Krom katkılanmış oksit kristallerin spektroskopisi
Spectroscopy of chromium doped oxide crystals
Yazar: HÜMEYRA ÖRÜCÜ
Danışman: PROF. DR. RECEP YANIK
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Fotolüminesans = Photoluminescence ; Garnet = Granet ; Yaşam süresi = Lifetime

Özet:
Doldurulmamış d3 elektron kabuğuna sahip geçiş metal iyonları (Cr+3, Mn+4, V+2,?) en çok garnet yapılı oksit kristallerde, katıhal lazer sınıfı için yeni aktif ortam arayan araştırmacılar tarafından çalışılmaktadır. Bu çalışmanın temel amacı dört garnet kristaline katkılanan Cr+3 iyonunun emisyonunun konak kristale ve sıcaklığa bağlılığını incelemektir. Cr+3 katkılanmış garnet kristallerin lüminesans özellikleri 25 ile 800 K sıcaklık aralığında incelenmiştir.Kristaller giderek azalan kristal alan şiddetine sahip Y3Al5O12 (YAG), Gd3Ga5O12 (GGG), Gd3Sc2Ga3O12 (GSGG) ve CaY2Mg2Ge3O12 (CMYGG) dir. Bu çalışmada soğurma, emisyon, zamana bağlı lüminesans spektrumları, darbeli uyarma ölçümleri ve yaşam süresi hesapları yapılmıştır.Sıcaklık çalışmaları fononları incelemek üzere YAG için 800 K, GGG ve GSGG için 700 K değerine kadar genişletilmiştir. Daha önce literatürde yer almayan CYMGG kristali için 25-700 K sıcaklıkları arasında emisyon spektrumları ve darbeli uyarma ölçümleri yapılmıştır. Cr ile katkılandırılmış garnet kristallerinin emisyon spektrumlarının kristal alan şiddetine ve sıcaklığa bağlı olarak nasıl değiştiği incelenmiş ve her bir kristal içinde Krom iyonunun işgal ettiği merkezlerin sayısı bulunmuştur.Kristal alan şiddeti azaldıkça 4T2 seviyesinin etkisinin giderek arttığı tespit edilmiştir. GSGG ve CMYGG kristalleri için R çizgisinin emisyonu kT > ? E durumuna karşılık gelen sıcaklıklarda bile gözlenmektedir. Fakat YAG ve GGG kristalleri için bu durum söz konusu değildir. Ayrıca 2E ile 4T2 seviyeleri arasındaki ? E enerji boşluğu azaldıkça, R çizgilerinin yaşam sürelerinin kısaldığı gözlenmiştir. Düşük sıcaklıklarda yaşam süreleri YAG:Cr için 9.3 ms, GGG:Cr için 1.41 ms, GSGG:Cr için 280 ? s ve CYMGG:Cr için 280 ? s olarak hesaplanmıştır.Sonuç olarak, R çizgisi bölgesinde kaydedilen emisyon spektrumları ve darbeli uyarma sonuçlarından her bir kristal için Krom iyonunun birden fazla bölgeyi işgal ettiği anlaşılmıştır. Buna göre YAG:Cr için üç, GGG:Cr için beş, GSGG:Cr ve CMYGG:Cr için en az beş olmak üzere farklı Krom iyon merkezleri tespit edilmiştir.

Abstract:
The transition metals with an unfilled shell, such as (Cr3+, Mn4+, V2+,?) are mostly studied by the investigators searching for new active media for solid-state lasers in oxide crystals with the garnet structure. The main purpose of this study is to investigate the temperature and host crystal dependence of the emission of Cr3+ in four garnet crystals. The luminescence behavior of a number of garnet crystals doped with chromium ions is investigated in a temperature range of 25 to 800 K.The crystals we considered are, in order of decreasing crystalline field, Y3Al5O12 (YAG), Gd3Ga5O12 (GGG), Gd3Sc2Ga3O12 (GSGG) and CaY2Mg2Ge3O12 (CMYGG). In this study absorption, emission, time resolved luminescence spectra, response to the pulsed excitation measurements and the calculation of the lifetimes were done.We have extended the temperature studies up to 800 K for YAG, 700 K for GGG, and GSGG in order to study the phonons. The temperature dependence of the emission from the CYMGG crystal has not been previously reported and this work presents its emission spectra and response to the pulsed excitation measurements from 25 to 700 K. We have also investigated the influence of the temperature and crystal field strength on the emission spectra of Cr doped garnet cystals and results revealed the number of Cr sites.It has been determined that as the crystal field strength decrease, the effect of the 4T2 level increases. The R-line emissions have been observed to exist even at temperatures such that kT > ? E. However this is not the case for YAG and GGG. Morever the lifetime associated with the R-line emission decreases as the energy difference ? E between the 4T2 and 2E level changes. At low temperatures, the lifetimes of the emissions have been calculated as follows: 9.3 ms, 1.41 ms, 280 ? s, and 280 ? s for YAG:Cr, GGG:Cr, GSGG:Cr and CYMGG:Cr, respectively.In conclusion, from the emission spectra recorded at R-line region and the response of the pulsed excitation results, it has been concluded that all four crystals exhibit evidence of multiple centers due to the different Cr sites in each crystal. We have determined three centers for YAG:Cr, five centers for GGG:Cr, at least five centers for GSGG:Cr and CMYGG:Cr.