Поляризационно-оптические свойства иона тербия в кристалле

Экспериментально исследованы поляризованные спектры оптического поглощения перехода в редкоземельном (:) гранате при температуре T = 90 К. Показано, что нетривиальный характер анизотропии поглощения , наблюдаемый при низких температурах может быть связан как с характером симметрии волновых функций подуровней и мультиплетов.

В настоящее время предполагается, что химически устойчивые, механически прочные и оптически однородные монокристаллы тербиевых гранатов (:) могут быть применены для создания функциональных оптоэлектронных устройств (оптических изоляторов и модуляторов, высокоэффективных лазерных матриц, рабочих элементов устройств интегральной оптики, акустооптики и т. д.) в силу больших величин магнитооптических эффектов и малого оптического поглощения.

Редкоземельный (РЗ) гранаты обладает весьма интересным набором магнитных и оптических свойств [1]. С одной стороны, низко симметричное кристаллическое окружение РЗ_иона в кристалле приводит к сильной анизотропии магнитной восприимчивости кристалла [2] и к возникновению в нем двухступенчатых метамагнитных переходов при ориентации внешнего поля [1]. С другой стороны, интенсивная флуоресценция, обнаруженная в [3–5] на излучательных переходах между мультиплетами  (где J = 6,5,…1,0), и наличие инфракрасных (ИК) полос поглощения, связанных с переходами между состояниями мультиплетов , могут привести к возникновению стимулированного излучения при использовании оптической накачки лазерными ИК_светодиодами. Однако необходимая для этих целей информация о спектроскопических параметрах, симметрии волновых функций подуровней мультиплетов основной -конфигурации РЗ_иона , комбинирующих в возможных лазерных переходах, имеет в настоящее время довольно противоречивый характер [1].

В связи с этим в настоящей работе предпринято экспериментальное исследование спектров оптического поглощения линейно-поляризованного света при температуре T = 90K. Спектры поглощения регистрировались в интервале 483–490нм (20300–20750). Аппаратное разрешение экспериментальной установки в указанном диапазоне энергий составляло ~1.5 . Измерения проводились при распространении света вдоль кристаллографического направления [001] кристалла (рис.) . Погрешность установки осей кристалла составляла ~2°–3°.

В верхней части рисунка приведен спектр полосы поглощения на 4f4f переходе иона в TbGaG, записанный в отсутствии внешнего поля при Т=90K, Характерные особенности полос поглощения и люминесценции (совпадающие по энергиям) обозначены вертикальными стрелками. Из рисунка хорошо видно, что линии поглощения 1, 4, 5 и 6 являются синглетными, и по-видимому, происходят из основного состояния мультиплета РЗ — иона Tb³⁺. Кроме того, линии поглощения при энергиях 20550cm^-1 (486,6 nm) и 20428 cm^-1 (489,5 nm) представляют собой дублетные линии 2 и 3, соответственно, причем, линии 2, 3 обусловлены также оптическими переходами из основного состояния мультиплета РЗ — иона в структуре тербий-галлиевого граната.

Можно полагать, что предложенное объяснение природы оптической анизотропии, базирующееся на квантово-геометрических соображениях, может быть применено практически ко всем оптическим переходам из основного состояния (квазидублета) мультиплета 7F6 на штарковские подуровни возбужденных мультиплетов (8)-конфигурации некрамерсовского РЗ-иона .

Рис. Спектр полосы поглощения ⁷F₆  ⁵D₄ в TbAlG, записанный в правой ₊ (сплошные линии) и левой _ (пунктир) — поляризациях при Т=90K во внешнем магнитном поле Н=7 кОе, параллельном кристаллографической оси [001]. На вставке: полевая зависимость зеемановского расщепления линии поглощения 1 при Т=90К

Литература:

1. Валиев У. В., Грубер Дж.Б, Саидов К. С., Рустамов У. Р., Соколов В. Ю. Магнитооптическое исследование нечетной составляющей кристаллического поля в тербий-иттрий алюминиевом гранате. //Письма в ЖТФ, том 29, вып. 21. Москва, 2003, с.7–16.
2. Валиев У. В., J. B. Gruber, D.Sardar, B.Zandi, И. С. Качур, А. К. Мухаммадиев, В. Г. Пирятинская, В. Ю. Соколов, И. С. Эдельман. Эффект Зеемана и особенности штарковского расщепления электронных состояний редкоземельного иона в тербиевых парамагнитных гранатах Tb₃Ga₅O₁₂ и Tb₃Al₅O₁₂// ФТТ. — 2007. — Т.49. — В.1. — c.87–94.