Zaklad Optoelektroniki IF PS

1
Zaklad Optoelektroniki IF PS dr hab. inz. Prof.
PS - Slawomir M. Kaczmarek
1. Scyntylatory
Materialy scyntylacyjne wytwarzane w PSz BGO
wzorcowy material scyntylacyjny. PSz K05002
pixel (2210 mm) poziomo LYhor 828
phe/MeV pionowo LYver 404 phe/MeV zdolnosc
rozdzielcza wlasna R0 8.59 wlasna wydajnosc
scyntylacji LY0 1084 phe/MeV wspólczynnik strat
absorpcyjnych m 1.16 cm-1 PML BGO Photonic
Materials N13363-8 pixel (2210 mm) poziomo
LYhor 847 phe/MeV pionowo LYver 471
phe/MeV wlasna wydajnosc scyntylacji LY0 1057
phe/MeV !!! (brawo dla PSz!!!) wspólczynnik strat
absorpcyjnych mi 0.90 cm-1 (tym oni
góruja) Krótko komentujac, wynik krysztalu ze
Szczecina w geometrii pionowej (a to nas
najbardziej interesuje z punktu widzenia
zastosowan takich jak PET) jest bardzo dobry,
lepszy niz BGO Photonic Materials dr Winicjusz
Drozdowski, Zaklad Optoelektroniki, Uniwersytet
im. M. Kopernika, Torun
Metoda Czochralskiego
BGO
2
2. Monokrysztaly nieliniowe
Langesity LGT, LGTYb, Ho, LGTCo
Czteroboran litu LBO, LBOCo, LBOMn
Przetwornik na druga harmoniczna lasera NdYVO4
(1.06 mm) o sprawnosci gt30 i o wymiarach 3318
mm wykonany z nieliniowego monokrysztalu 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
wyzsze harmoniczne lasera NdYAG na bazie
Li2B4O7, praca magisterska, promotor
S.M.Kaczmarek 3. B. Felusiak, Liniowe i
nieliniowe wlasciwosci dielektryczne
monokrysztalów Li2B4O7, praca magisterska,
promotor S.M. Kaczmarek 4. D. Piwowarska,
Rozprawa doktorska, Szczecin 2005, promotor S.M.
Kaczmarek
Nieliniowy monokrysztal SrxBa1-xNb2O6 Cr
material fotorefrakcyjny, relaksor zapis
holograficzny, piezotechnika, optyka nieliniowa
(mieszanie fal)
3
3. Analiza centrów barwnych w monokrysztalach
fluorków CaF2, LiLuF4, LiYF4, BaY2F8, KY3F10
domieszkowanych Yb3
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 CaF2Yb
single crystals", Proc. SPIE, vol. 5958 (2005),
pp. 531-540
Monokrysztaly CaF2, LiLuF4, LiYF4, BaY2F8, KY3F10
domieszkowane Yb3 wykonane zostaly we Francji w
celu zastosowania ich jako matryce laserowe
(i/lub materialy scyntylacyjne) generujace
promieniowanie IR o duzej energii (koncentracja
Yb az do 30). Wykorzystujac badania
spektroskopowe (absorpcja, fotoluminescencja,
termoluminescencja) oraz EPR przeprowadzono
analize wplywu promieniowania gamma na
wlasciwosci optyczne monokrysztalów fluorków
domieszkowanych iterbem. Pokazano, ze oprócz
centrów barwnych typu F, Vk promieniowanie gamma
wymusza zjawisko konwersji Yb 3/Yb2. W efekcie
powstaja dwa rodzaje centrów Yb2 (z uwagi na
wysoka koncentracje Yb i wystepowanie par
Yb3-Yb3 ) centra Yb2 zwiazane z Yb3 (para)
oraz centra izolowane Yb3. Wyzsza koncentracja
jonów iterbu obniza intensywnosc dodatkowej
absorpcji centrum typu F co oznacza wspólzawodnict
wo tego centrum z jonami iterbu w wychwytywaniu
elektronów comptonowskich (powstalych po
naswietleniu kryszta- lu kwantami gamma w efekcie
zjawiska Comptona).
4
4. Wzrost sprawnosci emisji monokrysztalów
forsterytu Mg2SiO4Cr, po ich wygrzaniu w tlenie
i naswietleniu kwantami gamma
Forsteryt Mg2SiO4Cr jest materialem
wykorzystywanym jako matryca laserowa dla laserów
przestrajalnych. Pokazano, ze kolejne procesy
wygrzanie w atmosferze utleniajacej i
naswietlenie kwantami gamma dawka 1.2105 Gy
prowadza do wzrostu amplitudy wzbudzenia i emisji
próbki forsterytu, a w konsekwencji lasera.
Przyczyna tego jest wzrost koncentracji jonów
Cr4 oraz powstanie centrów barwnych, z których
transfer energii do poziomów wzbudzonych jonów
Cr4 podnosi inwersje obsadzen tych poziomów, w
efekcie sprawnosc 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 YAGNd 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 YAGNd 1 crystal
IPJ Swierk
7
Influence of annealing (oxidizing and reducing
atmospheres) and irradiation with gamma quanta
on the optical output of YAGNd 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 the same damage centers
  which reduce optical output by absorbing of laser
  emission.
• - Gamma irradiation lowers the slope efficiency
  of pulsed laser. After subsequent pulses the
  output energy of the laser increases to the
  level, which comes out from the thermal
  equilibrium of rod being the heated by pumping
  pulses, and, air cooled. This increase of the
  laser energy after subsequent pumping pulses
  suggests that UV contained in the pump spectrum
  causes heating up the rod and accelerates those
  relaxation processes which decrease the AA.

8
YAlO3Er (GGGEr)
GGG
9
SGGCr
LNCu
10
CuLiNbO3 (0.06at.)
CuLiNbO3 (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 for optical
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,
  antisite ions, active ions, uncontrolled and
  controlled impurities or interstitial defects).
  At the end of the growth it is electrically
  balanced and is left in a metastable state. Some
  external factors, like irradiation or thermal
  processing, may lead to the transition of this
  sub-system from one metastable state to another.
  During this transition point defects may change
  their charge state.
• Irradiation can induce numerous changes in the
  physical properties of a crystal ar a glass. This
  may originate from atomic rearrangements which
  take place powered by the energy given up when
  electrons and holes recombine non-radiatively, or
  could be induced by any sort of radiation or
  particle bombardment capable of exciting
  electrons across the forbidden gap Eg into the
  conduction 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
  they may 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 at
  about 1014 protons/cm2, minimum at about 1015
  protons/cm2 and further sharp rise for higher
  fluencies. Such non-monotonic dependence is
  characteristic for color centers, rather than for
  Frenkel centers. For the latter ones, a
  monotonic, linear with proton fluency dependence
  is seen. The probable reason of the decrease in
  the region 21014 -1015 protons/cm2 could be
  mutual interaction of the cascades from different
  proton trajectories.
• - Irradiation and annealing treatments appear to
  be the effective tools of crystal change and
  characterization. The observed in the absorption
  spectrum changes after ionizing radiation or
  annealing treatment can have important influence
  on the performance of optoelectronic devices
  applied in e.g. outer space. The obtained results
  point to the direct influence of color centers on
  the processes of inverse population formation of
  many lasers.

12
Laserowa diagnostyka plazmy Diagnostyka
interferometryczna gestosci elektronów opiera sie
na pomiarze zmiany wspólczynnika zalamania przez
swobodne elektrony w plazmie heterodynowy
interferometr laserowy (stellarator i
tokamak). Stellarator TJ-II (Centro de
Investigaciones Energéticas, Medioambientales y
Tecnológicas, Madrid) lasery CO2, l10.6 mm
oraz He-Ne, l633 nm. Urzadzenie wysokiej
precyzji - heterodynowy system elektronicznej
detekcji fazy. Tokamak Alcator C-mod (Plasma
Science and Fusion Center, MIT, USA ) - laser
NdYAG z podwajana czestotliwoscia (l11.064 mm i
l20.532 mm) . Pomiar gestosci elektronów 31020
m-2 z rozdzielczoscia 11019 m-2. GOTL
Optoelectronics and Laser Technology Group,
Universidad Carlos III de Madrid Reflektometria
jako narzedzie diagnostyczne do okreslenia
profili gestosci 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
swiatlowodowe temperatury, cisnienia, naprezen
temperatury pracy gt1000 oC Sklad grupy Prof.
P.S. Dr hab. Inz. 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 Materialy do tokamaka Dr Rubel,
Szwecja Prof. Kurzydlowski, WIM PW Warszawa