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


CONTRACT PD 86/12.08.2020
(PN-III-P1-1.1-PD-2019-0665); PLANUL NATIONAL DE CERCETARE, DEZVOLTARE SI INOVARE 2015-2020, PNIII
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

TIP PROIECT:                   Program 1 - Subprogram 1.1 - Resurse Umane - Proiecte de cercetare postoctorală PD 2019

TITLU:                               DEZVOLTAREA DE MATERIALE AVANSATE DE TIP MONOCRISTALIN SI POLICRISTALIN PENTRU EMISIE LASER EFICIENTA IN DOMENIUL VIZIBIL

                                          Acronim:  GARNETVISEM
TITLE:                               
Development of Advanced Single- and Poly-Crystalline Materials for Efficient Laser Emission in Visible Spectral Range

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________                               






FINANTARE :                         
Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii şi Inovarii (UEFISCDI), Ministerul Educatiei si Cercetarii Stiintifice, Romania
FUNDED BY:                         UEFISCDI, Ministry of Education and Scientific Research, Romania

DIRECTOR DE PROIECT
:     Dr. HAU Stefania
PROJECT MANAGER:          Dr. HAU Stefania
Email:                                     stefania.hau@inflpr.ro  

DURATA PROIECTULUI:       Septembrie 2020 - August 2022
PROJECT DURATION:          September 2020 - August 2022

CONDUCATOR PROIECT:    Institutul National de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei, Magurele, Bucuresti, Romania
PROJECT LEADER:              National Institute for Laser, Plasma and Radiation Physics, Magurele, Bucharest, Romania

Valoare contract:                   246.950 lei

Contract value:                      246.950 lei

Research team:                     HAU Stefania, PhD                      (CS)

                                              PAVEL Nicolaie, PhD (Mentor)     (CS I)

                                       
        
 

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


SUMMARY

The general objective of the project is to identify and develop new laser materials with controllable properties for efficient generation of laser emission in the visible spectral range. The research will be directed toward calcium-tantalum-gallium-garnet (CTGG) intrinsic disordered materials, as single crystals and alternative polycrystalline ceramic materials, doped with trivalent RE ions (Pr3+ and Dy3+).

The projects has two specific objectives.

Objective I.  Development of RE3+-doped CTGG (RE3+= Pr, Dy) laser single crystals with efficient emission in the visible domain.
Objective II
Development of RE3+-doped CTGG (RE3+= Pr, Dy) laser polycrystalline ceramics with efficient emission in the visible domain.

Expected results
Synthesis and preparation of RE3+-doped CTGG chemical compounds (RE= Pr3+ and Dy3+).
Growth by the Czochralski method and sintering by solid-state reaction of RE3+-doped CTGG single crystals and transparent polycrystalline ceramics, respectively, (RE= Pr3+ and Dy3+).
High-resolution spectroscopic characterization of RE3+- doped CTGG (RE= Pr, Dy) single crystals and transparent polycrystalline ceramic samples.
Laser emission experiments on RE3+-doped CTGG (RE= Pr, Dy) single crystals and polycrystalline ceramics.
- Dissemination of results.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________


REZUMAT
Obiectivul general al proiectului este identificarea si dezvoltarea de noi materiale laser cu proprietati controlabile pentru generarea eficienta de emisie laser in domeniul vizibil (VIZ). Cercetarea va fi directionata catre materiale cu dezordine intrinseca de tip granat de calciu-tantal-galliu (CTGG), sub forma de monocristale si ceramici policristaline alternative dopate cu ioni trivalenți de pamanturi rare RE3+ (Pr3+ și Dy3+).

Proiectul este structurat in două obiective specifice.
Obiectiv I. Dezvoltarea de monocristale laser de tip RE3+-dopati in CTGG (RE3+= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul VIZ.
Obiectiv II
. Dezvoltarea de ceramici policristaline laser de tip RE3+-dopati in CTGG (RE3+= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul VIZ.

Rezultate estimate
- Sinteza si prepararea compusilor chimici de tip RE3+-dopati in CTGG (RE= Pr3+ and Dy3+).
- Cresterea prin metoda Czochralski si sinterizarea prin reactie in faza a monocristalelor de tip RE3+:CTGG (RE= Pr3+ and Dy3+), respectiv a ceramicilor policristaline transparente de acelasi tip.
- Caracterizarea prin spectroscopie optica de inalta rezolutie a probelor monocristaline si policristaline de tip RE3+:CTGG (RE= Pr, Dy).
- Experimente de emisie laser pe monocristale si ceramici policristaline de tip RE3+:CTGG (RE= Pr, Dy).

- Diseminarea rezultatelor prin publicarea a cel putin 2 (doua) lucrari stiintifice in reviste cotate ISI si a 2 (doua) comunicari la conferinte internationale.

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Etapa I (septembrie - decembrie 2020)
Obiectiv I.     Dezvoltarea de monocristale laser de tip RE3+-dopati in CTGG (RE3+= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul vizibil.
Obiectiv II.    Dezvoltarea de ceramici policristaline laser de tip RE3+-dopati in CTGG (RE3+= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul vizibil.

Activitati
:       Sinterizarea si prepararea compusilor de tip RE3+:CTGG, RE= (Pr, Dy).

Rezultate etapa I
Obtinerea de compusi sinterizati de tip CTGG dopati cu ioni activi Pr3+ si Dy3+;
Rezultate preliminare privind spectroscopia optica a ionilor RE3+ investigati; 
  Diseminarea rezultatelor.

au fost identificate noi sisteme luminescente bazate pe emisia in vizibil a ionilor de RE3+ (Dy si Pr) dopati in materiale gazda cu dezordine intrinseca de tip granat de calciu-tantal-galiu (CTGG). Astfel:
- Au fost obtinute probe ceramice de tip CTGG dopate cu ionii Dy (0.1 - 5 at.%), Pr (0.1 - 10 at.%) folosind tehnica reactiei in faza solida;
- Probele au fost investigate structural prin difractie de raze X;
- Pe baza masuratorilor spectroscopice de inalta rezolutie la 300 K (excitatie si emisie) s-au obtinut date spectrale despre acesti ioni RE3+ (Dy si Pr) dopati ceramici de tip CTGG;
- Datele spectrale confirma faptul ca ionii dopanti selectionati au fost incorporati in materialele propuse astfel incat permit continuarea investigatiilor cu cresteri de monocristale si obtinerea de ceramici de tipul CTGG dopate cu ioni RE3+ (Dy si Pr);
- Diagrama CIE evidentiaza deplasarea coordonatelor de culoare in functie de concentratia de dopant, atat in cazul ionilor Dy3+ cat si in cazul ionilor Pr3+, demonstrand faptul ca acestor compusi pot fi fosfori eficienti pentru domeniul vizibil.
 In consecinta, apreciem ca in cadrul acestei etape au fost realizate toate obiectivele propuse si activitatile specificate in propunerea de proiect

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Etapa II (ianuarie - decembrie 2021)

Obiectiv I. Dezvoltarea de monocristale laser de tip RE3+-dopati in CTGG (RE3+= Pr, Dy) cu emisie eficienta in domeniul vizibil.
Scopul investigatiilor din acesta etapa este obtinerea prin metoda Czochralski a monocristalelor de tip RE3+:CTGG (RE= Pr3+si Dy3+) si caracterizarea spectroscopica de inalta rezolutie a acestora in vederea evaluarii acestora ca materiale laser in domeniul vizibil.

Rezultate etapa II
Sinteza si prepararea compusilor chimici de tip RE3+-dopati in CTGG (RE= Pr3+si Dy3+).
 Cresterea  prin metoda Czochralski a monocristalelor de tip RE3+:CTGG (RE= Pr3+si Dy3+).
 Caracterizarea structurala prin difractie de raze X si caracterizare prin spectroscopie optica de inalta rezolutie a probelor monocristaline de tip RE3+:CTGG (RE= Pr, Dy).
 Diseminarea rezultatelor.

- Monocristalele de tip Pr:CTGG si Dy:CTGG cu concentratii de 5 at.% ioni dopanti (Pr si Dy) au fost crescute prin metoda de tragere din topitura Czochralski. Topirea s-a realizat prin incălzire prin inducție intr-un creuzet de iridiu, temperatura de topire fiind in jur de 1600˚C. Monocristalele au fost crescute in aer cu o viteză de tragere de 2 -4 mm/h și o viteză de 15 - 20 rotații pe minut,  folosind o amorsa de cristal orientata <111>.
-
In cadrul acestei etape s-au identificat noi sisteme luminescente bazate pe emisia in vizibil a ionilor de Pr3+ si Dy3+ simplu dopate in materiale gazda cu dezordine intrinseca de tip granat de calciu-tantal-galiu (CTGG) sub forma de cristale si ceramici.
- Monocristale de tip CTGG dopate cu Pr3+ (5 at.%) si Dy (5 at.%) au fost crescute prin metoda Czochralski.
- Monocristale obtinute au fost caracterizate structural prin difratie de raze X si prin spectroscopie de inalta rezolutie.

- Au fost corelate datelor spectrale cu modele structurale, au fost evaluati parametri spectroscopici de interes pentru emisie laser in domeniul vizibil. Evaluarea parametrilor spectroscopici, modelarea efectelor compozitiei, structurii si a proprietatilor spectroscopice asupra emisiei laser in vizibil.
In consecinta, apreciem ca in cadrul acestei etape au fost realizate toate obiectivele propuse si activitatile specificate in propunerea de proiect.
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

DISEMINAREA REZULTATELOR
- JOURNALS
1. S. Hau, G. Stanciu, D. Avram, C. Gheorghe, L. Gheorghe, “Energy transfer and luminescent properties of Tb3+ and (Tb3+, Yb3+) doped CNGG phosphors”, disponibil online 12 septembrie 2021 in Journal of Rare Earths, IF 3.712, https://doi.org/10.1016/j.jre.2021.09.008

- CONFERENCES
1. S. Hau, C. Gheorghe, L. Gheorghe, G. Stanciu, “Optical properties of Pr3+-doped Ca3(Ta,Ga)5O12 ceramic phosphors," TIM 20-21 Physics Conference, 11 - 13 Nov. 2021, Timisoara, Romania; Poster presentation no. 42 (CMP-P3).
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Laboratory of Solid-State Quantum Electronics