CC BY
8DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-48-49
ФОТОИНДУЦИРОВАННОЕ РАЗРУШЕНИЕ
ВИСМУТОВЫХ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ В ФОСФОРОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДАХ
Харахордин А.В.1, Алышев С.В.1, Рюмкин К.Е.1, Хегай А.М.1, Фирстова Е.Г.1,
1 2 2 2 1* Мелькумов М.А. , Лобанов А.С. , Афанасьев Ф.В. , Гурьянов А.Н. , Фирстов С.В.
1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН, Научный центр волоконной оптики им. Е.М. Дианова РАН,
г. Москва
2 Институт Химии Высокочистых Веществ РАН, г. Н.Новгород E-mail: fir@fo.gpi. ru
Введение
Волоконные световоды, легированные висмутом, являются перспективной активной средой, позволяя эффективно усиливать и генерировать оптическое излучение в достаточно широкой спектральной области 1100-1750 нм [1]. Доступность столь существенного диапазона длин волн для волоконно-оптических устройств на основе световодов из кварцевого стекла стала возможной, благодаря уникальным свойствам висмутовых активных центров, спектрально-люминесцентные свойства которых существенным образом зависят от химического состава стеклянной матрицы [2]. Это усилило интерес к данному диапазону длин волн, поскольку излучение из указанного диапазона может использоваться для решения различных прикладных задач.
Уникальные особенности висмутовых световодов служат мотивацией для проведения новых исследований и позволяют получать оригинальные научные результаты о структуре стекла, активных центров, а также процессах их формирования и трансформации, протекающих в стеклообразных средах. Недавно, в висмутовых световодах был обнаружен ряд новых явлений, заключающихся в разрушении активных центров при воздействии лазерного излучения, а также возможности их восстановления при термообработке. Показано, что при воздействии лазерного излучения УФ и видимого диапазона происходит почти полное «стирание» висмутовых активных центров (ВАЦ) в высокогерманатных световодах. Кроме того, была продемонстрирована возможность обратных процессов, при которых осуществлялось полное восстановление ВАЦ, в условиях тепловой обработки 400-600оС [3]. Установлено, что интенсивность наблюдаемых эффектов зависит от стеклянной матрицы, длины волны излучения, температуры и др. Важно подчеркнуть, что использование ИК излучения, которое, как правило, служит накачкой для оптических устройств, также при определенных условиях может являться фактором, разрушающим ВАЦ. Данный результат был получен при исследовании высокогерманатных световодов [4].
В данной работе представлены экспериментальные данные, касающиеся особенностей протекания фотоиндуцированных явлений разрушения ВАЦ в фосфоросиликатной стеклянной матрице при воздействии ИК излучения. Проведен анализ полученных результатов с использованием построенной феноменологической модели фотообесцвечивания, описывающей термохимические и оптические процессы в активной среде (применяя концепцию демаркационной энергии).
Методика исследования
Исследование проводилось с использованием одномодовых = 1.1 мкм) волоконных световодов с сердцевиной из 5 мол.% P2O5 - 95 мол.% SiO2 стекла, легированного Bi (<0.02 вес.%). Для тепловой обработки образец помещался в трубчатую печь «НАКАЛ», где нагревался до заданной температуры 300°С - 600°С. Длина образца световода не превышала 40 см. Нагретые висмутовые световоды облучались излучением на длине волны 532 нм и 1240 нм с мощностью 100 мВт. Общая длительность воздействия лазерного излучения составляла от 3 до 5 ч. Спектры люминесценции в исследуемых световодах измерялись при помощи спектроанализатора HP 70950B при возбуждении на длине волны 1240 нм. Более подробно описание экспериментальных образцов и методов исследования приведено в работе [5].
Результаты и обсуждение
В экспериментах были получены зависимости изменения интенсивности люминесценции на длине волны 1330 нм образцов, находящихся при разных температурах, от времени воздействия лазерного излучения. В результате было обнаружено монотонное снижение уровня люминесценции при облучении 532нм и при 1240нм. Данный эффект отчетливо наблюдается при температуре световода в диапазоне 300-600 оС (на относительно коротких временных интервалах). Как ожидалось,
48 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
скорость процесса снижения интенсивности люминесценции возрастает с уменьшением длины волны воздействующего излучения. Полученные экспериментальные зависимости были представлены в энергетических координатах (Рис.1(а,б)) в соответствии с подходом, использующим демаркационную энергию, выражаемую в виде: Ed = kBT \п(к^), где T — температура, кв — постоянная Больцмана, t - время, k0 - предэкспоненциальный множитель в законе Аррениуса. При этом подразумевалось,
что интенсивность люминесценции пропорциональна концентрации ВАЦ (пВац). Производная по энергии экспериментально полученных кривых позволяет получить распределения энергии активации процесса фотообесцвечивания (пунктирные кривые на Рис.1(а,б)). Полученные распределения имеют максимумы, равные 1-1.2 эВ и 2 эВ для облучения на длинах волн 532 нм и 1240 нм соответственно.
Рис. 1 Зависимости изменения концентрации ВАЦ (символы - эксперимент; линия - аппроксимация) в нагретых до различных температур висмутовых световодах в процессе облучения на длине волны 532 нм (а) и 1240 нм (б) от энергии активации процесса обесцвечивания ВАЦ. Штриховыми линиями показаны распределения g(E), полученные на основе экспериментальных данных, сплошными линиями - на основе расчетной модели (из-за небольших различий между экспериментом и расчетом на рис б, показана только
штриховая линия)
В рамках проведенного исследования была построена феноменологическая модель процесса фотообесцвечивания в исследуемых световодах. В основу данной модели заложены оптические процессы поглощения накачки и спонтанного испускания фотонов люминесценции, а также термохимические процессы преобразования ВАЦ, находящихся в возбужденном состоянии. Более того, принималось во внимание, что скорость протекания термохимических процессов различна из-за неоднородностей, имеющихся в стеклообразных средах. Это учитывалось в виде распределения энергии активации процесса фотообесцвечивания. Система скоростных уравнений, описывающая временную эволюцию концентрации ВАЦ, решалась с применением численных методов SciPy.org.
Для случая 1240 нм экспериментально полученное распределение g(E) с высокой точностью совпадало с расчетным распределением, поэтому на Рис.1,б приведена только одна кривая. Для 532 нм между распределениями (Рис.1,а) наблюдается заметное различие. Экспериментальное распределение энергий активации не описывается используемым в расчете гауссовым распределением, а характеризуется двумя максимумами с энергиями 1.2 и 1 эВ. Объяснением этого, по-видимому, является наличие одновременно протекающих процессов фотообесцвечивания различных типов ВАЦ, а именно, ВАЦ, ассоциированных с P и Si. Также расчетным способом были получены значения предэкспоненциального множителя (в уравнении Аррениуса), которые оказались
равными 6.2-106 с- (532 нм) и 6.2-1010 c— (1240 нм), соответственно.
Полученные данные позволяют продвинуться в понимании строения висмутовых активных центров, а также процессов, возникающих в стеклообразных средах при воздействии лазерного излучения.
Благодарности
Данная работа была выполнена при финансовой поддержке Российского Научного Фонда (грант № 19-72-10003).
Литература
1. Thipparapu N.K. et al., Opt. Mater. Express 9, 2446-2465 (2019)
2. Firstov S. V. et al., Opt. Express 19, 19551-19561 (2011)
3. Firstov S. V. et al., Laser Phys. 26, 084007 (2016)
4. Alyshev S. V. et al., Opt. Express 27(22), 31542-31552 (2019)
5. Kharakhordin A. V. et al., Opt. Mater. Express 11, 1247-1258 (2021)
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 49
