.3 cln:yb br 420±20 16 ± 1 / 19.3 Er 3+ ion 4 I 15/2 4 I 11/2 átmenete T 1 (µs) T 2 (ns) / γ h (MHz) cln:er ±70 5, 8 ± 0, 11 / ±30 6, 3 ± 0, 17 / 50 sln:er ±40 6, 8 ± 0, 13 / ±70 7, 9 ± 0, 48 / 40

18 Lehetséges magyarázatok a kettős spektrális lyukra lehet, hogy izotóp effektus? isotope m a/u atom % I µ/µ N 168 Yb Yb Yb / Yb Yb / Yb Yb ESR, Raman és abszorpciós spektroszkópiai stb. mérések alapján számos nem-ekvivalens helyre épülhet be Yb 3+ : izolált ionok vagy ion cluster-ek

19 Mérés mágneses térben

20 Összefoglalás Eredmények: pumpa-próba impulzusos szaturációs spektroszkópiai eljárást dolgoztunk ki adalékionok T 1 és T 2 relaxációs idejének mérésére a módszert több ion-mátrix kombinációra sikeresen alkalmaztuk, sln:yb, cln:yb, sln:er, cln:er, LYB:Yb LYB:Er esetén nem találtunk spektrális lyukat mágneses térrel felhasítottuk az Er és Yb adalékionok spektrális lyukait Közeljövő tervei: spektrális lyukakon alapuló szuszceptibilitás tervezés = próba impulzus lelassítható néhány rezonáns nemlineáris optikai kísérlet megvalósítása, pl. koherens populácó oszcilláción alapuló átlátszóság vagy EIT a dipol relaxációs idő befolyásolása, pl. kis-polaronok keltésével (együttműködés Mirco Imlau csoportjával)

21 Résztvevők és finanszírozók Wigner Fizikai Kutatóközpont, Szilárdtestfizikai Intézet: kristálynövesztés és mintakészítés: klasszikus spektroszkópia: Péter Ágnes Polgár Katalin Szaller Zsuzsanna Tichy-Rács Éva Corrádi Gábor(ESR) Hajdara Ivett Kovács László Lengyel Krisztián lézerspektroszkópia (kísérlet és elmélet): Finanszírozás: Magyar Tudományos Akadémia Országos Tudományos Kutatási Alap Hajdara Ivett Kis Zsolt Lengyel Krisztián Mandula Gábor

22 Köszönöm a figyelmet!