CC BY
53
УДК 666.221.6
А.А. Степко*, В.И Савинков, В.В. Ковгар1, В.Н. Сигаев
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева Москва, Россия,125047, Москва, ул. Героев Панфиловцев, 20 1Институт физики им. Б.И. Степанова НАН Беларуси, Минск, Беларусь 220072, Минск, пр. Независимости, 68 *e-mail: sashaweek@mail.ru
ФОСФАТНОЕ СТЕКЛО, АКТИВИРОВАННОЕ ИОНАМИ УЬ3+, ДЛЯ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ЛАЗЕРОВ БЛИЖНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА
Исследованы спектрально-люминесцентные характеристики лазерных стекол на фосфатной основе с различной концентрацией ионов активатора (Yb3+): время затухания люминесценции, интенсивность люминесценции на длинах волн 980-1040 нм, оптическая плотность, квантовый выход люминесценции, а также влияние длительности осушения на люминесцентные свойства полученных образцов стекол.
Ключевые слова: лазерное фосфатное стекло, Yb
Стекла, активированные ионами Yb3+, в последнее время привлекают к себе внимание в качестве материалов активных элементов лазерных систем, работающих в режимах генерации сверхкоротких импульсов и получения высоких пиковых мощностей [1]. Это связано с тем, ионы Yb3+ обладают рядом преимуществ по сравнению с ионами Nd3+. Структура электронных уровней ионов Yb3+ обеспечивает резкое снижение величины концентрационного тушения люминесценции, а широкие полосы поглощения и люминесценции способствуют эффективной накачке и усилению чирпированных импульсов [2]. Стеклообразные матрицы в сравнении с кристаллическими имеют более широкие полосы люминесценции и поглощения за счет неоднородного уширения спектральных линий в неупорядоченной матрице, в случае стекол имеется возможность модернизации спектральных и физических свойств за счет изменения составов стекол [2,3]. Фосфатные стекла в качестве матрицы для ионов РЗЭ характеризуются более широкой полосой пропускания по сравнению со стеклами на силикатной и боратной основе, хорошей растворимостью оксидов РЗЭ в фосфатной низкими температурами варки (1100-проведения технологических переделов по осушению и гомогенизации стекольного расплава, возможностью синтеза стекол с атермальными свойствами, простотой обработки заготовок для создания активных элементов лазеров и усилителей [4]. В данной работе исследовалось влияние концентрации ионов Yb3+ в фосфатной
ИК люминесценция, квантовый выход.
матрице
14000С), простотой
матрице на оптическую плотность стекла, время затухания, квантовых выход и интенсивность
^ 2т7
люминесценции при переходе F5/2 F7/2, а также влияние длительности осушения стекольного расплава барботажем кислородом при постоянном расходе на изменение времени жизни люминесценции и квантовых выход.
Для синтеза образцов стекол выбран состав (мольн.%) (100.x) (52,197 P2O5, 8,384 BaO, 17,059 К2О, 5,35 БЮ2, 9,624 М2О3, 7,386 В2О3Н X Yb2Oз, где Х = 1, 2, 5. В качестве сырьевых материалов использовались Н3РО4 (ОСЧ), ВаС03 (ХЧ), К2СО3 (ЧДА), БЮ2(ОСЧ), А1(ОН)3 (ЧДА), Н3ВО3 (ХЧ), Yb2O3 (ОСЧ). Сухие компоненты шихты после взвешивания перетирались в агатовой ступке и вносились в жидкую фосфорную кислоту при постоянном перемешивании. Варка производилась в лабораторной стекловаренной печи шахтного типа с нагревателями из БЮ в платиновых тиглях в воздушной атмосфере в течение 1 ч и с последующим бурлением осушенным кислородом в течение 1-4 ч с расходом О2 8 л/мин. Загрузка жидкой шихты производилась при температуре 1200 0С, провар и осушение - при 1400 0С. Стекло вырабатывалось в нагретую до 450 0С стальную форму. Отжиг стекла проводили при температуре 450-5500С в течение 4 ч с инерционным охлаждением с печью. Из отливок стекла изготавливались полированные пластины. Данные о концентрации ионов Yb3+ в полученных стеклах приведены в таблице 1.
Таблица 1. Концентрация ионов УЪ в стеклах и время затухания люминесценции в образцах синтезированных стекол
Название образца Мольная доля Yb2O3, % Плотность, г/см3 Концентрация ионов Yb3+, 1020 1/см3 Время затухания люминесценции (X люм), мкс Квантовый выход люминесценции, %
ЛИС-1 1 2,764 2,68 1130 86,5
ЛИС-2 2 2,793 5,14 1055 81
ЛИС-5 5 2,916 13,10 510 39
Спектры поглощения образцов стекол были получены на спектрофотометре Shimadzu ЦУ-3600 в интервале длин волн 800-1200 нм (рисунок 1). На спектрах оптического поглощения образцов стекол имеются ярко выраженные широкие полосы поглощения с максимумами вблизи 915 и 975 нм. Интенсивность полос поглощения прямо пропорционально зависит от концентрации ионов активатора. Измерение времени затухания люминесценции (X люм) проводилось с помощью системы, состоящей из импульсного лазера на сапфире с титаном (Х=910 нм, длительность импульса =10 нс), монохроматора и детектора. Регистрация затухания люминесценции
производилась при Х= 975 нм - в максимуме чисто электронного перехода.
13
11 1П 9 В 1 Е 5 I 3 3 I
а
-'11 1 - и -'и
J 1
/ ) ч
шп шп эш га inm 1шп ппп иш 1гзп
Длиш швы, вы
Рис. 1. Спектры поглощения образцов синтезированных стекол.
Для определения оптимального времени осушения стекольного расплава, было проведено 5 варок стекла состава ЛИС-2 с различными длительностями барботажа кислородом. Кривые затухания люминесценции стекол с различным временем осушения представлены на рисунке 2. Из данных по кинетике затухания люминесценции можно сделать вывод о том, что большая часть ОН-групп покидают стекольный расплав в течение первых 2-4 ч.
Анализ результатов тауметрии стекол с различным содержанием ионов Yb3+ и одинаковой длительностью осушения (рисунок 3) показал, что при концентрации Yb3+ до ~ 5 -1020 1/см3 ход кривых практически идентичен, однако при высокой концентрации Yb3+ наблюдается снижение длительности, что связано с проявлением концентрационного тушения, обусловленного процессами обмена энергии между ионами Yb3+. Вместе с концентрационным тушением важным фактором, снижающим X люм является рассеяние
энергии на колебаниях ОН-групп. Определенные значения коэффициента поглощения при Х=3100 нм - максимума линии поглощения воды, для всех образцах не превышали £3100= 2-3 см , что свидетельствует о равнозначном влиянии наличия ОН-групп на тушение люминесценции для всех исследованных стеклах. Из анализов результатов тауметрии определено время затухания люминесценции (табл.1). Полученные данные свидетельствуют о том, что исследуемая матрица обеспечивает высокие значения X люм даже при высоких концентрациях активатора.
1
0,36788 0,13534 0,04979 0,01832 0,00674 0,00248 9,11882E-4 3,35463E-4 1,2341 E-4
2000
4000
6000 t И
8000
10000
1200
1000
¡8 800
600 -
400
200
длительность осушения, часы
Рис. 2. Кинетика затухания люминесценции ионов УЪ3+ в образцах с различным временем осушения (С УЪ3+ = 5,14 1020 1/см3 ( 2 мольн.%)).
Е ремя, икс
Рис. 3. Кинетика затухания люминесценции с различной концентрацией Yb3+.
На спектрах люминесценции синтезированных стекол при накачке Х=915 нм (рисунок 4) видно, что в исследованной фосфатной матрице при активировании ионами Yb3+ имеется эффективная широкополосная люминесценция с барицентром при X ~ 1000 нм и малым стоксовым сдвигом (=35 нм) между барицентрами полос поглощения (см.рисунок 1) и люминесценции.
Таким образом, квантовый выход люминесценции синтезированных стекол, рассчитанный из кинетики затухания люминесценции, при концентрации Yb3+ менее или равной 5,14-Ю2" 1/см1 превышает 80% и сохраняет достаточно высокое значение (да 39 %) при
концентрации ионов активатора 13,1Т020 1/см3. Поэтому данную матрицу можно считать одной из наиболее перспективных для создания активных элементов лазеров с высокой концентрацией ионов Yb3+ для усиления импульсов сверхкороткой длительности а также позволяет использовать его для получения перестраиваемой генерации с низкими стоксовыми потерями в спектральной области 980-1040 нм.
900 950 1000 1050 1100
Длина е опны, нм
Рис. 4. Спектры люминесценции образцов стекол с различным содержанием Yb3+
Степко Александр Александрович, аспирант кафедры химической технологии стекла и ситаллов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Савинков Виталий Иванович, к.т.н., с.н.с. Международной лаборатории функциональных материалов на основе стекла имени П.Д.Саркисова РХТУ имени Д.И.Менделеева, Россия, Москва
Ковгар Виктория Викторовна, н.с. лаборатории фотофизики активированных материалов НАН Беларуси, Республика Беларусь, Минск
Сигаев Владимир Николаевич, д.х.н, профессор, заведующий кафедрой ХТСиС РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1.Hönninger C. et al. Ultrafast ytterbium-doped bulk lasers and laser amplifiers //Applied Physics B. - 1999. - Т. 69. - №. 1. - С. 3-17.
2.Ehrt D., Töpfer T. Preparation, structure, and properties of Yb3+ FP laser glass //International Symposium on Optical Science and Technology. - International Society for Optics and Photonics, 2000. - С. 95-105.
3.Jiang C. et al. Yb: phosphate laser glass with high emission cross-section //Journal of Physics and Chemistry of Solids. - 2000. - Т. 61. - №. 8. - С. 1217-1223.
4.Алексеев Н. Е. Лазерные фосфатные стекла. - Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1980.
Stepko Alexandr Alexandrovich, Savinkov Vitaliy Ivanovich, Kovgar Victorya Victirovna, Sigaev Vladimir Nikolaevich
D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. e-mail: sashaweek@mail.ru
PHOSPHATE GLASS DOPED WITH Yb3+, FOR SOLID-STATE NIR LASERS
Abstract. Phosphate laser glass with various concentrations of rare-earth ions (REI) (Yb3+) was synthesized. The spectral-luminescent characteristics of the glass samples, such as the decay time, the luminescence intensity at 980-1040 nm, the optical density and the quantum yield of luminescence was measured.
Key words: laser phosphate glass, Yb3+, NIR luminescence, quantum yield.
