低次元結晶場による新規近紫外レーザー結晶の作成と光学評価

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650659
• Research Institution: AKITA UNIVERSITY
• Principal Investigator: 小玉 展宏 秋田大学, 工学資源学部, 教授 (90282152)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山家 光男 岐阜大学, 工学部, 教授 (90159202)
• Keywords: 分光 / 結晶場 / レーザー / 単結晶 / 結晶成長 / 構造解析

Research Abstract

本研究の目的は、Ce^<3+>配位多面体結晶場の低次元・低対称性と光学スペクトルとの相関を明らかにし、その知見に基づき、近紫外域(340-420nm)での新規な発光材料を作成、波長可変レーザー発振の可能性を探ることである。本研究では、低対称性結晶場をもつ酸化物メリライト型結晶A_2B_3O_7(A=Ca,Y;B=Al,Si)、フッ化物結晶BaMgF_4,CaYNaYF_6にCe^<3+>を添加した結晶を育成し、配位多面体の結晶場対称、歪みによるCe^<3+>励起状態のエネルギー分裂、分光特性及び結晶欠陥構造を調べ、以下の知見、成果を得た。
1.フッ化物及び酸化物中のCe^<3+>配位多面体結晶場の低対称性と強さの励起状態のエネルギー準位、光学スペクトルへの影響を明らかにした。Ce^<3+>励起状態のエネルギー準位の重心は、配位多面体サイズによる平均結晶場の強さに比例、分裂幅は配位多面体の低対称歪みに比例するという知見を得た。
2.2種のメリライトCa_2Al_2SiO_7,CaYAl_3O_7にCe^<3+>を添加した結晶は近紫外〜可紫(380〜460nm)で不均一拡がりによる幅広い発光を示すこと及び励起波長がNd:YAGレーザーの第3高調波(355nm)に一致することを見い出した。フッ化物BaMgF_4にCe^<3+>を添加した結晶は、近紫外(270〜400nm)の発光を持ち、それが規則位置のCe^<3+>と電荷補償体或いは欠陥の摂動を受けたCe^<3+>の二つの光学中心によることを明らかにした。その励起波長はNd:YAGレーザーの第4高調波(266nm)に一致することを見い出した。これらBaMgF_4:にCe^<3+>,Ca_2Al_2SiO_7:Ce^<3+>は、新しい全固体波長可変紫外レーザー材料となり得る事を示した。
3.新しい光機能として、2種のメリライトCa_2Al_2SiO_7,CaYAl_3O_7にCe^<3+>を添加した結晶で、UV光あるいは近赤外フェムト秒レーザー照射により紫〜青色の長残光を発現する事を見い出し、そのメカニズムを熱誘起の電子-正孔再結合モデルで説明した。これらは新しい光機能材料への展開が期待される。

Research Products

• [Publications] Nobuhiro Kodama: "Energy levels and symmetry of Ce^<3+> in fluoride and oxide crystals"Journal of Applied Physics. 84 No.10. 5820-5822 (1998)
• [Publications] Mitsuo Yamaga: "Optical Spectroscopy of Ce^<3+> in CaNaYF6 and BaMgF_4"Radiation Effects & Defects in Solids. 149. 335-339 (1999)
• [Publications] Nobuhiro Kodama: "Crystal field splitting and symmetry of Ce^<3+> polyhedron in oxide crystals"Radiation Effects & Defects in Solids. 149. 159-164 (1999)
• [Publications] Nobuhiro Kodama: "Long-lasting phosohorescence in Ce^<3+>-doped Ca_2Al_2SiO_7 and CaYAl_3O_7 crystals"Applied Physics Letters. 75 No.12. 1715-1717 (1999)
• [Publications] Jianrong Qiu: "Infrared femtosecond laser pulse-induced three-dimensional bright and long-lasting phosphorescence in a Ce^<3+>-doped Ca_2Al_2SiO_7 crystal"Applied Optics. 38 No.35. 7202-7205 (1999)
• [Publications] Mitsuo Yamaga: "Optical properties of two Ce^<3+>-site centers in BaMgF_4 : Ce^<3+> crystals"Journal of Luminescence. (in press). (2000)
• [Publications] Nobuhiro Kodama: "Optical properties of long-lasting phophorescent crystals Ce^<3+>-doped Ca_2Al_2SiO_7 and CaYAl_3O_7"Journal of Luminescence. (in press). (2000)