- Email: [email protected]
Submillimeterwave spectra of doped Al2O3-crystals
PHYSICS
Volume 24A. number 8
einzelnen Linien im zeitintegrierten Spektrum zu beobachten. Diese Beobachtungen wurden durch zeitaufgelaste Spektrogramme best&t&t: aus der Impulsform konnte die Aufheizung dT/dt der Diode #l und die Wellenltingenverschiebung einer Mode mit der Zeit dX/dt unter Zugrundlegen der Beziehung [6] dh/dT= 0.46 A/OK nsherungsweise bestimmt werden: I = lOA:dT/dt I
15A:dT/dt
= 0.09 OK/ns,
dX/dt M 0.04 A/ns
N 0.11 oK/ns,
dA/dt M 0.05 &ns.
10 April 1967
LETTERS
welligsten Linien im Gegensatz zu den kurzwelligen nur iiber ca. 500/Oder Dauer des Stromimpulses erfolgte. Die beobachtete Plateaubildung und Selektion beruht somit, zumindest bei den untersuchten Dioden, wahrscheinlich weitgehend auf Temperatureffekten. Im Gegensatz zu Hooge u. A. [5] miissen wir aus unseren Messungen schliessen, dass bei Dioden mit einem Schwellstrom urn 2 X 103 A/cm2 die Aufheizung such im Nanosekundenbereich von grossem Einfluss auf das Spektrum sein kann. Der Autor machte Herrn Prof. Dr. H. Fischer fur vielfache Beratung und Herrn Dr. H. Salow - FTZ, Darmstadt fiir die freundliche ijberlassung der Laserdioden danken. Diese Arbeit wurde ermijglicht durch eine Leihgabe wissenschaftlicher GerPte der U. S. Airforce Cambridge Res. Lab. Bedford.
Bei Stromerhijhung iiber den Einsatz der Plateaubildung hinaus konnte bei der Diode #l die von Hooge und Kalter [4] beschriebene Selektion beobachtet werden. Diese erfolgte im langwelligen Teil des Spektrums, setzte mit abnehmender Impulsbreite bei hbheren Strbmen ein und durchlief mit steigendem Strom ein Maximum, urn anschliessend wieder abzuklingen, Fig. 2. Im zeitaufgelostem Spektrum wurde im Kurzwelligen eine Linieniiberlappung festgestellt, die auf Grund der Impulsform nicht ausschliesslich auf Temperatureffekt beruht. Fiir diesen Teil des Spektrums kannte die von Hooge und Kalter gegebene Erkllrung, einer SSittigung der Strahlung auf einem Weg kleiner als die LPnge des Resonators, gelten. Im langwelligen Teil wurde jedoch weiterhin die Erregung einzelner Moden mit der Verschiebung des Impulsmaximums mit der WellenlLnge nach spPteren Zeiten, d. h. mit der Temperaturverbreiterung der Linien im Zeitintegrierten Spektrum, beobachtet, wobei die Erregung der lang-
Referenzen 1. H.Salow and K.W.Benz,
2. 3. 4. 5.
Z.Angew.Phys.19 (1965) 157. G.Burns and H.I. Nathan, Proc.IEEE 52 (1964) 770. A. W, Smith and I.A. Armstrong, Phys. Letters 16 (1965) 38. F.N.Hooge and H.Kalter, Phys.Letters 12 (1964) 191. F. N. Hooge, H. Kalter and A. M.H. Hoppenbrouwers, Phys. Letters 17 (1965) 254.
6. J.M.LavineandA.A.Iannini, (1965) 402.
J.Appl.Phys.36
*****
SUBMILLIMETERWAVE J. -F. MOSER, Laboratorium
SPECTRA
OF
DOPED
W. ZINGG, H. STEFFEN
ftir FestkiSrperphysik,
Ziirich, Received
A1203-CRYSTALS
and F. K. KNEUBiiHL
Eidgeniissische
Technische
Hochschule
Switzerland 8 March
1967
The submillimeterwave spectra of doped Al203 crystals have been measured. For the ions Cr3+, V3+ and Ti3+ strong absorptions at 108.0 cm-l and 37.75 cm-l have been observed and related to resonant band modes. In ruby some additional weak absorptions occur, which are due to exchange coupled Cr3+ ion pairs.
The submillimeterwave absorption of concentrated ruby at low temperatures has been measured by Hadni [l]. He has observed two absorptions at 100 cm-l and 37 cm-l at liquid
He temperatures, which vanished at liquid trogen temperatures. It was suggested [l, these two absorption lines could be due to change-coupling resonances of Cr3+-pairs
ni21 that exor 411
Volume 24A, number 8
PHYSICS
LETTERS
10 April 1967
-
b
1.0 .
0.95
0.90 .
o.e5
.
0.80.
!
!
\I
----AI,O, -
:v
A1,03: Ti
I .
Fig. 1. Absorption of doped A1203 crystals. Samples: A1203:Cr Cr3+: 1.8%, V3+: < 20 ppm, Ti3+: ~20 ppm; thickness: 2 mm. A1203:V Cr3+: < 20 ppm, V 3+:0.53%, Ti3+: < 20 ppm; thickness: 2 mm. A1203:Ti Cr3+: < 20 ppm, V3+: < 20 ppm, Ti3+: 0.23%: thickness: 1 mm. Intensities: IHe/lN = ratio of transmitted radiation at liquid He temperature and at ’ liquid Np temperature. concentrations of the Ti3+ impurities in the V3+ due to Ti3’-impurities. and Cr3+ doped samples are extremely low. To resolve this question, we measured the Hence the crystal field splitting of the Ti3+ ion submillimeterwave absorption of pure Al203 is not responsible for the two relatively deep ab(sapphire) and A1203-crystals doped with dif sorptions. We suppose that the two absorptions ferent concentrations of Cr3+, V3+ or Ti3+. For correspond to resonant band modes. sapphire we could not find any absorption line for This assumption is compatible with the fact the wavelength refion between 50 1-1and 600~ at that the positions of the two absorptions do not liquid nitrogen temperature and below. For ruby depend on the doping ions which possess similar with Cr3+ concentrations between 0.5 and 1.8 atomic masses and a number of isotopes. Exweight percent the two absorptions have been obchange-coupled ion pairs are excluded because served at 108.0 cm-l and 37.75 cm-l. For a conthe Cr3+, V3+ and Ti3+ ions are magnetically difcentration of 5 weight percent no absorption line ferent. The enhanced phonon modes correspond to appeared. The spectral analysis of our ruby strong electric dipole transitions, whereas for samples showed that the concentration of the Ti3+ exchange-coupled pairs weak magnetic dipole impurity was below 20 ppm. Similar Ti3+ contransitions are expected. In addition to the strong centrations in other A1203-samples without Cr3+ lines at 108.0 cm-l and 37.75 cm-l we have oband V3+ did not show the two absorptions menserved very weak absorptions at 43.2, 33.2, 30.7 tioned. The optimum thickness of the ruby samand 18.8 (?) cm-1 in ruby, which could be related ples for the observation of the two absorptions is to exchange resonance transtions of Cr3+ pairs. about 2 mm. For thicker samples, e.g. 5 mm, The intensities of these weak transitions lie bethe observation of these absorptions was hamtween zHe/zN, = 0.98 and 0.97. pered, probably by inhomogeneity. For this reason we do not expect to find the absorptions for The Al203 crystals have been manufactured by samples with a thickness of 10 cm or more. Djbvahirdjian S. A. , Monthey, Switzerland and by In fig. 1 we compare the lQ8.0 cm-l and the Swiss Jewel Co. , Locarno, Switzerland. This 37.75 cm-l absorptions of ruby with the corrework has been supported by the “Eidgenijssische absorptions of the Al203-crystals doped spondi Kommission zur Fijrderung der Forschung” under we with Ti? + or V3+. From these measurements contract number 7713.7/639. conclude that these two absorption lines are 1. A.Hadni, Phys.Rev. 136 (1964) A758. neither due to exchange-coupled ion pairs nor due 2. Euchem Conference on the Far-Infrared. Culham, to the crystal-field splitting of the Ti3+ ion. The England (September 1966). 412
Volume 24A. number 8
einzelnen Linien im zeitintegrierten Spektrum zu beobachten. Diese Beobachtungen wurden durch zeitaufgelaste Spektrogramme best&t&t: aus der Impulsform konnte die Aufheizung dT/dt der Diode #l und die Wellenltingenverschiebung einer Mode mit der Zeit dX/dt unter Zugrundlegen der Beziehung [6] dh/dT= 0.46 A/OK nsherungsweise bestimmt werden: I = lOA:dT/dt I
15A:dT/dt
= 0.09 OK/ns,
dX/dt M 0.04 A/ns
N 0.11 oK/ns,
dA/dt M 0.05 &ns.
10 April 1967
LETTERS
welligsten Linien im Gegensatz zu den kurzwelligen nur iiber ca. 500/Oder Dauer des Stromimpulses erfolgte. Die beobachtete Plateaubildung und Selektion beruht somit, zumindest bei den untersuchten Dioden, wahrscheinlich weitgehend auf Temperatureffekten. Im Gegensatz zu Hooge u. A. [5] miissen wir aus unseren Messungen schliessen, dass bei Dioden mit einem Schwellstrom urn 2 X 103 A/cm2 die Aufheizung such im Nanosekundenbereich von grossem Einfluss auf das Spektrum sein kann. Der Autor machte Herrn Prof. Dr. H. Fischer fur vielfache Beratung und Herrn Dr. H. Salow - FTZ, Darmstadt fiir die freundliche ijberlassung der Laserdioden danken. Diese Arbeit wurde ermijglicht durch eine Leihgabe wissenschaftlicher GerPte der U. S. Airforce Cambridge Res. Lab. Bedford.
Bei Stromerhijhung iiber den Einsatz der Plateaubildung hinaus konnte bei der Diode #l die von Hooge und Kalter [4] beschriebene Selektion beobachtet werden. Diese erfolgte im langwelligen Teil des Spektrums, setzte mit abnehmender Impulsbreite bei hbheren Strbmen ein und durchlief mit steigendem Strom ein Maximum, urn anschliessend wieder abzuklingen, Fig. 2. Im zeitaufgelostem Spektrum wurde im Kurzwelligen eine Linieniiberlappung festgestellt, die auf Grund der Impulsform nicht ausschliesslich auf Temperatureffekt beruht. Fiir diesen Teil des Spektrums kannte die von Hooge und Kalter gegebene Erkllrung, einer SSittigung der Strahlung auf einem Weg kleiner als die LPnge des Resonators, gelten. Im langwelligen Teil wurde jedoch weiterhin die Erregung einzelner Moden mit der Verschiebung des Impulsmaximums mit der WellenlLnge nach spPteren Zeiten, d. h. mit der Temperaturverbreiterung der Linien im Zeitintegrierten Spektrum, beobachtet, wobei die Erregung der lang-
Referenzen 1. H.Salow and K.W.Benz,
2. 3. 4. 5.
Z.Angew.Phys.19 (1965) 157. G.Burns and H.I. Nathan, Proc.IEEE 52 (1964) 770. A. W, Smith and I.A. Armstrong, Phys. Letters 16 (1965) 38. F.N.Hooge and H.Kalter, Phys.Letters 12 (1964) 191. F. N. Hooge, H. Kalter and A. M.H. Hoppenbrouwers, Phys. Letters 17 (1965) 254.
6. J.M.LavineandA.A.Iannini, (1965) 402.
J.Appl.Phys.36
*****
SUBMILLIMETERWAVE J. -F. MOSER, Laboratorium
SPECTRA
OF
DOPED
W. ZINGG, H. STEFFEN
ftir FestkiSrperphysik,
Ziirich, Received
A1203-CRYSTALS
and F. K. KNEUBiiHL
Eidgeniissische
Technische
Hochschule
Switzerland 8 March
1967
The submillimeterwave spectra of doped Al203 crystals have been measured. For the ions Cr3+, V3+ and Ti3+ strong absorptions at 108.0 cm-l and 37.75 cm-l have been observed and related to resonant band modes. In ruby some additional weak absorptions occur, which are due to exchange coupled Cr3+ ion pairs.
The submillimeterwave absorption of concentrated ruby at low temperatures has been measured by Hadni [l]. He has observed two absorptions at 100 cm-l and 37 cm-l at liquid
He temperatures, which vanished at liquid trogen temperatures. It was suggested [l, these two absorption lines could be due to change-coupling resonances of Cr3+-pairs
ni21 that exor 411
Volume 24A, number 8
PHYSICS
LETTERS
10 April 1967
-
b
1.0 .
0.95
0.90 .
o.e5
.
0.80.
!
!
\I
----AI,O, -
:v
A1,03: Ti
I .
Fig. 1. Absorption of doped A1203 crystals. Samples: A1203:Cr Cr3+: 1.8%, V3+: < 20 ppm, Ti3+: ~20 ppm; thickness: 2 mm. A1203:V Cr3+: < 20 ppm, V 3+:0.53%, Ti3+: < 20 ppm; thickness: 2 mm. A1203:Ti Cr3+: < 20 ppm, V3+: < 20 ppm, Ti3+: 0.23%: thickness: 1 mm. Intensities: IHe/lN = ratio of transmitted radiation at liquid He temperature and at ’ liquid Np temperature. concentrations of the Ti3+ impurities in the V3+ due to Ti3’-impurities. and Cr3+ doped samples are extremely low. To resolve this question, we measured the Hence the crystal field splitting of the Ti3+ ion submillimeterwave absorption of pure Al203 is not responsible for the two relatively deep ab(sapphire) and A1203-crystals doped with dif sorptions. We suppose that the two absorptions ferent concentrations of Cr3+, V3+ or Ti3+. For correspond to resonant band modes. sapphire we could not find any absorption line for This assumption is compatible with the fact the wavelength refion between 50 1-1and 600~ at that the positions of the two absorptions do not liquid nitrogen temperature and below. For ruby depend on the doping ions which possess similar with Cr3+ concentrations between 0.5 and 1.8 atomic masses and a number of isotopes. Exweight percent the two absorptions have been obchange-coupled ion pairs are excluded because served at 108.0 cm-l and 37.75 cm-l. For a conthe Cr3+, V3+ and Ti3+ ions are magnetically difcentration of 5 weight percent no absorption line ferent. The enhanced phonon modes correspond to appeared. The spectral analysis of our ruby strong electric dipole transitions, whereas for samples showed that the concentration of the Ti3+ exchange-coupled pairs weak magnetic dipole impurity was below 20 ppm. Similar Ti3+ contransitions are expected. In addition to the strong centrations in other A1203-samples without Cr3+ lines at 108.0 cm-l and 37.75 cm-l we have oband V3+ did not show the two absorptions menserved very weak absorptions at 43.2, 33.2, 30.7 tioned. The optimum thickness of the ruby samand 18.8 (?) cm-1 in ruby, which could be related ples for the observation of the two absorptions is to exchange resonance transtions of Cr3+ pairs. about 2 mm. For thicker samples, e.g. 5 mm, The intensities of these weak transitions lie bethe observation of these absorptions was hamtween zHe/zN, = 0.98 and 0.97. pered, probably by inhomogeneity. For this reason we do not expect to find the absorptions for The Al203 crystals have been manufactured by samples with a thickness of 10 cm or more. Djbvahirdjian S. A. , Monthey, Switzerland and by In fig. 1 we compare the lQ8.0 cm-l and the Swiss Jewel Co. , Locarno, Switzerland. This 37.75 cm-l absorptions of ruby with the corrework has been supported by the “Eidgenijssische absorptions of the Al203-crystals doped spondi Kommission zur Fijrderung der Forschung” under we with Ti? + or V3+. From these measurements contract number 7713.7/639. conclude that these two absorption lines are 1. A.Hadni, Phys.Rev. 136 (1964) A758. neither due to exchange-coupled ion pairs nor due 2. Euchem Conference on the Far-Infrared. Culham, to the crystal-field splitting of the Ti3+ ion. The England (September 1966). 412