Mid-IR spectroscopy of Er3+doped low-phonon CsCdCl3and CsPbCl3crystals

E. Brown, Zackery D. Fleischman, Jason McKay, U. Hömmerich, Al Amin Kabir, Jazmine Riggins, Sudhir Trivedi, Mark Dubinskii

2022Journal of the Optical Society of America B11 citationsDOI

Abstract

The mid-IR spectroscopic properties of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msup><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math> doped low-phonon <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> crystals grown by the Bridgman technique have been investigated. Using optical excitations at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>800</mml:mn></mml:mrow><mml:mspace width="thickmathspace"/><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>660</mml:mn></mml:mrow><mml:mspace width="thickmathspace"/><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">n</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math> , both crystals exhibited IR emissions at <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>1.55</mml:mn></mml:mrow></mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>2.75</mml:mn></mml:mrow></mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>3.5</mml:mn></mml:mrow></mml:math> , and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>4.5</mml:mn></mml:mrow><mml:mspace width="thickmathspace"/><mml:mtext>µ</mml:mtext><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi></mml:mrow></mml:math> at room temperature. The mid-IR emission at 4.5 µm, originating from the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>9</mml:mn><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mspace width="thickmathspace"/><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msup><mml:mspace width="thickmathspace"/><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>11</mml:mn><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math> transition, showed a long emission lifetime of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>11.6</mml:mn></mml:mrow><mml:mspace width="thickmathspace"/><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math> for <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msup><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math> doped <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> , whereas <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msup><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math> doped <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">P</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">b</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> exhibited a shorter lifetime of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>∼</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>1.8</mml:mn></mml:mrow><mml:mspace width="thickmathspace"/><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">m</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi></mml:mrow></mml:math> . The measured emission lifetimes of the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>9</mml:mn><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math> state were nearly independent of the temperature, indicating a negligibly small nonradiative decay rate through multiphonon relaxation, as predicted by the energy-gap law for low-maximum-phonon energy hosts. The room temperature stimulated emission cross sections for the <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>9</mml:mn><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">→</mml:mo><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msup><mml:mi/><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>11</mml:mn><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math> transition in <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msup><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">E</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:math> doped <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inline"><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:msub><mml:mrow class="MJX-TeXAtom-ORD"><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">s</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">d</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">l</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:math> and <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="inli

Topics & Concepts

PhononDopingSpectroscopyMaterials scienceCondensed matter physicsPhysicsAtomic physicsQuantum mechanicsOptical properties and cooling technologies in crystalline materialsSolid State Laser TechnologiesLuminescence Properties of Advanced Materials

Mid-IR spectroscopy of Er<sup>3+</sup>doped low-phonon CsCdCl<sub>3</sub>and CsPbCl<sub>3</sub>crystals

Abstract

Topics & Concepts