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

Materiały scyntylacyjne wytwarzane w PSz: BGO – wzorcowy Materiały scyntylacyjne wytwarzane w PSz: BGO – wzorcowy materiał scyntylacyjny.materiał scyntylacyjny.„„PSz K05002 pixelPSz K05002 pixel (2*2*10 mm) (2*2*10 mm)::

poziomo LYpoziomo LYhorhor = 828 phe/MeV = 828 phe/MeV

pionowo LYpionowo LYverver = 404 phe/MeV = 404 phe/MeV

zdolnozdolnośćść rozdzielcza w rozdzielcza włłasna Rasna R00 = 8.59 % = 8.59 %

wwłłasna wydajnoasna wydajnośćść scyntylacji LY scyntylacji LY00 = 1084 phe/MeV = 1084 phe/MeV

wspwspółółczynnik strat absorpcyjnych czynnik strat absorpcyjnych = 1.16 cm = 1.16 cm-1-1

PML BGO Photonic MaterialsPML BGO Photonic Materials N13363-8 pixelN13363-8 pixel (2*2*10 mm) (2*2*10 mm)::

poziomo LYpoziomo LYhorhor = 847 phe/MeV = 847 phe/MeV

pionowo LYpionowo LYverver = 471 phe/MeV = 471 phe/MeV

wwłłasna wydajnoasna wydajnośćść scyntylacji LY scyntylacji LY00 = 1057 phe/MeV !!! = 1057 phe/MeV !!! (brawo dla PSz!!!)(brawo dla PSz!!!)

wspwspółółczynnik strat absorpcyjnych mi = 0.90 cmczynnik strat absorpcyjnych mi = 0.90 cm-1-1 (tym oni g (tym oni góórujrująą))

Krótko komentując, wynik kryształu ze Szczecina w geometrii pionowej (aKrótko komentując, wynik kryształu ze Szczecina w geometrii pionowej (ato nas najbardziej interesuje z punktu widzenia zastosowań takich jak PET) to nas najbardziej interesuje z punktu widzenia zastosowań takich jak PET) jest bardzo dobry, lepszy niż BGO Photonic Materials” – dr Winicjusz jest bardzo dobry, lepszy niż BGO Photonic Materials” – dr Winicjusz Drozdowski, Zakład Optoelektroniki, Uniwersytet im. M. Kopernika, Toruń”Drozdowski, Zakład Optoelektroniki, Uniwersytet im. M. Kopernika, Toruń”

BGOBGO

1. Scyntylatory1. Scyntylatory

MetodaMetodaCzochralskiegoCzochralskiego

Przetwornik na drugą harmoniczną lasera Nd:YVOPrzetwornik na drugą harmoniczną lasera Nd:YVO4 4 (1.06 (1.06 m)m)

o sprawności >30% i o wymiarach: 3*3*18 mm wykonany zo sprawności >30% i o wymiarach: 3*3*18 mm wykonany z

nieliniowego monokryształu nieliniowego monokryształu LiLi22BB44OO77

Nieliniowy monokryształ Nieliniowy monokryształ SrSrxxBaBa1-x1-xNbNb22OO66: Cr: Cr – materiał fotorefrakcyjny, relaksor: – materiał fotorefrakcyjny, relaksor:

zapis holograficzny, piezotechnika, optyka nieliniowa (mieszanie fal)zapis holograficzny, piezotechnika, optyka nieliniowa (mieszanie fal)

Langesity: Langesity: LGT, LGT:Yb, Ho, LGT:CoLGT, LGT:Yb, Ho, LGT:Co

Czteroboran litu: Czteroboran litu: LBO, LBO:Co, LBO:MnLBO, LBO:Co, LBO:Mn

2. Monokryształy nieliniowe2. Monokryształy nieliniowe

1. D. Piwowarska, S.M. Kaczmarek, W. Drozdowski, M. Berkowski, A. Worsztynowicz, "Growth andoptical 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 Li2. R. Wyrobek, „Przetwornik na wyższe harmoniczne lasera Nd:YAG na bazie Li 22BB44OO77”, praca ”, praca

magisterska, promotor S.M.Kaczmarekmagisterska, promotor S.M.Kaczmarek3. B. Felusiak, „Liniowe i nieliniowe właściwości dielektryczne monokryształów Li3. B. Felusiak, „Liniowe i nieliniowe właściwości dielektryczne monokryształów Li22BB44OO77”, praca ”, praca

magisterska, promotor S.M. Kaczmarekmagisterska, promotor S.M. Kaczmarek4. D. Piwowarska, Rozprawa doktorska, Szczecin 2005, promotor S.M. Kaczmarek4. D. Piwowarska, Rozprawa doktorska, Szczecin 2005, promotor S.M. Kaczmarek

1. S.M. Kaczmarek, A. Bensalah, G. Boulon, "-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, 3. G. Leniec, S.M. Kaczmarek, G. Boulon, "EPR and optical properties of CaFS.M. Kaczmarek, G. Boulon, "EPR and optical properties of CaF22:Yb single crystals", :Yb single crystals", Proc. SPIEProc. SPIE,,

vol. 5958 (2005), pp. 531-540 vol. 5958 (2005), pp. 531-540

3. Analiza centrów barwnych w monokryształach fluorków:3. Analiza centrów barwnych w monokryształach fluorków:

CaFCaF22,, LiLuFLiLuF44,, LiYFLiYF44,, BaYBaY22FF88,, KY3FKY3F1010 domieszkowanychdomieszkowanych YbYb3+3+

Monokryształy CaFMonokryształy CaF22, LiLuF, LiLuF44, LiYF, LiYF44, BaY, BaY22FF88, KY, KY33FF1010 domieszkowane Yb domieszkowane Yb3+3+ wykonane zostały we Francji w celu zastosowania ich 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%).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 analizęWykorzystując badania spektroskopowe (absorpcja, fotoluminescencja, termoluminescencja) oraz EPR przeprowadzono analizęwpływu promieniowania gamma na właściwości optyczne monokryształów fluorków domieszkowanych iterbem. Pokazano, żewpływu promieniowania gamma na właściwości optyczne monokryształów fluorków domieszkowanych iterbem. Pokazano, że

oprócz centrów barwnych typu F, Voprócz centrów barwnych typu F, Vkk promieniowanie gamma wymusza zjawisko konwersji Yb promieniowanie gamma wymusza zjawisko konwersji Yb 3+3+/Yb/Yb2+2+. W efekcie powstają dwa . W efekcie powstają dwa

rodzaje centrów Ybrodzaje centrów Yb2+2+ (z uwagi na wysoką koncentracje Yb i występowanie par Yb (z uwagi na wysoką koncentracje Yb i występowanie par Yb3+3+-Yb-Yb3+3+ ): centra Yb ): centra Yb2+2+ związane z Yb związane z Yb3+3+ (para) oraz (para) orazcentra izolowane Ybcentra izolowane Yb3+3+. Wyższa koncentracja jonów iterbu obniża intensywność dodatkowej absorpcji centrum typu F co oznacza. Wyższa koncentracja jonów iterbu obniża intensywność dodatkowej absorpcji centrum typu F co oznaczawspółzawodnictwo tego centrum z jonami iterbu w wychwytywaniu elektronów comptonowskich (powstałych po naświetleniu kryszta-współzawodnictwo tego centrum z jonami iterbu w wychwytywaniu elektronów comptonowskich (powstałych po naświetleniu kryszta-łu kwantami gamma w efekcie zjawiska Comptona).łu kwantami gamma w efekcie zjawiska Comptona).

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

2

4

6

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

2

4

6

x53

2

1

GF

D

C

B

A

CaF2:Yb at 290K

1: as-grown, Yb3+ 5at%

2: as-grown, Yb3+ 0.5at%

3: H2-annealed, Yb3+ 5at%

4: K

wavelength (nm)

abso

rptio

n co

effic

ient

(cm

-1)

4 K

[1/

cm]

Wavelength [nm]

200 250 300 350 400 4500

4

8

12

16

20

24

28

32

36

F

D

C

B

A3

2

1

K, K

[1

/cm

]

Wavelength [nm]

CaF2:Yb 5at.%

1 - K

2 - K 104 Gy

3 - K 105 Gy

4. Wzrost sprawności emisji monokryształów forsterytu4. Wzrost sprawności emisji monokryształów forsterytu

MgMg22SiOSiO44:Cr:Cr, po ich wygrzaniu w tlenie i naświetleniu , po ich wygrzaniu w tlenie i naświetleniu

kwantami gammakwantami gamma

200 400 600 800 1000 1200-4

0

4

8

12

16

1000 2000 3000 4000 50000

2

4

6

8

3

2

1

Abs

orpt

ion

coef

ficie

nt [1

/cm

]

Wavelength [nm]

Cr (0.6wt.%): Mg2SiO

4

1 - "annealed in O2"

2 - 105 Gy3 - K [1/cm]

4

4 - annealed in O2

Mg2SiO

4 crystal

Abs

orpt

ion

coef

fiici

ent [

a.u.

]

Wavelength [nm]

200 300 400 500 600 700 800 9000

10000

20000

30000

40000

50000

60000

2

1

EX

CIT

AT

ION

[a.u

.]

Wavelength [nm]

Mg2SiO

4:Cr 0.6%

1 - em

=870 nm after 105 Gy2 -

em=900 nm

200 300 400 500 600 700 800 9000

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

2

1E

XC

ITA

TIO

N [a

.u.]

Wavelength [nm]

Cr(0.6%): Mg2SiO

4

1 - em

=1160 nm after 105 Gy2 -

em=1200 nm

Forsteryt – MgForsteryt – Mg22SiOSiO44:Cr jest materiałem wykorzystywanym jako :Cr jest materiałem wykorzystywanym jako matryca laserowa dla laserów przestrajalnych. Pokazano, że matryca laserowa dla laserów przestrajalnych. Pokazano, że kolejne procesy: wygrzanie w atmosferze utleniającej i kolejne procesy: wygrzanie w atmosferze utleniającej i naświetlenie kwantami gamma dawką 1.2*10naświetlenie kwantami gamma dawką 1.2*1055 Gy prowadzą do Gy prowadzą do wzrostu amplitudy wzbudzenia i emisji próbki forsterytu, a w wzrostu amplitudy wzbudzenia i emisji próbki forsterytu, a w konsekwencji lasera. Przyczyną tego jest wzrost koncentracji konsekwencji lasera. Przyczyną tego jest wzrost koncentracji jonów Crjonów Cr4+4+ oraz powstanie centrów barwnych, z których transfer oraz powstanie centrów barwnych, z których transfer energii do poziomów wzbudzonych jonów Crenergii do poziomów wzbudzonych jonów Cr4+4+ podnosi inwersję podnosi inwersję obsadzeń tych poziomów, w efekcie sprawność lasera.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 -irradiation", Cryst. Res. & Tech., 41 (1) (2006) 41-4741-47

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

YAG:Nd 1%

Oxygen atmosphere1-102 Gy, 2-103 Gy, 3-104 Gy4-105 Gy, 5-106 Gy, 6-107 Gy

7-1400oC 3h air

7

654 32

1

K [1

/cm

]

Wavelength [nm]

102 103 104 105 106 107

-0.75

-0.50

-0.25

0.00

0.25

0.50

0.75

K

[1/c

m]

Gamma dose [Gy]

1

4

3

2

1

255 nm 385 nm 300 nm 650 nm

Influence of the annealing and -irradiation on the absorption of YAG:Nd 1% crystal

WTW WAT

ICHTJ

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200-1.5

-1.0

-0.5

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Nd:YAG (1at.%) 20 MeV

5

4

32

1

87

6

5

43

1 - 5*1012 protons/cm2, 2 - 3,5*1013 protons/cm2

3 - 1,35*1014 protons/cm2, 4 - 1,135*1015 protons/cm2

5 - 5*1016 el./cm2, 1 MeV, 6 - 1,1135*1016 protons/cm2

7 - 1673 K 3h air

21K

[1/

cm]

Wavelength [nm]

1E13 1E14 1E15 1E16-2

-1

0

1

2

4

3

2

1

1 - 258 nm2 - 273 nm3 - 352 nm4 - 586 nm

K [1

/cm

]

Protons fluency [nm]

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

0 10 20 30 40 500

20

40

60

80

100

120

1 - 1400oC 3h in air

2 - 103 Gy

3 - 105 Gy

4 - 1200oC N

2+H

2

5 - 105 Gy

4

2

1

5

3

Nd:YAG (L=45,63mm, =4mm)

Pump energy [J]

Opt

ical

out

put [

mJ]

0 10 20 30 40 500

10

20

30

40

50

60

2

1

Nd:YAG (1at.%) - 105 Gy

after anneal. at 1200oC 1h N

2+H

2

L=45,63mm,=4mmpump of 25 J

Opt

ical

out

put [

mJ]

Pump pulses [number]

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 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.

100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

1E14 1E15 1E16

2

4

6

8401315

234

5

4 3

2

1

K [1

/cm

]

Wavelength [nm]

YAP:Er_50%

105 Gy 673 K 3h air

1014 prot/cm2

1015 prot/cm2

1016 prot/cm2

234 nm 315 nm 401 nm

K

[1/c

m]

Protons fluency [cm-2]

200 300 400 500 600-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Gd3Ga

5O

12

Gd3Ga

5O

12 (GGGC1)

gamma and protons ABS AG

106 Gy

1012 cm-2

5.56*1013 cm-2

1.556*1014 cm-2

1016 cm-2K

, K

[1/

cm]

Wavelength [nm]

1E10 1E11 1E12 1E13 1E14 1E15 1E16

0

1

2

K [1

/cm

]

Protons fluency [cm-2]

=440 nm

YAlO3:Er (GGG:Er)

GGG

200 400 600 800 1000-20

0

20

40

60

=600 nm

SrGdGa3O

7:Cr

55

5

4

1-AG, 2-1014 protons/cm2, 3-2*1014 protons/cm2

4-1.2*1015 protons/cm2, 5-1.12*1016 protons/cm2

3, 4

1

3

2

1

K,

K [

1/cm

]

Wavelength [nm]

500 600 700 800 900

0

2

4

6

4

3

2

1

1E12 1E13 1E14 1E15 1E160

2

4

6

8

K

[1/

cm]

Proton fluency [cm-2]

400 500 600 700 800 900 1000 1100

0

5

10

15

20

25

6

b)

a)LiNbO

3:Cu (0.06 at.%)

5

4

1-absorption of "as grown" crystal

2-1013 protons/cm2

3-1014 protons/cm2

4-2*1014 protons/cm2

5-1.2*1015 protons/cm2

6-1.12*1016 protons/cm2

42, 3, 5

13

2

1K

, K

[1/

cm]

Wavelength [nm]

1E13 1E14 1E15 1E16

0

4

8

12

Fluence [cm-2]

K

[1/c

m]

=450 nm

SGG:Cr

LN:Cu

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 for optical applications”, Ferroelectrics, 256 (2001) 175

- 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 2*1014 -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.

CONCLUSIONS

Laserowa diagnostyka plazmyDiagnostyka interferometryczna gęstości elektronów opiera się na pomiarze zmianywspółczynnika 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, =10.6 m oraz He-Ne, =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 (1=1.064 mm i 2=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 MadridReflektometria jako narzędzie diagnostyczne do określenia profili gęstości i fluktuacji w plazmie. Pomiar temperatury elektronów 500-1000 eV z wykorzystaniem promieniowania K i K. 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

Optoelektronika w ITERZEnp. czujniki światłowodowe temperatury, ciśnienia, naprężeń – temperatury pracy>1000 oC

Skład grupy:

Prof. P.S. Dr hab. Inż. S.M. KaczmarekProf. Dr Arlen Valozhyn (polimidy)Dr Hubert FuksDr Danuta PiwowarskaMgr Adam WorsztynowiczMgr Grzegorz Leniec

Ewentualni partnerzy:Grupa MOLHiszpania

Materiały do tokamaka:Dr Rubel, SzwecjaProf. Kurzydłowski, WIM PW Warszawa