Zakład Optoelektroniki IF PS dr hab. inż. Prof. PS - Sławomir M. Kaczmarek

1. Zakład Optoelektroniki IF PS dr hab. inż. Prof. PS - Sławomir M. Kaczmarek 1. Scyntylatory Materiały scyntylacyjne wytwarzane w PSz: BGO – wzorcowy materiał scyntylacyjny. „PSz K05002 pixel (2*2*10 mm): poziomo LYhor = 828 phe/MeV pionowo LYver = 404 phe/MeV zdolność rozdzielcza własna R0 = 8.59 % własna wydajność scyntylacji LY0 = 1084 phe/MeV współczynnik strat absorpcyjnych m = 1.16 cm-1 PML BGO Photonic MaterialsN13363-8 pixel (2*2*10 mm): poziomo LYhor = 847 phe/MeV pionowo LYver = 471 phe/MeV własna wydajność scyntylacji LY0 = 1057 phe/MeV !!! (brawo dla PSz!!!) współczynnik strat absorpcyjnych mi = 0.90 cm-1 (tym oni górują) Krótko komentując, wynik kryształu ze Szczecina w geometrii pionowej (a to nas najbardziej interesuje z punktu widzenia zastosowań takich jak PET) jest bardzo dobry, lepszy niż BGO Photonic Materials” – dr Winicjusz Drozdowski, Zakład Optoelektroniki, Uniwersytet im. M. Kopernika, Toruń” Metoda Czochralskiego BGO

2. 2. Monokryształy nieliniowe Langesity: LGT, LGT:Yb, Ho, LGT:Co Czteroboran litu: LBO, LBO:Co, LBO:Mn Przetwornik na drugą harmoniczną lasera Nd:YVO4 (1.06 mm) o sprawności >30% i o wymiarach: 3*3*18 mm wykonany z nieliniowego monokryształu Li2B4O7 1. D. Piwowarska, S.M. Kaczmarek, W. Drozdowski, M. Berkowski, A. Worsztynowicz, "Growth and optical properties of Li2B4O7 single crystals pure and doped with Yb, Co, Eu and Mn ions for nonlinear applications", Acta Phys. Pol. A, 107 (2005) 507-516 2. R. Wyrobek, „Przetwornik na wyższe harmoniczne lasera Nd:YAG na bazie Li2B4O7”, praca magisterska, promotor S.M.Kaczmarek 3. B. Felusiak, „Liniowe i nieliniowe właściwości dielektryczne monokryształów Li2B4O7”, praca magisterska, promotor S.M. Kaczmarek 4. D. Piwowarska, Rozprawa doktorska, Szczecin 2005, promotor S.M. Kaczmarek Nieliniowy monokryształ SrxBa1-xNb2O6: Cr – materiał fotorefrakcyjny, relaksor: zapis holograficzny, piezotechnika, optyka nieliniowa (mieszanie fal)

3. 3. Analiza centrów barwnych w monokryształach fluorków: CaF2,LiLuF4,LiYF4,BaY2F8,KY3F10domieszkowanychYb3+ 1. S.M. Kaczmarek, A. Bensalah, G. Boulon, "G-ray induced color centers in pure and Yb doped LiYF4 and LiLuF4 single crystals”, Optical Materials, 28/1-2 (2006) 123-128 (1.339) 2. S.M. Kaczmarek, T. Tsuboi, M. Ito, G. Boulon, G. Leniec, "Optical study of Yb3+/Yb2+ conversion in CaF2 crystals", Journal of Physics: Condensed Matter, 17 (2005) 3771-3786 (2.049) 3. G. Leniec, S.M. Kaczmarek, G. Boulon, "EPR and optical properties of CaF2:Yb single crystals", Proc. SPIE, vol. 5958 (2005), pp. 531-540 Monokryształy CaF2, LiLuF4, LiYF4, BaY2F8, KY3F10 domieszkowane Yb3+ wykonane zostały we Francji w celu zastosowania ich jako matryce laserowe (i/lub materiały scyntylacyjne) generujące promieniowanie IR o dużej energii (koncentracja Yb aż do 30%). Wykorzystując badania spektroskopowe (absorpcja, fotoluminescencja, termoluminescencja) oraz EPR przeprowadzono analizę wpływu promieniowania gamma na właściwości optyczne monokryształów fluorków domieszkowanych iterbem. Pokazano, że oprócz centrów barwnych typu F, Vk promieniowanie gamma wymusza zjawisko konwersji Yb 3+/Yb2+. W efekcie powstają dwa rodzaje centrów Yb2+ (z uwagi na wysoką koncentracje Yb i występowanie par Yb3+-Yb3+ ): centra Yb2+ związane z Yb3+ (para) oraz centra izolowane Yb3+. Wyższa koncentracja jonów iterbu obniża intensywność dodatkowej absorpcji centrum typu F co oznacza współzawodnictwo tego centrum z jonami iterbu w wychwytywaniu elektronów comptonowskich (powstałych po naświetleniu kryszta- łu kwantami gamma w efekcie zjawiska Comptona).

4. 4. Wzrost sprawności emisji monokryształów forsterytu Mg2SiO4:Cr, po ich wygrzaniu w tlenie i naświetleniu kwantami gamma Forsteryt – Mg2SiO4:Cr jest materiałem wykorzystywanym jako matryca laserowa dla laserów przestrajalnych. Pokazano, że kolejne procesy: wygrzanie w atmosferze utleniającej i naświetlenie kwantami gamma dawką 1.2*105 Gy prowadzą do wzrostu amplitudy wzbudzenia i emisji próbki forsterytu, a w konsekwencji lasera. Przyczyną tego jest wzrost koncentracji jonów Cr4+ oraz powstanie centrów barwnych, z których transfer energii do poziomów wzbudzonych jonów Cr4+ podnosi inwersję obsadzeń tych poziomów, w efekcie sprawność lasera. S.M. Kaczmarek, W. Chen, G. Boulon, "Recharging processes of Cr ions in Mg2SiO4 and  Y3Al5O12 crystals under influence of annealing and g-irradiation", Cryst. Res. & Tech., 41 (1) (2006)41-47

5. Influence of the annealing and g-irradiation on the absorption of YAG:Nd 1% crystal WTW WAT ICHTJ

6. Influence of the annealing and irradiation with protons of 20 MeV energy (cyclotron) and electrons (acceler.) of 1 MeV energy on the absorption of YAG:Nd 1% crystal IPJ Świerk

7. Influence of annealing (oxidizing and reducing atmospheres) and irradiation with gamma quanta on the optical output of YAG:Nd pulsed lasers • All forms of the irradiations: exposure to 60Co gamma rays, over threshold electrons (1 MeV) and high energy (20 MeV) protons and annealing in hydrogen create almost thesame damage centers which reduce optical output by absorbing of laser emission. • - Gamma irradiation lowers the slope efficiency of pulsed laser. After subsequent pulsesthe output energy of the laser increases to the level, which comes out from the thermalequilibrium of rod being the heated by pumping pulses, and, air cooled. This increase ofthe laser energy after subsequent pumping pulses suggests that UV contained in thepump spectrum causes heating up the rod and accelerates those relaxation processeswhich decrease the AA.

8. YAlO3:Er (GGG:Er) GGG

9. SGG:Cr LN:Cu

10. Cu:LiNbO3 (0.06at.%) Cu:LiNbO3 (0.07at.%) Annealed 1013 prot cm-2 1015 prot cm-2 1013 prot cm-2 S.M. Kaczmarek, „Thermal and radiation stability of pure and doped with Cu, Fe and Cr ions lithium niobate single crystals foroptical applications”, Ferroelectrics, 256 (2001) 175

11. CONCLUSIONS • - For given growth conditions (growth method, purity of the starting material, growth atmosphere,technological parameters) some definite sub-system of point defects appears in the crystal (e.g. active ions, vacancies, antisiteions, active ions, uncontrolled and controlled impurities or interstitialdefects). At the end of the growth it is electrically balanced andis left in a metastable state. Someexternal factors, like irradiation or thermal processing, may leadto the transition of this sub-systemfrom one metastable state to another. During this transition pointdefects may changetheir chargestate. • Irradiation can induce numerous changes in the physical properties of a crystal ar a glass.This may originatefrom atomic rearrangements which take place powered by the energy given up when electronsand holes recombine non-radiatively, or could be induced by any sort of radiationor particlebombardment capable of exciting electrons across the forbidden gap Eg into theconduction band. • - Different type of treatments (annealing in reducing or oxidizing atmosphere, irradiation) differ in producing of characteristic defects. They may be color centers, polarons, trapped holes, Frenkel defects, recharged active, lattice or uncontrolled ions. In the absorption spectrum theymay be observed even in infrared. The type of the radiation defects arising in the crystal and glasses strongly depends on wether the material was obtained or next annealed at oxidizing or reducing atmosphere • - Fluency dependence of the additional absorption exhibit characteristic shape with maximum atabout 1014 protons/cm2, minimum at about 1015 protons/cm2 and further sharp rise for higherfluencies. Such non-monotonic dependence is characteristic for color centers, rather than forFrenkel centers. For the latter ones, a monotonic, linear with proton fluency dependence is seen.The probable reason of the decrease in the region 2*1014 -1015 protons/cm2 could be mutualinteraction of the cascades from different proton trajectories. • - Irradiation and annealing treatments appear to be the effective tools of crystal change andcharacterization. The observed in the absorption spectrum changes after ionizing radiation orannealing treatment can have important influence on the performance of optoelectronic devicesapplied in e.g. outer space. The obtained results point to the direct influence of color centers onthe processes of inverse population formation of many lasers.

12. Laserowa diagnostyka plazmy Diagnostyka interferometryczna gęstości elektronów opiera się na pomiarze zmiany współczynnika załamania przez swobodne elektrony w plaźmie – heterodynowy interferometr laserowy (stellarator i tokamak). Stellarator TJ-II (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas, Madrid)– lasery CO2, l=10.6 mm oraz He-Ne, l=633 nm. Urządzenie wysokiej precyzji - heterodynowy system elektronicznej detekcji fazy. Tokamak Alcator C-mod (Plasma Science and Fusion Center, MIT, USA ) - laser Nd:YAG z podwajaną częstotliwością (l1=1.064 mm i l2=0.532 mm) . Pomiar gęstości elektronów 3*1020 m-2 z rozdzielczością 1*1019 m-2. GOTL – Optoelectronics and Laser Technology Group, Universidad Carlos III de Madrid Reflektometria jako narzędzie diagnostyczne do określenia profili gęstości i fluktuacji w plazmie.Pomiar temperatury elektronów 500-1000 eV z wykorzystaniem promieniowania Ka i Kb. Lasery piko i femtosekundowe. Investigation of ternary fluoride compounds (e.g. LiBaF3), perspective as active storage – read out media for imaging of slow neutron flux. The radiation energy detectors and storage – read out materials. Composition and structure, optical characteristics, accumulation kinetics of defects created by X-ray and slow neutron irradiation;EPR, ODMR and MCD spectroscopy of intrinsic and impurity defects;Composition, time-resolved spectral characteristic of intrinsic and impurity luminescence centres, their participation in electronic recombination processes; Advanced thermoactivation spectroscopy of deep traps and decay of radiation defects starting from 10 K;Photostimulated read-out of slow neutron or X- irradiation stored energy;Growth and preparation of single ternary fluoride crystals.Investigation of metal ions in fusion plasmas using emission spectroscopy

13. Optoelektronika w ITERZE np. czujniki światłowodowe temperatury, ciśnienia, naprężeń – temperatury pracy >1000 oC Skład grupy: Prof. P.S. Dr hab. Inż. S.M. Kaczmarek Prof. Dr Arlen Valozhyn (polimidy) Dr Hubert Fuks Dr Danuta Piwowarska Mgr Adam Worsztynowicz Mgr Grzegorz Leniec Ewentualni partnerzy: Grupa MOL Hiszpania Materiały do tokamaka: Dr Rubel, Szwecja Prof. Kurzydłowski, WIM PW Warszawa