Verification and spectral separation of up-conversion processes in fluorophosphate glass doped with ytterbium and thulium ions based on the dependence of their effective nonlinearity on wavelength

The up-conversion luminescence (UCL) spectra of fluorophosphate glasses doped with a pair of rareearth ions (REI) of ytterbium (4%) and thulium (0.1%) excited by radiation of a diode laser operating in a steady-state mode at wavelength of 975 nm are studied. Each of the observed UCL bands is a result of manifestation of several up-conversion processes (UCP) corresponding to luminescence of thulium ions from different excited states. These UCPs are characterized by different degrees of effective nonlinearity (EN). The effect of pump power on the UCL spectra formed by UCPs with different EN is studied. The possibility of separation of spectra corresponding to individual UCPs from the total experimentally measured UCL spectrum of fluorophosphate glass doped with a pair of REIs of ytterbium (4%) and thulium (0.1%) is demonstrated. The separation is based on the calculation of the EN based on the dependences of the UCL on the excitation power.

1. F. Auzel. Chem. Rev., 104 (2004) 139—173

2. F. Auzel. J. Lumin., 223 (2020) 116900

3. J. Wright. Radiationless Processes in Molecules and Condensed Phases, Ed. F. K. Fong, series Topics in Applied Physics, Springer, New York, 15 (1976) 239—295

4. A. Nadort, J. Zhao, E. M. Goldys. Nanoscale, 8, N 27 (2016) 13099—13130

5. J. C. Goldchmidt, S. Fischer. Adv. Opt. Mater., 3 (2015) 510—535

6. V. Nazabal, J.-L. Adam. Opt. Mater., X15 (2022) 100168

7. S. Zanella, M. A. Hernández-Rodríguez, L. Fu, R. Shi, L. D. Carlos, R. A. S. Ferreira, C. D. S. Brites. Adv. Opt. Mater., 11 (2023) 2301058

8. X. Li, F. Zhang, D. Zhao. Chem. Soc. Rev., 44 (2015) 1346—1378

9. L. Qiu, Y. Yang, G. Dong, D. Xia, M. Li, X. Fan, R. Fan. Appl. Surface Sci., 448 (2018) 145—153

10. J. Zhou, Q. Liu, W. Feng, Y. Sun, F. Li. Chem. Rev., 115 (2015) 395—465

11. T. F. Schulze, T. W. Schmidt. Energy Environ. Sci., 8 (2015) 103—125

12. A. Shalav, B. S. Richards, M. A. Green. Solar Energy Mater. and Solar Cells, 91, N 9 (2007) 829—842

13. J. Daniel, V. Fiorenzo. Nanoscale, 4, N 15 (2012) 4301—4326

14. A. Nexha, J. J. Carvajal, M. C. Pujol, F. Diaz, M. Aguilo. Nanoscale, 13 (2021) 7913—7987

15. X. Gao, D. Ju, X. Sang, J. Yang, Y. Zhang, F. Song. J. Lumin., 257 (2023) 119711

16. W. Yao, Q. Tian, W. Wu. Adv. Opt. Mater., 7 (2019) 1801171

17. M. You, J. Zhong, Y. Hong, Z. Duan, M. Lin, F. Xu. Nanoscale, 7 (2015) 4423—4431

18. T. O. Sales, C. Jacinto, W. F. Silva, R. Antunes, D. T. Dias, A. Gonçalves, R. El-Mallawany, N. G. C. Astrath, A. Novatski. J. Alloy. Compd., 899 (2022) 163305

19. F. You, S. Zheng, T. Pang, L. Zeng, L. Lei, S. Lin, J. Zhang, T. Shen, F. Huang, D. Chen. Laser Photon. Rev. (2024) 2400838

20. X. Cheng, J. Luo, F. Rosei. Nano Mater. Sci. (2024), doi: org/10.1016/j.nanoms.2024.04.003

21. R. Scheps. Prog. Quant. Electron., 20 (1996) 271—358

22. M. F. Joubert. Opt. Mater., 11 (1999) 181—203

23. H. Scheife, G. Huber, E. Heumann, S. Bär. Opt. Materials, 26, N 4 (2004) 365—374

24. X. Zhu, N. Peyghambarian. Adv. Optoelectron. (2010) 501956

25. W. P. Risk, T. R. Gosnell, A. V. Nurmikko. In: Compact Blue-Green Lasers, Cambridge University Press (2003) 385—467, doi: org/10.1017/CBO9780511606502

26. A. Fernandez-Bravo, K. Yao, E. S. Barnard, N. J. Borys, E. S. Levy, B. Tian, C. A. Tajon, L. Moretti, M. V. Altoe, S. Aloni, K. Beketayev, F. Scotognella, B. E. Cohen, E. M. Chan, P. J. Schuck. Nature Nanotechnology, 13 (2018) 572—577

27. C. Duan, L. Liang, L. Li, R. Zhang, Z. P. Xu. J. Mater. Chem. B, 6 (2018) 192—209

28. X. Zhu, Q. Su, W. Feng, F. Li. Chem. Soc. Rev., 46 (2017) 1025—1039

29. S. Chen, A. Z. Weitemier, X. Zeng, L. He, X. Wang, Y. Tao, A. J. Y. Huang, Y. Hashimotodani, M. Kano, H. Iwasaki, L. K. Parajuli, S. Okabe, D. B. Loong Teh, A. H. All, I. Tsutsui-Kimura, K. F. Tanaka, X. Liu, T. J. McHugh. Science, 359 (2018) 679—684

30. Y. Liu, Y. Lu, X. Yang, X. Zheng, S. Wen, F. Wang, X. Vidal, J. Zhao, D. Liu, Z. Zhou, C. Ma, J. Zhou, J. A. Piper, P. Xi, D. Jin. Nature, 543 (2017) 229—233

31. D. Jin, P. Xi, B. Wang, L. Zhang, J. Enderlein, A. M. van Oijen. Nature Methods, 15 (2018) 415—423

32. C. Lee, E. Z. Xu, Y. Liu, A. Teitelboim, K. Yao, A. Fernandez-Bravo, A. M. Kotulska, S. H. Nam, Y. D. Suh, A. Bednarkiewicz, B. E. Cohen, E. M. Chan, P. J. Schuck. Nature, 589 (2021) 230—235

33. J. Li, J. Zhang, Z. Hao, X. Zhang, J. Zhao, Y. Luo. J. Appl. Phys., 113 (2013) 223507

34. H. Zhang, Y. Li, Y. Lin, Y. Huang, X. Duan. Nanoscale, 3 (2011) 963—966

35. D. A. Simpson, W. E. K Gibbs, S. F. Collins1, W. Blanc, B. Dussardier, G. Monnom, P. Peterka, G. W. Baxter. Opt. Express, 16 (2008) 13781—13799

36. A. Pal, A. Dhar, S. Das, K. Annapurna, A. Schwuchow, T. Sun, K. T. V. Grattan, R. Sen. J. Opt. Soc. Am., B27, N 4 (2010) 2714—2720

37. M. Quintanilla, N. O. Núñez, E. Cantelar, M. Ocaña, F. Cussó. Nanoscale, 3 (2011) 1046—1052

38. F. Guëll, R. Solé, J. Gavaldà, M. Aguiló, M. Galán, F. Díaz, J. Massons. Opt. Mater., 30, N 2 (2007) 222—226

39. С. А. Буриков, E. A. Филиппова, A. А. Федянина, C. B. Кузнецов, В. Ю. Пройдакова, В. В. Воронов, Т. А. Доленко. Опт. и спектр., 130, N 6 (2022) 817—823

40. E. Kolobkova, A. Grabtchikov, I. Khodasevich. J. Non-Crystalline Solids X, 11-12 (2021) 100065

41. A. Strzęp, M. Głowacki, M. Szatko, K. Potrząsaj, R. Lisiecki, W. Ryba-Romanowski. J. Lumin., 220 (2020) 116962

42. M. A. Noginov, M. Curley, P. Venkateswarlu, A. Williams. J. Opt. Soc. Am., B14, N 8 (1997) 2126—2136

43. X. Chen, Z. Song. J. Opt. Soc. Am., B24, N 4 (2007) 965—971

44. L. Guillemot, P. Loiko, J.-L. Doualan, A. Braud, P. Camy. Opt. Express, 30, N 18 (2022) 31669—31684

45. М. В. Корольков, И. А. Ходасевич, А. С. Пиотух, А. С. Грабчиков, Е. В. Колобкова, Туй Ван Нгуен, Д. С. Могилевцев. Журн. прикл. спектр., 90, № 5 (2023) 689—695 [M. V. Korolkov, I. A. Khodasevich, A. S. Piotukh, A. S. Grabtchikov, E. V. Kolobkova, T. V. Nguyen, D. S. Mogilevtsev. J. Appl. Spectr., 90, N 5 (2023) 982—987]

46. M. V. Korolkov, I. A. Khodasevich, A. S. Grabtchikov, V. A. Orlovich, D. S. Mogilevtsev. Appl. Sci. (2024) (в печати)

47. K. N. Boldyrev, N. M. Abishev, I. E. Mumdzi, S. I. Nikitin, B. Z. Malkin, R. V. Yusupov, M. N. Popovа. Opt. Mater., X 14 (2022) 100155

48. W.-P. Qin, Z.-Y. Liu, C.-N. Sin, C.-F. Wu, G.-S. Qin, Z. Chen, K.-Z. Zheng. Light: Sci. Appl., 3 (2014) e193, doi: org/10.1038/lsa.2014.74

49. X. Domingo-Almenara, J. Brezmes, M. Vinaixa, S. Samino, N. Ramirez, M. Ramon-Kraue, C. Lerin, M. Díaz, L. Ibáñez, X. Correig, A. Perera-Lluna, O. Yanes. Anal. Chem., 88, N 19 (2016) 9821—9829

50. M. Riener, J. Kainulainen, J. D. Henshaw, J. H. Orkisz, C. E. Murray, H. Beuther. Astronomy & Astrophysics, 628, A78 (2019)

51. G. Talsky. Derivative Spectrophotometry: Low and High Order, VCH (1994) ISBN 9783527282944

52. J. K. Kauppinen, D. J. Moffatt, H. H. Mantsch, D. G. Cameron. Appl. Spectrosc., 35, N 3 (1981) 271—276

53. B. Ruddick, A. Anis, K. Thompson. J. Atm. Ocean. Technol., 17, N 11 (2000) 1541—1555

54. N. Dobigeon, S. Moussaoui, J.-Y. Tourneret, C. Carteret. Signal Proc., 89, N 12 (2009) 2657—2669

55. A. Mikhalychev, S. Vlasenko, T. R. Payne, D. A. Reinhard, A. Ulyanenkov. Ultramicroscopy, 215 (2020) 113014

56. R. Helin, U. G. Indahl, O. Tomic, K. H. Liland. J. Chemometrics, 36, N 2 (2022) e3374

57. B. P. Kore, A. Kumar, R. E. Kroon, J. J. Terblans, H. C. Swart. Opt. Mater., 99 (2020) 109511

58. A. V. Mikheev, B. N. Kazakov. J. Lumin., 205 (2019) 167—178

59. E. Yu. Perlin, A. M. Tkachuk, M.-F. Joubert, R. Moncorge. Opt. and Spectrosc., 90, N 5 (2001) 772—781

60. O. Silvestre, M. C. Pujol, M. Rico, F. Güell, M. Aguiló, F. Díaz. Appl. Phys. B, 87 (2007) 707—716

61. G. Androz, M. Bernier, D. Faucher, R. Vallée. Opt. Express, 16, N 20 (2008) 16019—16031

62. S. L. Maurizio, G. Tessitore, G. A. Mandl, J. A. Capobianco. Nanoscale Adv., 11 (2019) 4492

63. T. Sun, X. Su, Y. Zhang, H. Zhang, Y. Zheng. Appl. Sci., 11 (2021) 10386

64. B. M. Walsh, N. P. Barnes, D. J. Reichle, S. Jiang. J. Non-Crystalline Solids, 352 (2006) 5344—5352

65. P. Peterka, B. Faure, W. Blanc, M. Karásek, B. Dussardier. Opt. Quantum Electron., 36 (2004) 201—212

66. S. Kaniyarakkal, K. C. Rajasekharaudayar, R. Dagupati, Y. Li, S. Drewniak, Z. Chen, V. S. Nair, S. Edappadikkunnummal. Inorg. Chem. Commun., 158, Pt. 1 (2023) 111395

67. Y. Zheng, L. Deng, J. Li, T. Jia, J. Qiu, Z. Sun, S. Zhang. Photon. Res., 7, N 4 (2019) 486—492

68. L. E. Batay, A. A. Demidovich, A. N. Kuzmin, A. N. Titov, M. Mond, S. Kück. Appl. Phys., B75 (2002) 457—461

69. M. F. Joubert, S. Guy, B. Jacquie. Phys. Rev. B, 48 (1993) 10031—10037

70. M. V. Korolkov, I. A. Khodasevich, A. S. Grabtchikov, D. Mogilevtsev, E. V. Kolobkova. Opt. Lett., 44, N 23 (2019) 5880—5883

71. M. V. Korolkov. J. Opt. Soc. Am., B37, N 11 (2020) 3239—3242

72. M. Pollnau, D. R. Gamelin, S. R. Lüthi, H. U. Güdel. Phys. Rev. B, 61 (2000) 3337—3346

73. J. F. Suyver, A. Aebischer, S. García-Revilla, P. Gerner, H. U. Güdel. Phys. Rev. B, 71 (2005) 125123

74. I. A. Khodasevich, A. A. Kornienko, P. P. Pershukevich, V. A. Aseev, M. A. Khodasevich, A. S. Grabtchikov. J. Appl. Spectr., 84 (2017) 986—994]

75. P. Goldner, B. Schaude, M. Prassas. Phys. Rev. B, 65 (2002) 054103

76. Y. Cho, S. W. Song, S. Y. Lim, J. H. Kim, C. R. Park, H. M. Kim. Phys. Chem. Chem. Phys., 19 (2017) 7326—7332

77. F. Guëll, X. Mateos, Jna. Gavalda, R. Sole, M. Aguilo, F. Diaz, M. Galan, J. Massons. Opt. Mater., 25, N 1 (2004) 71—77