Спектрально-люминесцентные и генерационные характеристики лазерной керамики, активированной ионами иттербия и эрбия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Жмыхов Вадим Юрьевич

• Жмыхов Вадим Юрьевич
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Жмыхов Вадим Юрьевич

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Особенности кристаллической структуры ИАГ

1.2 Физико-химические и оптические свойства кристаллов ИАГ

1.3 Спектрально-люминесцентные свойства РЗИ в соединениях ИАГ

1.4 Метод Чохральского

1.5 Технология получения и основные методы синтеза керамических порошков и лазерной керамики

1.6 Специфика матрицы ИСАГ граната по сравнению с ИАГ

1.7 Взаимное влияние ионов УЪ3+ и Sc3+ на заполняемость позиций и спектроскопические свойства керамики ИСАГ

1.8 Сравнительный анализ оптических и лазерных характеристик УЪ:ИСАГ и УЪ:ИАГ керамик

Выводы к главе

Глава 2. Исследование оптических свойств керамики ИАГ и ИСАГ с содержанием 50 ат.% Ег3+

2.1 Материалы и исследование микроструктуры

Выводы к главе

Глава 3. Оптические и генерационные характеристики лазерной керамики УЪ:ИСАГ

3.1 Спектры пропускания и коэффициенты поглощения образцов

лазерной керамики Yb:ИСАГ

3.2 Сечение поглощения

3.3 Сечение излучения

3.4 Спектры люминесценции лазерной керамики УЪ:ИСАГ

3.5 Экспериментальные измерения радиационного времени затухания люминесценции на переходе ^5/2 ^ ^7/2 в образцах лазерной керамики УЪ:ИСАГ

3.6 Методика исследования генерационных характеристик лазерной керамики УЪ:ИСАГ

3.7 Методика исследования монокристалла УЪ:ИАГ

3.8 Результаты исследования генерационных характеристик образцов лазерной керамики Yb:ИСАГ

3.9 Спектры лазерного излучения керамики Y2,55Ybo,25Scl,ooAЦ,2oOl2

3.9.1 Потери в резонаторе

3.9.2 Сравнение характеристик образцов

Выводы к главе

Глава 4. Измерение температурной зависимости генерационных характеристик керамики УЪ3+:ИСАГ и монокристалла ИАГ в диапазоне от 325 К до 400 К

4.1 Характеристики температурной зависимости генерации УЪ:ИСАГ лазерной керамики

4.2 Исследование характеристик генерации

4.3 Спектры лазерного излучения

4.4 Поляризационные характеристики лазерной генерации в керамике УЪ:ИСАГ в интервале температур 325 К - 400 К

Выводы к главе

Заключение

Список цитируемой литературы

Публикации автора по теме диссертации

Список докладов на конференциях по теме диссертации

Благодарности

Список сокращений

ИАГ (YAG) - иттрий-алюминиевый гранат ИСАГ (YSAG) - иттрий-скандий-алюминиевый гранат РЗ (RE) - редкоземельный элемент АЭ - активный элемент

КПДдифф - дифференциальный коэффициент полезного действия

КПДопт полный коэффициент полезного действия

СЭМ - сканирующая электронная микроскопия

ИК - инфракрасный

РФА - рентгенофазовый анализ

TEM00 - поперечная мода низшего порядка

FWHM - full width at half maximum (ширина линии на полувысоте)

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Спектрально-люминесцентные и генерационные характеристики лазерной керамики, активированной ионами иттербия и эрбия»

Актуальность исследуемой проблемы

Лазерная керамика как поликристаллический материал твердотельной квантовой электроники [1] за последние десятилетия утвердилась в качестве конкурентоспособной альтернативы монокристаллам и стеклам при создании активных сред для импульсных и непрерывных лазерных систем [2]. При создании лазера для конкретных применений необходимо учесть ряд факторов, таких как компактность и надежность конструкции, простота в обслуживании, безопасность эксплуатации, высокая выходная мощность, тип активной среды, экологическая безопасность. Сочетание высокой пиковой и средней мощности излучения является принципиальным вопросом для многих применений. В этом случае остро встает проблема производства и характеризации монокристаллов и лазерной керамики высокого качества.

Одной из хорошо известных и изученных активных сред для лазеров высокой пиковой мощности являются легированные РЗ ионами кристаллы иттрий-алюминиевого граната (^£'3+:ИАГ, YзAl5Оl2) [3, 4].

Монокристаллы ^£'3+:ИАГ широко используются для различных применений. Несмотря на успешное применение монокристаллов иттрий-алюминиевого граната в лазерных технологиях [5-15], их использование ограничено технологическими сложностями синтеза крупноразмерных образцов, высокой себестоимостью и ограниченными возможностями управления теплофизическими и спектральными характеристиками. В этом контексте прозрачная керамика на основе гранатовых структур представляет собой стратегическое направление развития лазерных материалов нового поколения.

С материаловедческой точки зрения лазерная керамика является поликристаллическим материалом, оптические свойства которого достигают уровня монокристаллов за счёт минимизации дефектов структуры.

Поликристаллическая керамика представляет собой материал, структура которого образована множеством микроскопических кристаллитов (зёрен) хаотичной пространственной ориентации, с размерами, варьирующимися в диапазоне от сотен нанометров до нескольких десятков микрометров.

Первый практически значимый материал в этой области - прозрачный оксид алюминия [16]. Впоследствии были созданы прозрачные керамические образцы на основе разнообразных соединений: оксидов, фторидов, нитридов и других [17].

Совершенствование технологии синтеза, позволившее добиваться высокой прозрачности и структурной однородности, привело к важному выводу: плотный поликристаллический материал с высокой чистотой и изотропными свойствами по оптическим характеристикам сопоставим с монокристаллом.

Исторически прорыв в этой области произошёл в 1995 г., когда группа японских исследователей синтезировала №3+:ИАГ керамику с оптическим пропусканием, сопоставимым с монокристаллами, и выходной мощностью 70 мВт в непрерывном режиме [18].

Преимущества керамических активных сред включают возможность синтеза крупногабаритных элементов с однородным распределением активатора, что критически важно для масштабирования лазерных систем, а также гибкость в модификации состава, позволяющую целенаправленно корректировать спектральные и теплофизические параметры материала [19]. Помимо этого, керамика демонстрирует улучшенные механические характеристики и устойчивость к термооптическим искажениям по сравнению с монокристаллами, что расширяет её эксплуатационные возможности в лазерах высокой средней мощности. Важным аспектом является снижение себестоимости производства благодаря отказу от энергоёмких методов кристаллизации, заменяемых технологиями спекания нанопорошков с контролируемой гранулометрией и добавками, ингибирующими рост зерен [20].

Особый интерес представляют скандий-содержащие гранаты (ИСАГ), введение Sc3+ в кристаллическую решётку которых индуцирует разупорядочение структуры [21,22], позволяя целенаправленно модифицировать спектрально-люминесцентные характеристики. Пионерские работы советских учёных, включая исследования Жарикова Е.В., Каминского А.А. и др., [23] заложили теоретическую основу для современных разработок в этой области. Однако синтез ИСАГ лазерной керамики сопряжён с технологическими сложностями, такими как необходимость стабилизации гомогенной структуры при спекании, что требует разработки инновационных подходов к подготовке нанопорошковых прекурсоров с контролируемой морфологией и дисперсностью.

Несмотря на значительный прогресс в разработке лазерной керамики, ряд ключевых проблем остаётся нерешённым. Особую сложность представляет оптимизация режимов спекания, направленная на минимизацию оптических потерь в широком спектральном диапазоне - от ультрафиолетового до инфракрасного, - что критически важно для расширения функциональных возможностей керамики в специализированных применениях. Ограниченное понимание механизмов формирования межзеренных границ в многокомпонентных системах, подобных ИСАГ, создаёт барьеры для управления микроструктурой и стабильностью материала. Эти проблемы требуют комплексного подхода, объединяющего углублённое исследование процессов спекания с усовершенствованием методов синтеза оптической керамики, что позволит установить взаимосвязь между технологическими параметрами и спектрально-люминесцентными, а также генерационными характеристиками материалов.

Степень разработанности.

К моменту начала выполнения данной диссертационной работы, технология синтеза лазерной керамики на основе гранатов, легированных редкоземельными ионами (таких как Nd3+:ИАГ), была в целом отработана, что подтверждается многочисленными исследованиями и успешной

коммерциализацией таких активных сред. Вместе с тем, синтез скандий-содержащей лазерной керамики (ИСАГ), несмотря на теоретический задел, созданный ещё в работах советских учёных (Жариков Е.В., Каминский А.А. и др.), оставался сопряжён со значительными технологическими сложностями. Основные проблемы заключались в необходимости стабилизации гомогенной структуры при спекании и отсутствие понимания механизмов формирования межзёренных границ в таких многокомпонентных системах. Данная диссертационная работа была направлена на решение указанных проблем путем комплексного исследования спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик, что необходимо для установления связи между технологическими параметрами и функциональными свойствами материала.

Цели и задачи работы

Целью работы являлся анализ спектральных и генерационных характеристик лазерных керамик на основе ИАГ (ИСАГ), легированных редкоземельными ионами иттербия и эрбия, а также выявление взаимосвязи между технологией получения и их оптическими и генерационными характеристиками для оптимизации процесса синтеза лазерной керамики.

Для достижения заявленной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование оптических характеристик керамических образцов УЪ3+:ИСАГ и Ег3+:ИАГ.

2. Исследование спектрально-люминесцентных характеристик керамических образцов УЪ3+:ИСАГ.

3. Исследование генерационных характеристик образцов керамик УЪ3+:ИСАГ.

4. Исследование температурных зависимостей спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик образцов керамик УЪ3+:ИСАГ.

Научная новизна

1. Впервые получены экспериментальные данные о температурной зависимости радиационного времени жизни уровня 2F5/2 иона УЪ3+ в керамике УЪ3+:ИСАГ в диапазоне 77-400 К, демонстрирующей рост времени жизни от ~1,0 мс при 77 К до ~1,6 мс при 400 К. Анализ экспериментальных данных в сопоставлении с литературными результатами показывает, что наблюдаемый рост времени жизни обусловлен замедлением температурно-зависимой миграции энергии возбуждения по ионам УЪ3+ и, как следствие, снижением вероятности переноса энергии к неконтролируемым центрам тушения.

2. Впервые продемонстрирована высокоэффективная лазерная генерация (КПДдифф. = 74,9%) в керамических образцах УЪ3+:ИСАГ. Данный результат достигнут благодаря комплексной оптимизации процесса синтеза, в рамках которой применение метода обратного соосаждения для изготовления исходных нанопорошков обеспечило формирование химически однородного керамического материала.

3. Впервые экспериментально реализован твердотельный лазер с диодной накачкой на основе оптически изотропной керамики УЪ3+:ИСАГ, демонстрирующий генерацию линейно-поляризованного излучения на длине волны 1,03 мкм (электронный переход 2F5/2 ^ ^7/2 в ионе УЪ3+).

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы связана с анализом взаимосвязи между технологией изготовления, составом и функциональными характеристиками скандий-содержащей керамики, легированной ионами УЪ3+ и Ег3+. В ходе исследования рассмотрено влияние вариаций состава на оптические и генерационные параметры материала.

Практический аспект работы связан с исследованием возможности использования отечественных керамических материалов на основе ИАГ и ИСАГ в качестве альтернативы монокристаллическим активным средам. Продемонстрирована высокая эффективность твердотельного лазера с диодной накачкой на основе керамики Yb3+:ИСАГ, обеспечивающего

генерацию линейно поляризованного излучения на длине волны 1,03 мкм. Для керамики состава У2,52УЬо^со,з8А14,85012 выявлена температурная зависимость положения плоскости поляризации генерации. Наблюдаемый эффект представляет интерес для дальнейшего изучения в контексте разработки поляризационно-чувствительных элементов лазерных систем.

Полученные результаты могут быть использованы при корректировке технологических параметров изготовления лазерной керамики с использованием метода обратного соосаждения с целью управления спектрально-люминесцентными и генерационными характеристиками керамики применительно к задачам лазерной техники.

Положения, выносимые на защиту

1.Экспериментально показано, что радиационное время жизни люминесценции уровня 2F5/2 ионов УЪ3+ в керамике УЪ:ИСАГ увеличивается с повышением температуры в диапазоне 77-400 К. Анализ результатов указывает, что данная тенденция обусловлена замедлением температурно-зависимой миграции энергии возбуждения по ионам Yb3+ и, как следствие, снижением вероятности переноса энергии к неконтролируемым центрам тушения, что согласуется с ранее описанными для УЪ-содержащих гранатов механизмами.

2. Для лазерной керамики УЪ3+:ИСАГ достигнут дифференциальный КПД генерации 74,9%. Установлено, что такой уровень эффективности обеспечивается комплексной оптимизацией отечественной технологии синтеза, ключевым этапом которой является применение метода обратного соосаждения при получении исходных нанопорошков.

3. Впервые реализована генерация стабильного линейно-поляризованного излучения (1,03 мкм) в изотропной по структуре лазерной керамике УЪ:ИСАГ, что расширяет ее применение в лазерных системах. Экспериментально обнаружен эффект поворота плоскости поляризации на 90° при нагреве в керамике состава Y2,52Yboд5Sco,з8Al4,85Ol2.

Методология и методы исследования

В ходе выполнения диссертационной работы был применен комплексный методологический подход, направленный на установление взаимосвязи между составом, структурой и функциональными свойствами синтезированной лазерной керамики. Методология исследования была построена на последовательной реализации трех взаимосвязанных этапов, объединяющих методы оптической спектроскопии, лазерной физики и численного анализа.

Спектрально-люминесцентная характеризация с целью определения ключевых оптических параметров и их температурной динамики.

Исследование генерационных характеристик для оценки лазерного потенциала материалов в реальных условиях эксплуатации.

Системный анализ полученных данных для интерпретации результатов и выявления физических закономерностей.

Методологический подход был структурирован в три взаимосвязанных блока:

1. Исследование спектральных характеристик материалов

Спектры поглощения в диапазоне температур 77-400 K были зарегистрированы на спектрофотометре Shimadzu UV-3101PC с использованием азотного заливного оптического криостата LN-121-SPECTR. (ООО «Криогенные приборы»).

Спектры люминесценции керамических образцов были измерены в температурном диапазоне от 77 K до 400 K. Исследования проводились на монохроматоре ARC SpectraPro-300i. Сигналы были зарегистрированы с помощью термоэлектрически охлаждаемого InGaAs-детектора (диапазон чувствительности: 0,4-1,7 мкм). Для диапазона 77-300 K использовался криостат LN-121-SPECTR, а для диапазона 325-400 K - самодельный нагреватель, собранный в лаборатории активных сред твердотельных лазеров ОЛК НЦЛМТ ИОФ РАН. Он представлял собой держатель образца с встроенным резистивным нагревательным элементом.

Кинетика затухания люминесценции (радиационное время жизни tr) в керамических образцах были измерены в том же температурном диапазоне (77-400 K) с использованием монохроматора МДР-12-1 и осциллографом RIGOL (DS1102). Возбуждение осуществлялось диодным лазером LDD-10, а регистрация сигнала - фотодетектором ФД10-ГА.

2. Исследование генерационных характеристик

Экспериментальная установка включала систему накачки и резонаторную конфигурацию, спроектированную для минимизации оптических потерь. В качестве источника накачки применялся диодный лазер с волоконным выводом излучения BWT940K (Beijing BWT Selected Co., Ltd.) с длиной волны 940 нм, максимальной выходной мощностью излучения 40 Вт и диаметром сердцевины активного волокна 105 мкм.

3. Численные расчеты и анализ данных

Численные расчеты и обработка данных проведены с использованием инструментов на базе языка Python.

Достоверность результатов

Достоверность представленных в работе результатов подтверждается:

Методической обоснованностью - использованием

стандартизированных методов спектроскопии, люминесцентного анализа и генерационных измерений, принятых в исследованиях лазерных материалов.

Воспроизводимостью данных - повторяемостью результатов при многократных измерениях в идентичных условиях, а также при варьировании параметров настройки экспериментальной установки.

Согласованностью с литературными данными - хорошим соответствием полученных спектральных характеристик, порогов генерации и других ключевых параметров с опубликованными результатами для аналогичных керамических систем, легированных ионами Yb3+ и Er3+.

Калибровкой оборудования - использованием эталонных образцов и регулярным контролем метрологических характеристик измерительных приборов.

Апробация работы

Результаты исследований, вошедших в работу, представлены в 9 докладах на международных и всероссийских конференциях и школах-семинарах: 8th International School and Conference on Optoelectronics, PhotonicsandNanostructures (Санкт-Петербург, 2021); Школа-конференция молодых ученых ИОФ РАН «Прохоровские недели» (Москва, 2021); 2022 International Conference Laser Optics (ICLO) (Санкт-Петербург, 2022); XXXIII Всероссийская школа-семинар «Волновые явления: физика и применения» («Волны-2022») (Москва, 2022); XXIX Международная конференция Advanced Laser Technologies (ALT 22) (Москва, 2022); 2024 International Conference Laser Optics (ICLO) (Санкт-Петербург, 2024).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 13 работ, из них 9 - в трудах конференций и 4 - в рецензируемых журналах, входящих в список WoS и перечень ВАК. Список публикаций приведён на странице 119.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертационной работе, были получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Обсуждение и интерпретация полученных результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами публикаций.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения. Список литературы включает 102 наименования. Общий объём диссертации составляет 122 страницы, в том числе 46 рисунков и 15 таблиц. Во введении формируется цель и задачи работы, показана научная новизна и значимость полученных результатов, перечислены защищаемые положения и кратко рассматривается содержание диссертационной работы по главам.

В главе 1, представляющей собой обзор литературы, описаны особенности кристаллической структуры и физико-химических свойств ИАГ и ИСАГ. Рассматриваются спектрально-люминесцентные свойства

редкоземельных ионов в ИАГ, основные методы роста монокристаллов на основе ИАГ и методы синтеза лазерных керамик ИАГ и ИСАГ, а также специфика матрицы ИСАГ граната по сравнению с ИАГ.

В главе 2 рассматривается анализ физических свойств оптической керамики ИАГ и ИСАГ с высоким содержанием Ег3+. В первом разделе приводятся данные о материалах и микроструктуре керамики. Далее анализируются спектры пропускания и коэффициенты поглощения керамики ИАГ и ИСАГ, легированной ионами Ег3+.

Глава 3 посвящена исследованию оптических и генерационных характеристик лазерной керамики УЪ3+:ИСАГ. В этой главе рассматриваются спектры пропускания и коэффициенты поглощения образцов, а также сечения поглощения и излучения. Особое внимание уделяется спектрам люминесценции и экспериментальным измерениям радиационного времени затухания люминесценции на переходе ^5/2 ^ ^7/2. Заключительный раздел главы посвящен генерационным характеристикам лазерной керамики УЬ:ИСАГ.

Глава 4 посвящена детальному изучению температурной зависимости генерационных характеристик керамики УЪ:ИСАГ и монокристалла УЪ:ИАГ в диапазоне температур от 325 К до 400 К. Основное внимание сфокусировано на характеристиках генерации лазерной керамики УЪ:ИСАГ и монокристалла УЪ:ИАГ. Заключительный раздел посвящен поляризационным характеристикам керамики УЪ:ИСАГ при генерации в интервале температур 325 К-400 К.

В заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы и благодарности.

Глава 1. Литературный обзор

Исследования керамики иттрий-алюминиевого граната и иттрий-скандий-алюминиевого гранатов в конце 1990-х и начале 2000-х годов продемонстрировали значительный потенциал этих материалов, легированных УЪ3+ и Ег3+, в качестве усиливающей среды для мощных лазеров. В результате обширных исследований были достигнуты значительные улучшения в оптическом качестве и концентрации легирующих примесей, что привело к существенному улучшению лазерных характеристик этих материалов [24,25]. Иттрий-алюминиевый гранат (У3АЬОи) обладает высокой теплопроводностью, механической стойкостью, высокой твердостью и вязкостью разрушения [26-30]. Благодаря близким ионным радиусам У3+ и редкоземельных элементов [32,33] У3+ может быть свободно замещен редкоземельными ионами. Эти уникальные свойства делают иттрий-алюминиевый гранат одним из наиболее широко используемых материалов в лазерах для медицины [32], обработки материалов [34] и оптической связи [35].

Основным методом выращивания монокристаллов ИАГ является метод Чохральского [36]. Метод горизонтально направленной кристаллизации (ГНК) [37], представляющий собой вариант подхода Бриджмена-Стокбаргера [38], также находит применение, но в основном для решения специальных задач. Ключевыми проблемами остаются низкая скорость роста (процесс занимает 20-40 суток) и трудности с неравномерным распределением по объёму кристалла.

1.1 Особенности кристаллической структуры ИАГ

Иттрий-алюминиевый гранат является одним из наиболее распространенных синтетических оксидов со структурой граната. Впервые получен в начале 50-х годов XX века Х.С. Йодером и М.Л. Кейтом [39].

Кристаллическая структура ИАГ представляет собой одну из наиболее изученных и важных структур в области оптики и лазерной техники. На рисунке 1 приведена кристаллическая структура иттрий-алюминиевого граната ^3АЬОи). Структура кристаллизуется в кубической сингонии, имеет элементарную ячейку типа I и пространственную группу /аЗ#. Элементарная ячейка граната состоит из многогранников, в центре каждого располагается атом металла, а в вершинах - атомы кислорода. Всего в элементарной ячейке скомбинированы между собой 24 додекаэдра, 16 октаэдров и 24 тетраэдра. В ИАГ на позициях в центрах додекаэдров могут находиться атомы редкоземельных ионов (РЗИ) или Y, а на позициях в центрах октаэдров и тетраэдров - А1 [39].

На рисунке 1 представлена элементарная ячейка, показывающая положения Y3+, А13+ и О2- в кубической кристаллической структуре ИАГ. Также показаны Y3+ в ^-позиции (додекаэдрическая), А13+ в в-позиции (октаэдрическая) и А13+ в С-позиции (тетраэдрическая).

Рисунок 1- Кристаллическая структура ИАГ [40].

1.2 Физико-химические и оптические свойства кристаллов ИАГ

Иттрий-алюминиевый гранат - это материал, обладающий высокой прочностью и способностью выдерживать значительные механические нагрузки. Он также отличается высокой устойчивостью к образованию и распространению трещин, что делает его подходящим материалом для изготовления оптических компонентов, работающих при высоких температурах. Оптическая прозрачность ИАГ в широком диапазоне длин волн делает его широко применяемым в лазерной технике и оптике.

Оптические и физико-химические свойства кристалла ИАГ представлены в таблице 1 [41].

Таблица 1. Оптические и физико-химические свойства кристалла ИАГ.

Оптические свойства ИАГ

Область пропускания, мкм 0,21...5,3

Показатель преломления при 1,064 мкм 1,82

Термооптический коэффициент (ёпМТ), 633 нм 7,3 * 10-6-К-1

Физико-химические свойства

Плотность г/см3 (20 °С) 4,56

Растворимость Не растворим в воде

Тип материала Монокристалл

Кристаллическая структура Кубическая

Точка плавления, °С 1970

Теплопроводность 25 °С, В -см-1- °К-1 0,14

Температурный коэффициент линейного расширения, 1/°С 7,8 • 10-6

Удельная теплоемкость Дж/(кг •К) при 0 °С 590

Диэлектрическая постоянная 11,7

Модуль Юнга (Е), ГПа 300

Коэффициент упругости С11 = 333 С12 = 111 С44 = 115

Предел упругости, МПа 280

Твердость по Моссу ~8,5

Химическая инертность Инертен

1.3 Спектрально-люминесцентные свойства РЗИ в соединениях ИАГ

Оптический спектр РЗ-ионов в кристаллах и керамике определяется в первую очередь структурой энергетических мультиплетов /-электронов.

18

Энергетическое положение мультиплета свободного РЗ иона задаётся последовательным учётом кулоновского взаимодействия электронов с атомным ядром, между собой и спин-орбитальным взаимодействием (расщепление мультиплетов осуществляется за счет спин-орбитального взаимодействия) [42]. Внутриконфигурационные электро-дипольные /-/ переходы для свободного РЗ иона запрещены согласно правилу Лаппорта [43], как переходы между состояниями одинаковой чётности.

Однако, в случае отсутствия центра инверсии для локальной симметрии кристаллического поля, создаваемого ближайшим окружением иона-активатора, происходит частичное снятие запрета для электро-дипольных переходов вследствие примешивания электронных конфигураций противоположной чётности [44].

Спектры, обусловленные внутриконфигурационными /-/ переходами РЗ ионов в кристаллических соединениях, характеризуются узкими спектральными линиями, положение которых незначительным образом зависит от кристаллической матрицы. Данный факт обусловлен экранировкой оптических /-электронов РЗ ионов от воздействия электрических полей лигандов электронами внешних оболочек (5d,6s) [44].

Рассмотрим более подробно энергетическую структуру РЗ иона. Гамильтониан РЗ иона в кристаллическом поле может быть представлен следующим образом:

Н = Но+Н ЕЕ +Н LS +Н CR +Н +Н (1)

где Но - оператор энергии взаимодействия электронов с ядром и кинетической энергии электронов; Нее - гамильтониан взаимодействия между электронами; HLS - гамильтониан, учитывающий спин-орбитальное взаимодействие; HcR -гамильтониан, описывающий взаимодействие иона с кристаллическим полем лигандов; Нот - гамильтониан, отвечающий за сверхтонкое взаимодействие; Н - оператор, учитывающий взаимодействие с квадрупольным моментом ядра.

Схема энергетических уровней РЗ иона в кристаллической среде показана на рисунке 2.

Рисунок 2 - Упрощенная схема типичной структуры электронных термов РЗ иона с учетом расщепления мультиплетов на штарковские компоненты под

действием кристаллического поля [45].

1.4 Метод Чохральского

Метод выращивания кристаллов, названный в честь польского учёного Яна Чохральского, был разработан им в 1918 году [36]. Данный метод основан на вытягивании затравочного кристалла из расплава материала при

контролируемой температуре. Этот процесс позволяет выращивать монокристаллы из расплава. Метод Чохральского является одним из самых распространённых методов выращивания монокристаллов ИАГ и обеспечивает получение кристаллов с высокой степенью чистоты. В научной литературе этот метод также известен как метод вытягивания из расплава. На рисунке 3 представлены схемы аппаратов для выращивания монокристаллов в форме стержней (а) и дисков (б) методом Чохральского.

I

Рисунок 3 - Схема метода Чохральского.1 - растущий кристалл; 2 - расплав;

3 - нагреватель; 4 - дополнительный нагреватель. Стрелки на схемах показывают поток воды или холодного газа [46].

Преимущества метода Чохральского:

Метод роста кристаллов Чохральского позволяет реализовать монокристаллы высокой степени чистоты, что является важным условием для получения качественных лазерных материалов.

В процессе роста кристалла можно контролировать такие параметры, как скорость роста, температура расплава и другие, что позволяет получать кристаллы с заданными свойствами.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Жмыхов Вадим Юрьевич, 2026 год

Список цитируемой литературы

1. Diode Pumped Solid State Lasers / R.L. Byer // Optics InfoBase Conference Papers. - 2009. - paper MD1_1.

2. Лукин Е. С. / Теоретические основы получения и технология оптически прозрачной керамики. - 1980. - Москва: Энергия. - 176 с.

3. Каминский А. А. / Стимулированное излучение в монокристаллах Y3AI5O12 // ЖЭТФ. - 1967.

4. П. П. Феофилов, В. А. Тимофеева, М. Н. Толстой, Л. М. Беляев. // Оптика и спектроскопия, -1965. -19, -P. 817.

5. Pulsed Nd:YAG laser beam drilling: A review / G.D. Gautam, A.K. Pandey // Optics & Laser Technology. - 2018. - Vol. 100. - P. 183-215. DOI: https://doi. org/ 10.1016/j .optlastec.2017.10.014.

6. Stable, Single Frequency Er:YAG Lasers at 1.6 ^m / N.W.H. Chang, C.Y. Tsai, Y.F. Chen // IEEE Journal of Quantum Electronics. - 2010. - Vol. 46, № 7. -P. 1039-1042. DOI: https://doi.org/10.1109/JQE.2010.2046720.

7. Mid infrared lasers for remote sensing applications / B.M. Walsh, H.R. Lee, N.P. Barnes // Journal of Luminescence. - 2016. - Vol. 169, Pt. B. - P. 400-405. DOI: https://doi.org/10.1016/i.ilumin.2015.08.058.

8. Violet laser diode enables lighting communication / Y.-C. Chi, D.-H. Hsieh, C.-Y. Lin [et al.] // Scientific Reports. - 2017. - Vol. 7. - P. 10469. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-11126-y.

9. Dynamics of AkO3 particles accelerated in the field of a submillisecond pulse from an Er:YAG laser / A.V. Belikov // Technical Physics. - 2005. - Vol. 50, № 5. - P. 666-668. DOI: https://doi.org/10.1134/L1929445.10.

10. Ando, M. Stable operation of a 300-m laser interferometer with sufficient sensitivity to detect gravitational-wave events within our galaxy / M. Ando, S. Kawamura, S. Sakata [et al.] // Physical Review Letters. - 2001. - Vol. 86, № 18. -P. 3950-3953. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.86.3950.

11. De Vido, M. Characterisation of adhesive-free bonded crystalline Yb:YAG for high energy laser applications / M. De Vido, P.D. Mason, J.M. Smith, K. Ertel, S. Banerjee // Optical Materials Express. - 2017. - Vol. 7, № 2. - P. 425432. DOI: https://doi.org/10.1364/OME.7.000425.

12. Kunkel, N. Recent advances in rare earth doped inorganic crystalline materials for quantum information processing / N. Kunkel, P. Goldner // Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. - 2018. - Vol. 644, №2 2. - P. 66-76. DOI: https://doi.org/10.1002/zaac.201700342.

13. Böttger, T. Optical spectroscopy and decoherence studies of Yb3+:YAG at 968 nm / T. Böttger, C.W. Thiel, Y. Sun, R.M. Macfarlane, R.L. Cone // Physical Review B. - 2016. - Vol. 94, № 4. - P. 045134. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.045134.

14. Stimulated Raman adiabatic passage in Tm3+:YAG / A.L. Alexander, J.J. Longdell, M.J. Sellars, N.B. Manson // Physical Review B. - 2008. - Vol. 78, № 14.

- p. 144407. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.144407.

15. Mah, T. I., Parthasarathy, T. A. // Effects of temperature, environment, and orientation on the fracture toughness of single-crystal YAG. / Journal of the American Ceramic Society. - 1997. - Vol. 80. - P. 2730-2734. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1997.tb03185.x.

16. Coble, R.L. Transparent alumina and method of preparation: пат. 3026210 США / R.L. Coble; заявл. 03.01.1959; опубл. 20.03.1962.

17. Frantz, J. Materials 2012 / J. Frantz, B. Sadowski, I. Aggarwal // Materials.

- 2012. - Vol. 5, № 2. - P. 258-277. DOI: https://doi.org/10.3390/ma5020258.

18. Ikesue, A. Fabrication and Optical Properties of High-Performance Polycrystalline Nd:YAG Ceramics for Solid-State Lasers / A. Ikesue, I. Furusato, K. Kamata // Journal of the American Ceramic Society. - 1995. - Vol. 78, № 4. - P. 1033-1040. DOI: https://doi.org/10.1111/U151-2916.1995.tb08477.x.

19. Comparison of crystalline and ceramic composite Nd:YAG for high power diode end-pumping / D. Kracht, R. Wilhelm, M. Frede // Optics Express. - 2005. -Vol. 13, № 16. - P. 6212-6219. DOI: https://doi.org/10.1364/OPEX. 13.006212.

20. Laser Applications of Transparent Polycrystalline Ceramic / Q. Lou, J. Zhou, Y. Qi, H. Cai // Advances in Ceramics - Synthesis and Characterization, Processing and Specific Applications / ed. by Costas Sikalidis. - Rijeka: InTech, 2011. - P. 471-494. - ISBN 978-953-307-505-1.

21. Lutts G. B., Denisov A. L., Zharikov E. V., Zagumennyi A. / GSAG and YSAG: a study on isomorphism and crystal growth // Optical and Quantum Electronics. - 1990. - Vol. 22. - P. S269-S281. DOI: 10.1007/BF02089015.

22. Denisov A. L., Zharikov E. V., Zagumennyi A. I., Kalitin S. P., Smirnov V. A., Talybov A. I., Shcherbakov I. A. / Gadolinium scandium aluminum and yttrium scandium aluminum garnet crystals as active media for solid state lasers in the 1.5 ^m region // Journal of Applied Spectroscopy. - 1988. - Vol. 49. - P. 932935. DOI: 10.1007/BF00662785.

23. Zharikov, E.V. Rare-earth scandium garnets as an object of crystallization / E.V. Zharikov // Crystal Research and Technology. - 1989. - Vol. 24, № 8. - P. 745-750.

24. Generation of sub-100-fs pulses from a diode-pumped Yb:Y3ScALOi2 ceramic laser / J. Ma, J. Wang, D. Shen, A. Ikesue, D. Tang // Chinese Optics Letters. - 2017. - Vol. 15, № 12. - P. 121403. DOI: https://doi.org/10.3788/COL201715.121403.

25. Feng, Y. Fabrication and properties of 10 at.% Yb: Y3Sc1.5Al3.5O12 transparent ceramics / Y. Feng, Z. Hu, X. Chen, C. Chen, Y. Ou, Y. Liu, J. Li // Optical Materials. - 2019. - Vol. 88. - P. 339-344. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2018.11.057.

26. Cojocaru, G.V. One long and two short pumping pulses control for plasma x-ray amplifier optimization / G.V. Cojocaru, R.G. Ungureanu, R.A. Banici[et al.] // Optics Express. - 2016. - Vol. 24. - P. 14260. DOI: https://doi.org/10.1364/oe.24.014260.

27. Li, C., Zhang, Q., Zhang, Y., Zhang, F., Wang, X., Dong, G. // Nanoindentation and nanoscratch tests of YAG single crystals: An investigation into mechanical properties, surface formation characteristic, and theoretical model of

edge-breaking size. / Ceramics International. - 2020. - Vol. 46. - P. 3382-3393. DOI: 10.1016/j .ceramint.2019.10.048.

28. Huang, Z. Elastic properties of YAG: first-principles calculation and experimental investigation / Z. Huang, J. Feng, W. Pan // Solid State Sciences. -2012. - Vol. 14. - P. 1327-1332. DOI: https://doi.org/10.1016/i.solidstatesciences.2012.07.008.

29.Comparison of the mechanical properties of single crystal and polycrystalline yttrium aluminum garnet / L. Mezeix, D.J. Green // International Journal of Applied Ceramic Technology. - 2006. - Vol. 3, № 2. - P. 166-176. DOI: https://doi.org/10.1111/i.1744-7402.2006.02068.x.

30. Static and dynamic mechanical properties of yttrium aluminum garnet (YAG) / W. Jiang, X. Cheng, Z. Xiong, Z. Ma, T. Ali, H. Cai, J. Zhang // Ceramics International. - 2019. - Vol. 45, № 9. - P. 12256-12263. DOI: https://doi.org/10.1016/i.ceramint.2019.03.136.

31. Revised values of effective ionic radii / R.D. Shannon, C.T. Prewitt // Acta Crystallographica Section B: Structural Crystallography and Crystal Chemistry. -1970. - Vol. 26. - P. 1046-1048. DOI: https://doi.org/10.1107/S0567740870003576.

32.The application of lasers in vital pulp therapy: a review of histological effects / F. Afkhami, G. Rostami, C. Xu, L.J. Walsh, O.A. Peters // Lasers in Medical Science. - 2023. - Vol. 38. - P. 215. DOI: https://doi.org/10.1007/s10103-023-03854-7.

33.Effects of Er:YAG, Er,Cr:YSGG, and Nd:YAG laser irradiation and adhesive systems on the immediate and long-term bond strength of dentin: a systematic review and meta-analysis / G. Sun, X. Chen, F. Wei, T. Bai, S. Zhu // Lasers in Medical Science. - 2023. - Vol. 38. - P. 32. DOI: https://doi.org/10.1007/s10103-022-03699-6.

34. Deepak, J.R. Applications of lasers in industries and laser welding: a review / J.R. Deepak, R.P. Anirudh, S.S. Sundar // Materials Today: Proceedings. -2023. DOI: https://doi.org/10.1016/j .matpr.2023.02.102.

35.Wang, H., Huang, Z., Lu, Z., Wang, Q., Jiang, J. // Determination of the elastic and plastic deformation behaviors of Yb:Y3Al5O12 transparent ceramic by nanoindentation. / Journal of Alloys and Compounds. - 2016. - Vol. 682. - P. 3541. DOI: 10.1016/j.jallcom.2016.04.241.

36.Ein neues Verfahrenzur Messung der Kristallisations geschwindigkeit der Metalle / J. Czochralski // Zeitschrift fur Physikalische Chemie. - 1918. - Bd. 92. -S. 219-221.

37. Petrosyan, A.G. Crystal growth of laser oxides in the vertical Bridgman configuration / A.G. Petrosyan // Journal of Crystal Growth. - 1994. - Vol. 139. -P. 372-392. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-0248(94)90190-2.

38. Физико-химические основы и методы роста монокристаллов, выращивание кристаллов AkO3 бестигельной зонной плавкой [учеб.-метод. пособие по курсу "Физическая химия материалов и процессов электронной техники"]. - М.: Изд-во МИСиС, 2011. - 67 с.

39. Yoder, H.S. Complete substitution of aluminum for silicon / H.S. Yoder, M.L. Keith // American Mineralogist. - 1951. - Vol. 36. - P. 519-533.

40. Qadri, S.N. Epitaxial Growth of Single Crystal YAG for Optical Devices / S.N. Qadri, W. Kim, S. Bayya, L.B. Shaw, S.B. Qadri, J. Kolis, B. Stadelman, J. Sanghera // Coatings. - 2021. - Vol. 11, № 6. - P. 644. DOI: https://doi.org/10.3390/coatings11060644.

41. Зверев, Г.М. Лазеры на кристаллах и их применение / Г.М. Зверев. -М.: Радио и связь, 1994. - 332 с.

42. Ельяшевич, М.А. Атомная и молекулярная спектроскопия / М.А. Ельяшевич. - 3-е изд., стер. - М.: Едиториал УРСС, 2001. - 895 с. - ISBN 58360-0150-3.

43. Сербо, В.Г. Квантовая механика / В.Г. Сербо, И.Б. Хриплович. -Новосибирск: Изд-во НГУ, 2008. - 274 с.

44. Лебедев, В.П. // Физика твердого тела. - 1977. - Т. 19. - С. 1373-1376.

45. Басиев, Т.Т. Миграция энергии по ионам Yb3+ в кристаллах гранатов / Т.Т. Басиев, Ю.К. Воронько, Т.Г. Мамедов, И.А. Щербаков // Квантовая электроника. - 1975. - Т. 2, № 10. - С. 2172-2182.

46. Вайнштейн, Б.К. Современная кристаллография. Т. 3: Образование кристаллов / Б.К. Вайнштейн, В.М. Фридкин, В.Л. Инденбом. - М.: Наука, 1980. - 408 с.

47. Geusic, J.E. Laser oscillations in nd-doped yttrium aluminum, yttrium gallium and gadolinium garnets / J.E. Geusic, H.M. Marcos, L.G. Van Uitert // Applied Physics Letters. - 1964. - Vol. 4, № 10. - P. 182-184. DOI: https://doi.org/10.1063/U753928.

48.Saikawa, J. Femtosecond Yb3+-doped Y3(Sco.5Alo.5)5Oi2 ceramic laser / J. Saikawa, Y. Sato, T. Taira, A. Ikesue // Optical Materials. - 2007. - Vol. 29, № 10.

- P. 1283-1288. DOI: https://doi.org/10.1016/i.optmat.2006.12.010.

49. P. Lacovara, Room-temperature diode-pumped Yb:YAG/ H. K. Choi, C. A. Wang, R. L. Aggarwal, and T. Y. Fan// Opt. Lett.- 1991. -Vol.16, - P. 10891091

50. Comparative spectroscopic investigation of Yb-doped YAG, YSAG and YLaO3 transparent ceramics / B.X. Jia, T.D. Huang, Y.S. Wang, W.B. Liu, Y.B. Pan, T. Feng, Q.H. Yang // Chinese Physics B. - 2008. - Vol. 17, № 9. - P. 34073411. DOI: https://doi.org/10.1088/1674-1056/17/9/037.

51. Dong, J. Continuous-wave and Q-switched microchip laser performance of Yb:Y3Sc2AbOi2 crystals / J. Dong, K. Ueda, A.A. Kaminskii // Optics Express. -2008. - Vol. 16, № 8. - P. 5241-5251. DOI: https://doi.org/10.1364/OE.16.005241.

52. Ma, J. Generation of sub-100-fs pulses from a diode-pumped Yb:Y3ScALOi2 ceramic laser / J. Ma, J. Wang, D. Shen, A. Ikesue, D. Tang // Chinese Optics Letters. - 2017. - Vol. 15, № 12. - P. 121403. DOI: https://doi.org/10.3788/COL201715.121403.

53. Pirri, A. A comprehensive characterization of a 10 at.% Yb:YSAG laser ceramic sample / A. Pirri, G. Toci, J. Li [et al.] // Materials. - 2018. - Vol. 11, № 5.

- P. 837. DOI: https://doi.org/10.3390/ma11050837.

54. Feng, Y. Fabrication and properties of 10 at.% Yb:Y3Sci.5Ah.5Oi2 transparent ceramics / Y. Feng, Z. Hu, X. Chen, C. Chen, Y. Ou, Y. Liu, J. Li // Optical Materials. - 2019. - Vol. 88. - P. 339-344. DOI: https://doi.org/10.1016/i.optmat.2018.11.057.

55. Toci, G. An in depth characterization of the spectroscopic properties and laser action of 10 at% Yb doped Y3ScxAl5-xOi2 (x=0.25, 0.5, 1.0, 1.5) transparent ceramics / G. Toci, A. Pirri, B. Patrizi, Y. Feng, T. Xie, Z. Yang, M. Vannini // Ceramics International. - 2020. - Vol. 46, № 11. - P. 17252-17260. DOI: https://doi.org/10.1016/i.ceramint.2020.04.006.

56. Nikova, M.S., X-Ray Diffraction Analysis of YSAG:Yb Ceramic Powders with Different Stoichiometry / Vakalov, D.S., Tarala, V.A., Chikulina, I.S., Malyavin, F.F., Ambarcumov, M.G., //Solid State Phenomena. -2020. № 310, - P. 1-5. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/ssp.310.!.

57. Bret, G. Giant-pulse laser and light amplifier using variable transmission coefficient glasses as light switches / G. Bret, F. Gires // Applied Physics Letters. -1964. - Vol. 4, № 10. - P. 175-176. DOI: https://doi.org/10.1063/1.1753924.

58. Hostasa, J. Effect of Ga3+/Sc3+ on Yb3+ emission in mixed YAG at cryogenic temperatures / J. Hostasa, V. Jambunathan, D. Chernomorets, A. Piancastelli, C. Zanelli, G. Chayran, L. Esposito // Optical Materials: X. - 2024. -Vol. 22. - P. 100305. DOI: https://doi.org/10.1016/jomx.2024.100305.

59. Ikesue, A. Ceramic laser materials / A. Ikesue, Y. Aung // Nature Photonics. - 2008. - Vol. 2, № 12. - P. 721-727. DOI: https://doi.org/10.1038/nphoton.2008.243.

60. Feng, T. Preparation of transparent Ce:YSAG ceramic and its optical properties / T. Feng, J. Shi, D. Jiang // Journal of the European Ceramic Society. -2008. - Vol. 28, № 13. - P. 2539-2543. DOI: https://doi.org/10.1016/i.ieurceramsoc.2008.03.028.

61. Synthesis of Yb:YAG Ceramics Without Sintering Additives and their Performance / A. Ikesue, Y.L. Aung // Journal of the American Ceramic Society. -2017. - Vol. 100, № 1. - P. 26-30. DOI: https://doi.org/10.1111/iace.14522.

62. Synthesis of nano-sized and highly sinterable Nd:YAG powders by the urea homogeneous precipitation method / Y. Lv, W. Zhang, H. Liu, J. Li, W. Liu // Powder Technology. - 2012. - Vol. 217. - P. 140-147. DOI: https://doi.org/10.1016/j.powtec.2011.10.020.

63. Nikova, M.S. The scandium impact on the sintering of YSAG:Yb ceramics with high optical transmittance / M.S. Nikova, V.A. Tarala, F.F. Malyavin, D.S. Vakalov, V.A. Lapin, D.S. Kuleshov, A.A. Kravtsov, I.S. Chikulina, L.V. Tarala, E.A. Evtushenko, E.V. Medyanik, S.O. Krandievsky, A.V. Bogach, S.V. Kuznetsov // Ceramics International. - 2022. - Vol. 47, № 2. - P. 1772-1784. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.09.003.

64. Microstructure and Spectroscopic Properties of 10% Yb-YSAG Transparent Ceramics / G. Demirkhanyan, B. Patrizi, G. Toci, M. Vannini, J. Li, A. Pirri, R. Kostanyan, Y. Feng, T. Xie, L. Wu, D. Zargaryan, P. Muzhikyan // Journal of the American Ceramic Society. - 2023. - Т. 106. № 5. - С. 3450-3460.

65. Никова, М. С. Синтез и исследование оксидных композиций со структурой граната в системе Y2O3-Yb2O3-Sc2O3-AhO3 для оптической керамики: дис. ... канд. техн. наук: 05.27.06 / Никова Марина Сергеевна. -Ставрополь, 2020. - 143 с. - Текст: электронный // Электронная библиотека диссертаций: [сайт]. - URL: https://www.dissercat.com/content/sintez-i-issledovanie-oksidnykh-kompozitsii-so-strukturoi-granata-v-sisteme-y2o3-yb2o3-sc2o3 (дата обращения: 1.10.2025).

66. Zhmykhov, V. Yb:YSAG ceramics: An attractive thin-disk laser material alternative to a single crystal? / V. Zhmykhov, D. Guryev, V.S. Tsvetkov, Y. Pyrkova, A. Shvedchenko, E. Dobretsova, S. Kuznetsov, M. Nikova, V. Tarala, V.B. Tsvetkov // Ceramics International. - 2024. - Vol. 50, № 23. - P. 50358-50366. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.09.381.

67. Feng, Y. Influences of the Sc3+ content on the microstructure and optical properties of 10 at.% Yb:Y3ScxAb-xOi2 laser ceramics / Y. Feng, G. Toci, A. Pirri, B. Patrizi, X. Chen, J. Wei, H. Pan, X. Zhang, X. Li, M. Vannini, J. Li // Journal of

Alloys and Compounds. - 2020. - Vol. 815. - P. 152637. DOI: https://doi.org/10.1016/i.iallcom.2019.152637.

68. Pirri, A. A Comprehensive Characterization of a 10 at.% Yb:YSAG Laser Ceramic Sample / A. Pirri, G. Toci, J. Li, Y. Feng, T. Xie, Z. Yang, B. Patrizi, M. Vannini // Materials. - 2018. - Vol. 11, № 5. - P. 837-845. DOI: https://doi.org/10.3390/ma11050837.

69. Saikawa, J. Absorption, emission spectrum properties, and efficient laser performances of Yb:Y3ScAl4Oi2 ceramics / J. Saikawa, Y. Sato, T. Taira, A. Ikesue // Applied Physics Letters. - 2004. - Vol. 85. - P. 1898-1900. DOI: https://doi.org/10.1063/n791339.

70. Nd:YAG Near-Infrared Luminescent Nanothermometers / A. Benayas, D. Jaque, F. Vetrone, K. Yanagisawa // Advanced Optical Materials. - 2015. - Vol. 3, № 5. - P. 687-694. DOI: https://doi.org/10.1002/adom.201400547.

71. Rare-earth-doped Y3AlsOi2 (YAG) nanophosphors: synthesis, surface functionalization, and applications in thermoluminescence dosimetry and nanomedicine / A. Jain, P. Sengar, G.A. Hirata // Journal of Physics D: Applied Physics. - 2018. - Vol. 51, № 30. - P. 303002. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/aacb1a.

72. The influence of the Sc3+ dopant on the transmittance of (Y,Er)3AlsOi2 ceramics /Dobretsova E., Zhmykhov V., Kuznetsov S., Chikulina I., Nikova M., Tarala V., Tsvetkov V. //Dalton Transactions. 2021. Vol. 50, № 40. P. 14252-14256. https://doi.org/10.1039/D1DT02419A.

73. Sellmeier, W. Ueber die durch die Aetherschwingun generregten Mitschwingungen der Körpertheilchen und deren Rück wirkung auf die ersteren, besonderszur Erklärung der Dispersion und ihrer Anomalien (II. Theil) / W. Sellmeier // Annalen der Physik und Chemie. - 1872. - Vol. 223. - No. 11. - P. 386403. DOI: 10.1002/andp.18722231105.

74. Drdlikova, K. Effect of annealing temperature on the transparency of YAG ceramics / K. Drdlikova, R. Klement, D. Drdlik, T. Spusta, D. Galusek, K. Maca //

Journal of the European Ceramic Society. - 2017. - Vol. 37, № 7. - P. 2695-2703. DOI: https://doi.org/10.1016/ijeurceramsoc.2017.02.025.

75. Lyberis, A. Origin of light scattering in ytterbium doped calcium fluoride transparent ceramic for high power lasers / A. Lyberis, G. Patriarche, P. Gredin, D. Vivien, M. Mortier // Journal of the European Ceramic Society. - 2011. - Vol. 31, № 9. - P. 1619-1630. DOI: https://doi.org/10.1016/jjeurceramsoc.2011.02.038.

76. Database of ionic radii. http://abulafia.mt.ic.ac.uk/shannon/ptable.php.

77. Patel, A.P. Mechanisms of nonstoichiometry in Y3AhOi2 / A.P. Patel, M.R. Levy, R.W. Grimes, R.M. Gaume, R.S. Feigelson, K.J. McClellan, C.R. Stanek // Applied Physics Letters. - 2008. - Vol. 93, № 19. - P. 191902. DOI: https://doi.org/10.1063/L3002303

78. A new empirical formula for the calculation of an elementary cell parameter of synthetic oxides-garnets/ Y.P. Vorobiov, O.V. Carban// J. Solid State Chem. 134 (2) (1997) 338-343, https://doi.org/10.1006/jssc.1997.7570.

79. Chen, X. Effect of MgO doping on the structure and properties of YAG transparent ceramics / X. Chen, Y. Wu, N. Wei, J. Qi, Z. Li, Q. Zhang, T. Huang, Q. Zhang, T. Li // Journal of the European Ceramic Society. - 2018. - Vol. 38, № 5. -P. 1957-1965. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.11.041.

80. Lu, Z. Fabrication and optical properties of Nd:YAG transparent ceramics with tetraethyl orthosilicate as sintering aid / Z. Lu, T. Lu, N. Wei, W. Zhang, B. Ma, J. Qi, Y. Guan, X. Chen, H. Wu, Y. Zhao // Optical Materials. - 2015. - Vol. 47. - P. 292-296. DOI: https://doi.org/10.1016/joptmat.2015.05.025.

81. Jiang, N. Effect of air annealing on the optical properties and laser performance of Yb:YAG transparent ceramics / N. Jiang, C. Ouyang, Y. Liu, W. Li, Y. Fu, T. Xie, Q. Liu // Optical Materials. - 2019. - Vol. 95. - P. 109203. DOI: https://doi.org/10.1016/j .optmat.2019.109203.

82. Kushida, T. Interference analogy of Raman-luminescence problem and experimental discrimination by polarization correlation / T. Kushida, E. Takushi, V. Oka // Journal of Luminescence. - 1976. - Vol. 12-13. - P. 723-727. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-2313(76)90066-7.

83. McCumber, D.E. Theory of phonon-terminated optical masers / D.E. McCumber // Physical Review. - 1964. - Vol. 134, № 2A. - P. A299-A306. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev. 134.A299.

84. Desurvire, E. Erbium-doped fiber amplifiers. Principles and Applications / E. Desurvire. - New York: John Wiley & Sons, Inc., 1994. - 438 p.

85. McCumber, D. E. Einstein relations connecting broadband emission and absorption spectra / D. E. McCumber // Physical Review. - 1964. - Vol. 136, № 4A.

- P. A954-A957. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRev.136.A954

86. Yoshikawa, A. Growth and spectroscopic analysis of YV+-doped Y3AlsOi2 fiber single crystals / A. Yoshikawa, G. Boulon, L. Laversenne, H. Canibano, K. Lebbou, A. Collombet, Y. Guyot, T. Fukuda // Journal of Applied Physics. - 2003. - Vol. 94, № 9. - P. 5479-5486. DOI: https://doi.org/10.1063/L1614863.

87. Zhmykhov, V. Lasing characteristics of YV+:YSAG ceramics and YAG single crystal: A temperature dependency study / V. Zhmykhov, D. Guryev, V.S. Tsvetkov, E. Dobretsova, Y. Pyrkov, S. Kuznetsov, M. Nikova, V. Tarala, V.B. Tsvetkov // Optical Materials. - 2025. - Vol. 164. - P. 117029. DOI: https://doi.org/10.1016/ioptmat.2025.117029.

88. Huber, G. Solid-state laser materials / G. Huber // Laser sources and applications / ed. by A.B. Smith, C.D. Jones. - Boca Raton: CRC Press, 1997. - P. 45-66. - ISBN 9781003072836.

89. Tang, F. Photoluminescence and laser behavior of Yb:YAG ceramic / F. Tang, J. Huang, G. Wang, W. Wang [et. all] // Optical Materials. - 2012. - Vol. 34.

- P. 757-760. DOI: https://doi.org/10.1016/i.optmat.2011.11.028.

90. Sumida, D.S. 100-W quasi-continuous-wave diode radially pumped microchip composite Yb:YAG laser / D.S. Sumida, T.Y. Fan // Optics Letters. -1994. - Vol. 19. - P. 1343-1345. DOI: https://doi.org/10.1364/OL.19.001343.

91. Körner, J. Temperature dependent spectroscopic study of Yb3+-doped KGd (WO4>, KY(WO4)2, YAlO3, and LiYF4 for laser applications / J. Körner, M. Krüger,

J. Reiter, A. Munzer, J. Hein, M.C. Kaluza // Optical Materials Express. - 2020. -Vol. 10, № 10. - P. 2425-2438. DOI: https://doi.org/10.1364/OME.400932.

92. Demirbas, U. Temperature and doping dependence of fluorescence lifetime in Yb:YLF (role of impurities) / U. Demirbas, J. Thesinga, M. Kellert, M. Pergament, F.X. Kartner // Optical Materials. - 2021. - Vol. 112. - P. 110792. DOI: https://doi.org/10.1016/ioptmat.2020.110792.

93. Kushawaha, V. Laser performance of Yb:YAG ceramics / V. Kushawaha, A. Banerjee, L. Major // Applied Physics B. - 1993. - Vol. 56. - P. 239-242. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00348632.

94. Findlay, D. The measurement of internal losses in laser oscillators / D. Findlay, R.A. Clay // Physics Letters. - 1966. - Vol. 20. - P. 277-278. DOI: https://doi.org/10.1016/0031-9163(66)90363-5.

95. Mat Daud, Y. Optical and lasing properties of Er:YAG ceramics / Y. Mat Daud, A.R. Tamuri, N. Bidin // Jurnal Fizik UTM. - 2008. - Vol. 3. - P. 38-42.

96. Montoya E. Electron-phonon coupling in Yb3+:LiNbO3 laser crystal, Zorc A., Ristic D., Grube V// Journal of Luminescence - 2001, - Vol. 94-95, - P. 701705. doi:10.1016/S0022-2313(01)00350-7.

97. Bielawski, S. Observation and characterization of a low-frequency instability in a laser with a saturable absorber / S. Bielawski, D. Derozier, P. Glorieux // Phys. Rev. A. - 1992. - Vol. 46, № 5. - P. 2811-2820.

98. Leners, R. Measurement of the modal birefringence of single-mode optical fibers by wavelength scanning / R. Leners, P.L. Francois, G. Stephan // Optics Letters. - 1994. - Vol. 9. - P. 275. DOI: 10.1364/OL.9.000275.

99. Khandokhin, P.A. Quantum and Semiclassical Optics / P.A. Khandokhin, Ya.I. Khanin, N.D. Milovsky, E.Yu. Shirokov, S. Bielawski, D. Derozier, P. Glorieux // Quantum and Semiclassical Optics. - 1998. - Vol. 10. - P. 97.

100. Dong, J. Concentration-Dependent Laser Performance of Yb:YAG Ceramics and Passively Q-switched Yb:YAG/Cr,Ca:YAG Lasers / J. Dong, K. Ueda, H. Yagi [et al.] // Advances in Solid State Lasers Development and

Applications / Ed. by V.N. Zakharchenko, M.S. Pashkevich. - Rijeka (Croatia): InTech, 2010. - P. 1-24. DOI: https://doi.org/10.5772/7943.

101. Otsuka, K. Polarization properties of laser-diode-pumped micro-grained Nd:YAG ceramic lasers / K. Otsuka, T. Ohtomo // Laser Physics Letters. - 2008. -Vol. 5, № 9. - P. 659-664. DOI: https://doi.org/10.1002/lapl.200810049.

102. Хандохин, П.А. Поляризационная динамика лазерана Nd:YAG-керамике / П.А. Хандохин, И.В. Иевлев, Ю.С. Лебедева, И.Б. Мухин, О.В. Палашов, Е.А. Хазанов // Квантовая электроника. - 2011. - Т. 41, № 2. - С. 103-109.

Публикации автора по теме диссертации

1. The influence of the Sc3+ dopant on the transmittance of (Y,Er)3AL0i2 ceramics / Dobretsova E., Zhmykhov V., Kuznetsov S., Chikulina I., Nikova M., Tarala V., Tsvetkov V. // Dalton Transactions. 2021. Vol. 50, № 40. P. 14252-14256. https://doi.org/10.1039/D1DT02419A

2. Оптические и лазерные характеристики Yb:YSAG-керамики / Жмыхов В.Ю., Гурьев Д.А., Цветков В.С., Добрецова Е.А., Пырков Ю.Н., Кузнецов С.В., Никова М.С., Тарала В.А., Вакалов Д.С., Кравцов А.А., Цветков В.Б. // Оптика и спектроскопия. 2023. Т. 131, № 5. С. 597-605. https://doi.org/10.21883/0S.2023.05.55710.68-22

3. Yb:YSAG ceramics: An attractive thin-disk laser material alternative to a single crystal? / Zhmykhov V., Guryev D., Tsvetkov V.S., Pyrkova Y., Shvedchenko A., Dobretsova E., Kuznetsov S., Nikova M., Tarala V., Tsvetkov V.B. // Ceramics International. 2024. Vol. 50, № 23. P. 50358-50366. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.09.381

4. Studying temperature dependence of lasing characteristics of Yb3+:YSAG ceramics and YAG single crystals from 325 to 400 K/ Zhmykhov V., Guryev D., Tsvetkov V.S., Dobretsova E., Pyrkov Y., Kuznetsov S., Tarala V., Nikova M., Tsvetkov V.B. // Optical Materials. 2025. Vol. 164. P. 117029. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2025.117029

Список докладов на конференциях по теме диссертации

1. Добрецова Е.А., Жмыхов В.Ю., Пырков Ю.Н., Никова М.С., Чикулина И.С., Тарала В.А., Вакалов Д.С., Кузнецов С.В., Цветков В.Б., Оптические свойства керамик 50 at.% Er3+:YAG, Международная конференция Laser Optics (ICLO), Санкт-Петербург, 2020.

2. Жмыхов В.Ю., Добрецова Е.А., Пырков Ю.Н., Никова М.С., Чикулина И.С., Тарала В.А., Вакалов Д.С., Кузнецов С.В., Цветков В.Б., Влияние ионов Sc3+ на время жизни флуоресценции Yb3+ в керамике Yb:YSAG, Международная конференция Laser Optics (ICLO), Санкт-Петербург, 2022.

3. Добрецова Е.А., Жмыхов В.Ю., Кузнецов С.В., Никова М.С., Чикулина И.С., Тарала В.А., Вакалов Д.С., Хмельницкий Р., Бадьянова Л., Пыненков А., Fabrication and Characterization of New Er-Doped Yttrium-Scandium-Aluminum-Garnet Ceramics, Международная конференция Chem. Proc., онлайн, 2022.

4. Жмыхов В.Ю., Добрецова Е.А., Цветков В.С., Шведченко А.А., Кузнецов С.В., Пырков Ю.Н., Тарала В.А., Вакалов Д.С., Цветков В.Б., Температурная зависимость спектральных и кинетических характеристик лазерной керамики 8.3(3) at.% Yb:YSAG, Международная конференция Laser Optics (ICLO), Санкт-Петербург, 2024.

5. Жмыхов В.Ю., Гурьев Д.А., Добрецова Е.А., Цветков В.С., Пырков Ю.Н., Кузнецов С.В., Никова М.С., Кравцов А.А., Цветков В.Б., Температурная зависимость лазерных свойств керамики 8.3(3) at.% Yb:YSAG, Международная конференция Laser Optics (ICLO), Санкт-Петербург, 2024.

6. Цветков В.Б., Жмыхов В.Ю., Добрецова Е.А., Цветков В.С., Пырков Ю.Н., Никова М.С., Чикулина И.С., Тарала В.А., Вакалов Д.С., Кузнецов С.В., Влияние ионов Sc3+ на время жизни флуоресценции Yb3+ в керамике Yb:YSAG,

Труды школы-семинара «Волны-2022». Когерентная и нелинейная оптика, том 1, стр. 43-44. 2022, Москва.

7. Жмыхов В.Ю., Гурьев Д.А., Цветков В.С., Добрецова Е.А., Кузнецов С.В., Никова М.С., Чикулина И.С., Вакалов Д.С., Тарала В.А., Цветков В.Б., Квази-CW характеристики лазерной генерации керамики Yb:YSAG, Сборник трудов конференции «International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT)», 2022. Москва.

8. Жмыхов В.Ю., Гурьев Д.А., Добрецова Е.А., Цветков В.С., Кузнецов С.В., Квази-непрерывные характеристики генерации керамики Yb:YSAG, Тезисы докладов Школы-конференции молодых ученых «Прохоровские недели», .№1. 2022, Москва.

9. Жмыхов В.Ю., Добрецова Е.А., Кузнецов С.В., Оптические свойства керамик YAG и YSAG с высоким содержанием Er3+, Тезисы докладов Школы-конференции молодых ученых «Прохоровские недели», №1. 2020, Москва.

Благодарности

Автор диссертационный работы благодарит своего научного руководителя Добрецову Елену Анатольевну за предложенную тему, за помощь на всех этапах работы при написании диссертации, систематические консультации и обсуждения полученных результатов.

Особая благодарность доктору физико-математических наук Цветкову В.Б. за регулярные консультации.

Автор выражает благодарность сотрудникам НЦЛМТ за ценные замечания, а также внутреннему рецензенту Дорошенко М.Е. за внимательное рассмотрение работы.

Выражаю благодарность за ценные рекомендации, экспертные советы и практическую помощь в работе с оптической керамикой Кузнецову С.В.

Отдельная благодарность кандидату физико-математических наук Гурьеву Д.А. за помощь в конструировании установки для получения генерации излучения и обсуждение полученных данных.

Благодарность сотрудникам отдела лазерных кристаллов ИОФ РАН: Цветкову В.С., Пыркову Ю.Н. и Камынину В.А. за помощь в предоставлении и создании специального оборудования, консультации при выполнении экспериментов и активные обсуждения результатов.

Автор также благодарен научной группе под руководством Таралы В.А. из научно-лабораторного комплекса чистых зон СКФУ.