Случайная генерация и нарушение симметрии реплик в GeO2

Том 12 научных докладов, Номер статьи: 19438 (2022) Цитировать эту статью

608 Доступов

2 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Мы исследовали случайный процесс генерации и явление нарушения репликационной симметрии (RSB) в легированной ионами неодима (Nd3+) свинцово-германатной стеклокерамике (СУ), содержащей MgO. Образцы стекла были изготовлены традиционным методом закалки расплавом, а GC были получены путем осторожного расстекловывания исходных стекол при 830 °C в течение различных интервалов времени. Частичная кристаллизация исходных стекол подтверждена методом рентгеновской дифракции. Усиление фотолюминесценции (ФЛ) на \(\около\) 500% относительно исходных стекол наблюдалось для образцов с более высокой степенью кристалличности (отжиг в течение 5 ч). Порошки со средним размером зерен 2 мкм готовили путем измельчения образцов ГХ. Случайный лазер (RL) возбуждался при 808 нм, в резонансе с переходом Nd3+ 4I9/2 → {4F5/2, 2H9/2}, и излучал при 1068 нм (переход 4F3/2 → 4I11/2). Характеристики RL были явно улучшены для образца с самой высокой степенью кристалличности, порог возбуждения энергии флюенса которого (EFEth) составлял 0,25 мДж/мм2. Улучшенные характеристики объясняются ростом времени пребывания фотонов внутри образца и более высокой квантовой эффективностью Nd3+, включенного в микрокристаллы, где потери на излучение уменьшаются. Кроме того, путем измерения флуктуаций интенсивности излучения RL было обнаружено явление нарушения симметрии реплики (RSB), характерное для фотонного фазового перехода. Параметр перекрытия Паризи определялся для всех образцов при возбуждении ниже и выше EFEth. Насколько известно авторам, впервые сообщается о RL-излучении и RSB для стеклокерамической системы.

Лазерное воздействие в неупорядоченных средах, не имеющих оптических резонаторов, является объектом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований со времени пионерских работ Летохова1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. В лазерных системах такого типа, называемых в настоящее время случайными лазерами (RL), механизм обратной связи, способствующий оптическому усилению, не достигается за счет хорошо спроектированного оптического резонатора, как в обычных лазерах. Вместо этого оптическая обратная связь осуществляется за счет рассеяния света из-за неоднородностей показателя преломления в неупорядоченной среде12,13.

На данный момент о RL сообщалось для нескольких систем. Например, неупорядоченные рассеивающие частицы могут быть внедрены в усиливающую среду, например, в жидкие растворы лазерных красителей, содержащие частицы с высоким показателем преломления в суспензиях14,15. Красители также могут быть включены в твердые матрицы, такие как, среди прочего, полимерные мембраны16, биологические ткани17 и стекла, полученные золь-гель18.

О случайной генерации также широко сообщалось для кристаллических порошков, легированных редкоземельными ионами (РЗИ)19,20,21,22,23,24,25. В этих системах частицы действуют как усиливающая среда, так и как рассеиватели. В частности, случайную генерацию можно получить и на оптических волокнах, легированных РЗИ, где обратная связь может быть получена за счет отражения света в случайных брэгговских решетках, записанных в волокнах с неоднородными показателями преломления26,27 или волокнах со стеклянными сердцевинами с фазовым разделением28.

Любопытно, что сообщения RL, основанные на стеклообразных частицах, легированных РЗИ, очень редки. Несколько лет назад сообщалось о ап-конверсионном RL, излучающем в УФ-диапазоне, на основе фториндатного стеклянного порошка, легированного ионами неодима29. Совсем недавно мы продемонстрировали действие РЛ в порошках цинк-теллуритного стекла, легированных неодимом (Nd3+)30. Механизм обратной связи РЛ обеспечивался отражениями света на границе раздела стекловидных зерен-воздуха.

Работы по RL в стеклокерамике (СУ) также редки31,32. Тем не менее, ШХ являются интересной средой для фотонных устройств, поскольку они способны выдерживать мощные возбуждения и имеют высокий тепловой порог. Более того, ГХ можно сильно легировать редкоземельными ионами, чтобы изменить его эмиссионные характеристики31. Несмотря на это, насколько нам известно, настоящая статья является первым сообщением о РЛ на основе стеклокерамики, легированной Nd3+. Нашей целью было оценить и охарактеризовать влияние степени кристаллизации порошка GC на характеристики RL. Для данного исследования выбор исходного свинцово-германатного стекла был сделан по нескольким причинам, обсуждаемым ниже.

1\) for an increasing nucleation rate). The parameter \(b\) is the dimensionality of the crystal grown (b = 1 for 1D, b = 2 for 2D and b = 3 for 3D crystal) and c is the growth index (c = 0.5 for diffusion-controlled growth and c = 1 for interface-controlled growth)42. In the present case, the Avrami exponent was obtained from the fitting of the experimental data to the JMAK model (Eq. 2) and \(n\) was found to be approximately 0.89. In this case, the values for b and c must be 1 and 0.5, respectively, which means that the dimensionality of the crystals were 1D and the growth process was diffusion-controlled. The parameter \(a\) is 0.39 which corresponds to a decreasing nucleation rate as a function of time46. The effective activation energy, \({E}_{eff},\) was not estimated in this work since additional crystallinity degree versus annealing time curves for other temperatures would be necessary. Nevertheless, the investigation of the details concerning the crystals growth kinetics were out of the scope of the present work./p> EFEth, a fast emission was observed, in the nanosecond range following the pump laser pulse, superimposed on the slower signal (in the µs range) due to the spontaneous emission by the ions that are not participating in the stimulated emission process. The temporal behavior shown by the other samples is like the one shown in Fig. 10b./p> 99.99%). Although it is expected that a large concentration of Nd2O3 in the glass samples causes luminescence concentration quenching (LCQ), we have already observed that the RL performance is enhanced for higher rare-earth ions concentrations, despite the occurrence of LCQ30. The reason is that the dynamic of the RL emission occurs in the nanosecond regime while the PL occurs is in the microsecond range25,30. The glasses were obtained by conventional melt-quenching technique. Reagents were melted at 1200 °C in a platinum crucible for 1 h, and then, quenched in water, at room temperature to prevent crystallization. The resulting GPM glasses were ground using a mortar and pestle to obtain a fine powder. Approximately 18 mg of the GPM powder were submitted to Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis (Labsys Evo, Setaram), to verify the most suitable temperatures for the crystallization process. DSC analysis was conducted in N2 atmosphere (100 mL/min) using an alumina crucible and the heating rate was 20 °C/min./p>