NATIONAL INSTITUTE for LASER, PLASMA and RADIATION PHYSICS
   LABORATORY of SOLID-STATE QUANTUM ELECTRONICS


CONTRACT 12105 / 01.10.2008

TITLU:  Noi materiale nelineare laser pentru generarea eficienta de emisie fotonica coerenta in domeniul albastru - ultraviolet apropiat
TITLE:  NEW NONLINEAR LASER MATERIALS FOR EFFICIENT BLUE - NEAR ULTRAVIOLET COHERENT PHOTONIC EMISSION GENERATION

FINANTARE :                         Autoritatea Nationala pentru Cercetare Stiintifica, Ministerul Educatiei, Cercetarii, Tineretului si Sportului, Bucuresti, Romania
FUNDED BY:                         National Authority for Scientific Research, Ministry of Education, Research, Youth and Sport, Bucharest, Romania

DIRECTOR DE PROIECT:         Dr. Lucian GHEORGHE
PROJECT MANAGER:             Dr. Lucian GHEORGHE
Email: lucian.gheorghe@inflpr.ro

DURATA PROIECTULUI:            2008 - 2011
CONDUCATOR PROIECT:          INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE PENTRU FIZICA LASERILOR, PLASMEI SI RADIATIEI INFLPR DIN BUCURESTI
PARTENERI:                             1. INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE DEZVOLTARE PENTRU INGINERIE ELECTRICA ICPE - CERCETARI AVANSATE
                                                2. INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR

OBIECTIVE
Realizarea de noi materiale neliniare Ln1-xRxCa4O(BO3)3 (Ln = Gd, Y si R = Sc, Lu) cu caracteristici performante si controlabile, pentru obtinerea de radiatie laser in albastru - u.v. apropiat prin procese
de dublare a frecventei de emisie la 800nm a diodelor AlGaAs si a frecventelor de emisie la 912 nm, 915 nm, 930 nm si 946 nm specifice laserilor Nd: GdVO4, Nd: YVO4, Nd: YAP si respectiv Nd:YAG,
in conditii de NCPM, la temperatura ambianta. Realizarea de noi medii active laser nelineare Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3)3 cu emisie in albastru (~ 468nm) prin procese de autodublare in conditii de NCPM,
la temperatura ambianta, a emisiei laser in i.r. apropiat (~936 nm).

I. Determinarea limitelor de existenta a solutiilor solide Ln1-xRxCa4O(BO3)3 Ln = Gd, Y si R = Sc, Lu.
IIa. Realizarea cristalelor test de Gd1-xRxCOB si determinarea proprietatilor nelineare caracteristice. (PARTIAL)
IIb. Realizarea cristalelor test de Y1-xRxCOB si determinarea proprietatilor nelineare caracteristice. (FINAL)

III. Proiectarea de noi surse fotonice coerente in albastru-u.v. apropiat prin procese de dublarea in NCPM a frecventelor emisiilor laser in i.r. apropiat a unor sisteme laser eficiente. Cresterea,
evaluarea proprietatilor nelineare si caracterizarea spectroscopica si structurala a cristalelor de Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3). Proiectarea de noi surse fotonice coerente cu emisie in albastru prin procese
de autodublarea in conditii de NCPM.

Pentru atingerea obiectivelor propuse partenerii vor actiona impreuna in directiile:
- Sintetizarea si cresterea cristalelor nelineare;
- Caracterizarea structurala si compozitionala a cristalelor;
- Caracterizarea proprietatilor nelineare si spectroscopice (in cazul activarii cu ioni Nd3+) ale cristalelor;
- Proiectarea si realizarea de noi surse fotonice;

- Diseminarea rezultatelor obtinute.

OBIECTIVES
Realization of Ln1-xRxCa4O(BO3)3 (Ln = Gd, Y and R = Sc, Lu) new non linear crystals with performing and controllable characteristics for the obtaining of blue - violet photonic emissions at room temperature
by SHG in NCPM conditions of the laser emissions at 800 nm, 912 nm, 915 nm, 930 nm and 946 nm of AlGaAs laser diodes, Nd: GdVO4, Nd: YVO4, Nd: YAP and respectively Nd: YAG laser.
Realization of Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3) new nonlinear laser crystals with blue emission (~ 468nm) at room temperature by SFD processes in NCPM conditions of the near i.r. laser emission at ~936 nm.
I. Determination of the existence limits of Ln1-xRxCa4O(BO3)3 Ln = Gd, Y and R = Sc, Lu solid solutions.
IIa. Realization of Gd1-xRxCOB test crystals and determination of the characteristics non linear properties. (PARTIAL)
IIb. Realization of Y1-xRxCOB test crystals and determination of the characteristics non linear properties. (FINAL)

III. Design of new blue - near u.v. coherent photonic sources by frequencies doubling processes in NCPM conditions of the laser emissions in near i.r. of some efficient laser sources. Growth, non-linear
properties evaluation and spectroscopic and structural characterization of Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3) crystals. Design of new blue coherent photonic sources by self-doubling processes in NCPM conditions.

In order to realize the contract objectives, the partners will act together toward:
- Synthesis and non-linear crystals growth;
- Structural and compositional characterization of the grown crystals;
- Crystals non linear and spectroscopic (for Nd3+ doped) properties characterization;
- Design and realization of new photonic sources;

- Dissemination of the obtained results.

REZULTATE
2009
ETAPA I : Determinarea limitelor de existenta a solutiilor solide Ln1-xRxCa4O(BO3)3, Ln = Gd, Y si R = Sc, Lu.
Activitati
- Sintetizarea compusilor Ln1-xRxCa4O(BO3)3 (Ln1-xRxCOB) cu divers parametru compozitional x variat (CO-INCDFLPR);

http://rawmedcol.com/

- Masuratori de difractie de raze X pe compusii sintetizati (P1-INCDIE ICPE–CA).

Diversi compusi policristalini de tipul Ln1-xRxCOB cu parametrul compozitional 0 ≤ x ≤ 1 au fost sintetizati prin reactie in stare solida, iar compusii obtinuti au fost analizati prin diferite metode (difractie de
raze X, analiza termica diferentiala). Rezultatele obtinute au permis stabilirea limitelor de solubilitate ale ionilor R3+ in compusii LnCOB ca fiind: 7% in cazul compusilor Gd1-xScxCa4O(BO3)3,
23% pentru compusii Gd1-xLuxCa4O(BO3)3, ~ 20% in cazul compusilor Y1-xScxCa4O(BO3)3 si ~ 30% pentru compusii Y1-xLuxCa4O(BO3)3.

ETAPA IIa: Realizarea cristalelor test de Gd1-xRxCOB si determinarea proprietatilor nelineare caracteristi-ce. (PARTIAL)
Activitati
- Cresterea de cristale Gd1-xRxCOB test, cu compozitii in domeniile de congruenta determinate si evaluarea proprietatilor nelineare (CO-INCDFLPR);
- Determinarea experimentala a frecventelor ce pot fi dublate in conditii de NCPM in cristalele test crescute (CO-INCDFLPR);
- Rafinari structurale si analize compozitionale a cristalelor test crescute (P1-INCDIE ICPE–CA);
- Investigarea defectelor structurale si compozitionale a cristalelor test (P2-INCDFM);
- Determinarea evolutiei parametrilor nelineari functie de compozitia cristalelor (inclusiv a valorilor lungimilor de unda ale caror frecvente pot fi dublate in conditii de NCPM) (CO-INCDFLPR);
Au fost crescute prin metoda Czochralski monocristalele Gd0.93Lu0.07Ca4O(BO3)3, Gd0.87Lu0.13Ca4O(BO3)3, si Gd0,96Sc0.04Ca4O(BO3)3 de dimensiuni mari si calitate optica buna. Au fost realizate
rafinari structurale ale cristalelor crescute iar compozitiile lor reale au fost determinata prin masuratori de absorbtie atomica. Calitatea monocristalelor a fost investigata prin microscopie electronica. Au
fost masurati indicii de refractie ai cristalelor obtinute iar pe baza masuratorilor efectuate au fost calculati coeficientii ecuatiilor Sellmeier caracteristice. Au fost determinate curbele de acord de faza pentru
generarea armonicii a doua in cristalele crescute si au fost estimate valorile frecventelor ce pot fi dublate in conditii de NCPM. Au fost realizate masuratori experimentale ale lungimilor de unda ale
caror frecvente pot fi dublate in lungul axelor Y si Z (conditii de NCPM), iar rezultatele obtinute sunt in foarte bun acord cu estimarile teoretice. Acceptantele unghiulare in NCPM de tip I in lungul axei Y au
fost de asemenea determinate. A fost stabilita evolutia lungimilor de unda in NCPM in lungul axei Y in functie de compozitia monocristalelor de tip Gd1-xRxCa4O(BO3)3.

 2010
ETAPA IIb: Realizarea cristalelor test de Y1-xRxCOB si determinarea proprietatilor nelineare caracteristice. (FINAL)
Activitati:
- Cresterea de cristale Y1-xRxCOB test, cu compozitii in domeniile de congruenta determinate si evaluarea proprietatilor nelineare;
- Determinarea experimentala a frecventelor ce pot fi dublate in conditii de NCPM in cristalele test crescute;
- Rafinari structurale si analize compozitionale a cristalelor test crescute;
- Investigarea defectelor structurale si compozitionale a cristalelor test;
- Determinarea evolutiei parametrilor nelineari functie de compozitia cristalelor (inclusiv a valorilor lungimilor de unda ale caror frecvente pot fi dublate in conditii de NCPM);
Au fost crescute din topitura prin metoda Czochralski monocristalele Y0.81Lu0.19Ca4O(BO3)3, Y0.71Lu0.29Ca4O(BO3)3, Y0.61Lu0.39Ca4O(BO3)3, Y0.93Sc0.07Ca4O(BO3)3 si Y0.89Sc0.11Ca4O(BO3)3 de calitate
optica foarte buna. Au fost realizate rafinari structurale ale cristalelor crescute iar compozitia lor reala a fost determinata prin masuratori de absorbtie atomica. De asemenea, a fost determinata evolutia
lungimilor de unda in NCPM in functie de compozitia monocristalelor de tip Y1-xRxCa4O(BO3)3. Ansamblul de rezultatele obtinute demonstreaza ca printr-o alegere potrivita a parametrului compozitional x,
cu ajutorul cristalelor Y1-xRxCa4O(BO3), R = (Lu, Sc), lungimile de unda a caror frecventa poate fi dublata prin SHG in conditii de NCPM, pot fi acordate in intervalele spectrale 692.6 - 724 nm si 791.4 - 832 nm.
 
2011
ETAPA III: Proiectarea de noi surse fotonice coerente in albastru-u.v. apropiat prin procese de dublarea in NCPM a frecventelor emisiilor laser in i.r. apropiat a unor sisteme laser eficiente. Cresterea, evaluarea
proprietatilor nelineare si caracterizarea spectroscopica si structurala a cristalelor de Gd1-x-yRxNdyCa4O(BO3). Proiectarea de noi surse fotonice coerente cu emisie in albastru prin procese de autodublarea in
conditii de NCPM.
Activitati
- Sintetizarea si cresterea din topitura prin metoda Czochralski a oxiboratilor Gd0.884Lu0.116Ca4O(BO3)3, Gd0.952Sc0.048Ca4O(BO3)3 si Gd0.948Lu0.052Ca4O(BO3)3 (cu compozitii prestabilite pentru SHG
in conditii de NCPM, a emisiilor laser fundamentale la 800 nm, 930 nm si 946 nm specifice diodelor laser AlGaAs, laserilor Nd:YAP si respectiv Nd:YAG);
- Analiza compozitionala si investigarea calitatii cristalelor crescute;
- Caracterizarea proprietatilor nelineare si determinarea experimentala a frecventelor fundamentale ce pot fi dublate in conditii de NCPM;
- Evaluarea caracteristicilor de SHG in conditii de NCPM a cristalelor Gd0.884Lu0.116Ca4O(BO3)3, Gd0.952Sc0.048Ca4O(BO3)3 si Gd0.948Lu0.052Ca4O(BO3)3, in vederea proiectarii de noi surse fotonice
in albastru-u.v. apropiat (400 nm, 465 nm si respectiv 473 nm) bazate pe aceste cristale.
- Sintetizarea si cresterea din topitura prin metoda Czochralski a oxiboratilor Gd0.84Lu0.11Nd0.05Ca4O(BO3)3 si Gd0.92Sc0.02Nd0.06Ca4O(BO3)3;
- Analiza compozitionala si investigarea calitatii si a proprietatilor structurale ale cristalelor crescute;
- Caracterizarea proprietatilor nelineare si determinarea experimentala a frecventelor fundamentale ce pot fi dublate in conditii de NCPM;
- Evaluarea proprietatilor spectroscopice in scopul optimizarii emisiei laser la ~ 936nm;
- Teste laser privind obtinerea emisiei in albastru prin procese de SFD a emisiei laser fundamentala la ~ 936nm, in vederea proiectarii de noi surse fotonice cu emisie la ~468 nm bazate pe
cristalele Gd0.84Lu0.11Nd0.05Ca4O(BO3)3 si Gd0.92Sc0.02Nd0.06Ca4O(BO3)3.

Monocristalele Gd0.84Lu0.11Nd0.05Ca4O(BO3)3 si Gd0.92Sc0.02Nd0.06Ca4O(BO3)3 de dimensiuni mari si calitate optica foarte buna au fost crescute din topitura prin metoda Czochralski.
Compozitia lor reala a cristalelor obtinute fost determinata prin masuratori de absorbtie atomica iar calitatea lor a fost investigata prin experimente de microscopie electronica.
Au fost realizate masuratori experimentale ale lungimilor de unda ale caror frecvente pot fi dublate in lungul axelor Y si Z (conditii de NCPM) iar rezultatele obtinute sunt in foarte bun acord cu estimarile
teoretice anterioare.
Proprietatilor spectroscopice ale cristalelor au fost evaluate si au fost realizate teste laser privind obtinerea emisiei in infrarosul apropiat (936 nm) si respectiv in albastru (468 nm) prin procese de SFD a
emisiei laser fundamentala la 936 nm.

Ansamblul cercetarilor efectuate au permis obtinerea de emisie laser la 936 nm polarizata paralel cu axa Y a cristalelor, contrar cristalelor GdCa4O(BO3)3 dopate cu ioni Nd3+ ce permit obtinerea de
emisii laser polarizate paralel cu axa X. Totodata, au fost obtinute pentru prima data emisii laser la 468 nm prin procese de SFD in conditii de NCPM, ceea ce demonstreaza capabilitatea
cristalelor Gd0.84Lu0.11Nd0.05Ca4O(BO3)3 si Gd0.92Sc0.02Nd0.06Ca4O(BO3)3 de a fi utilizate in constructia de noi surse fotonice coerente cu emisie la 468 nm.

Lucrari publicate in reviste ISI
1. L. Gheorghe, A. Achim, B. Sbarcea, and S. Mitrea, “Synthesis and X-ray investigations of new Y1-xRxCa4O(BO3)3 (R = Sc, Lu) nonlinear materials”,
Optoelectronics and Advanced Materials - Rapid Communication 4 (3), 318-321, 2010.
2. C. Gheorghe, A. Lupei, V. Lupei, L. Gheorghe, and S. Hau, “Judd-Ofelt analysis of Nd3+ in CLNGG single crystals”, Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 12 (4), 818-820, 2010.
3. L. Gheorghe, A. Achim, F. Voicu, and C. Ghica, “Growth and structural characterization of Y0.6Lu0.4Ca4O(BO3)3 new nonlinear crystal”, 
Journal of Optoelectronics and Advanced Materials 12 (8), 1680-1683, 2010.
4. L. Gheorghe, A. Achim, F. Voicu, and G. Aka, “Growth and type-I non critical phase matching second harmonic generation of Y1-xRxCa4O(BO3)3 (R = Sc or Lu) crystals”,
Optoelectronics and Advanced Materials - Rapid Communication 4 (12), 2010.
5. C. Gheorghe, A. Lupei, V. Lupei, and L. Gheorghe, “A comparative study of Nd3+ and Sm3+ ions doped into oxide host materials; correlation between structure and spectral properties”, 
accepted to be published in Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2012.
6. C. Gheorghe, L. Gheorghe, P. Loiseau, and G. Aka, “Spectroscopic analysis and laser performance at 1.06 µm of Nd3+ doped Gd1−xLuxCa4O(BO3)3 single crystal”, 
accepted to be published in Journal of Applied of Physics, 2012

7. L. Gheorghe and C. Gheorghe, “Judd Ofelt and laser  investigation of Nd3+ doped Gd1-xScxCa4O(BO3)3”, accepted to be published in Journal of Optoelectronics and Advanced Materials, 2012

Lucrari publicate in reviste indexate in baze de date internationale

1. L. Gheorghe, A. Achim, and F. Voicu, “A new promissing nonlinear optical (NLO) crystal for visible and ultraviolet (UV) regions,"
accepted to be published in conference proceeding of AIP (America Institute of Physics) Proceedings Series.

Comunicari la conferinte internationale
1. L. Gheorghe, A. Achim, P. Loiseau, G. Aka, “New nonlinear Gd1-xRxCa4O(BO3)3 (R = Lu, Sc) crystals for 400nm blue-violet light generation by type-I noncritical phase-matching frequency doubling
processes”, International Conference “Micro - to Nano-Photonics II - ROMOPTO 2009”, 31 August - 3 September, Sibiu, Romania (presentation I.P.3)

Laboratory of Solid-State Quantum Electronics