CC BY
31ВКВО-2019 -- ВКВО-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
ИЗГОТОВЛЕНИЕ АКТИВНЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ НА ОСНОВЕ ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ МЕЗОПОРИСТЫХ СТЕКОЛ
1 1 1* 1 Дианов Е.М|. , Исхакова Л.Д. , Вельмискин В.В. , Пластинин Е.А. ,
Милович Ф.О.2, Машинский В.М.1, Фирстов С.В.1
1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», г. Москва
* E-mail: [email protected]
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16068
На пути увеличения эффективности волоконных лазеров стоит ряд проблем, одной из которых является образование кластеров активных элементов при увеличении их концентрации. В случае висмутовых волоконных лазеров это приводит к тому, что высокая эффективность достигается при очень низких концентрациях Б1 (<0,02 ат.%) и при рабочих длинах 50 - 100 метров.
Одним из возможных решений этой проблемы является использование пористых стекол (ПС) для создания активных лазерных сред. Как правило, ПС изготавливаются по технологии фазового разделения двухфазных щелочно-боросиликатных стекол, и материал пористой структуры имеет примерно следующий состав: 96,48Ю2-2,9В20з-0,2А120з-0,02Ыа20 [1]. Недавно были получены эффективные волоконные световоды, легированные редкоземельными элементами, с использованием ПС и эффективные волоконные лазеры на их основе [2], а также опубликовано несколько статей, посвященных введению висмута в ПС и исследованию их люминесцентных характеристик [з]. Однако, публикаций, посвященных висмутовым волоконным световодам, созданным на основе пористых стекол, на данный момент нами обнаружено не было.
Изготовление таких световодов представляет сложный технологический процесс, включающий в себя несколько стадий. В данной работе в качестве исходного материала для изготовления заготовок висмутовых волоконных световодов использовались образцы пористых стекол со средним размером пор 4-5 нм, изготовленные методом фазового разделения щелочно-боросиликатного стекла в Национальной лаборатории оптоэлектроники, Хуачжунский университет науки и технологии, Ухань, КНР.
С использованием методики, описанной в [4] был получен ряд монолитных прозрачных стекол с концентраций висмута <0,02; 0,05; 0,127, 0,55 и 0,8 ат.%. Поскольку показатель преломления полученных стекол был близок к показателю преломления кварцевого стекла, для изготовления заготовок волоконного световода проводилось жакетирование полученных образцов с помощью трубки из кварцевого стекла, легированного фтором, с более низким показателем преломления. После этого для получения требуемого соотношения диаметров сердцевины и оболочки, необходимого для создания одномодовых волоконных световодов, проводилось еще одно жакетирование полученных образцов с использованием трубки из сверхчистого кварцевого стекла. Типичный вид профиля показателя преломления полученных заготовок показан на рис. 1. Из полученных таким путем
заготовок были вытянуты одномодовые волоконные световоды и измерены их спектрально-люминесцентные характеристики.
Спектры люминесценции полученных образцов содержат две полосы с максимумами на волнах 800 и 4 1100 нм с временами жизни 3-10 мкс и 750 мкс, соответственно, что схоже с данными опубликованными для легированных висмутом алюмосиликатных МС\Ш световодов и преформ.
На рис. 2 показаны спектры поглощения (кривые 1 -т—г—т—1 и 2) и люминесценции (кривая 4) волоконных световодов с 0,05 и 0,55 ат.% В1 и для сравнения спектр
Радиус, мм
Рис. 1. Типичный профиль показателя преломления заготовки
поглощения алюмосиликатного волоконного световода, изготовленного МОУО методом с <0,02 ат.% В1 (кривая з). Видно качественное и количественное сходство между спектрами поглощения световодов, полученных различными технологиями (кривые 1 и 3)
138
№6 2019 спецвыпуск «фотон-экспресс-наука 2019» [email protected]
ВКВО-2019 Волоконные световоды и волоконно-оптические компоненты
при небольших концентрациях висмута. В обоих случаях наблюдаются полосы поглощения на длинах волн 500, 700 и 1000 нм, принадлежащие висмутовым активным центрам, ассоциированным с алюминием. При этом спектры поглощения практически совпадают в области длин волн 400 - 1200 нм в ПС-световоде с 0,05 ат. % Ы и в МСУБ-световоде с концентрацией висмута намного меньше (<0,02 ат. %). Это означает, что как концентрация висмутовых активных центров, так и уровень фоновых потерь в этих световодах близки и, следовательно, технология на основе пористых стекол имеет больший потенциал с точки зрения увеличения концентрации ВАЦ без появления больших фоновых потерь. Влияние таких потерь видно на примере световода с концентрацией висмута на порядок больше (0.55 ат.%) - потери в нем существенно выше, а относительная величина полос активных центров меньше. Причиной роста оптических потерь может быть неравномерное распределение висмута и его кластеризация, но этот вопрос требует более детального исследования. В области длин волн больше 1200 нм большое поглощение в спектрах световодов на основе пористых стекол обусловлено остаточной примесью ОН-групп (полосы около 1240 и 1380 нм).
0,08
- 0,06
- 0,04
400 500 600 700 800 900 10001100120013001400150016001700
Длина волны, нм
q:
<L>
X I-
о
ГС S
zr
X 0) =г
о ф
X
0,02
2
0,00
Рис. 2. Спектр поглощения световодов с концентрацией висмута 0.05 (1) и 0.55 (2) ат.%; спектр поглощения алюмосиликатного MCVD световода с 0,02ат.% Bi (3); спектр ИКлюминесценции образца с 0.05ат.% Bi, полученный при возбуждении на 975нм (4)
Более подробно полученные результаты будут представлены в докладе.
Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН №32 «Наноструктуры: физика, химия, биология, основы технологий».
Литература
1. Elmer T. H, et al, Engineered Materials Handbook., 4, Ceramics and Glasses, 427 (1992)
2. Chu Y., et al, Opt. Lett, 41, 1225 (2016)
3. Zhou Sh., et al, Adv. Funct. Mater., 18, 1407 (2008)
4. DianovE. M, et al, Quantum Electron., 48, 658-661 (2018)
№6 2019 спецвыпуск «фотон-экспресс-наука 2019»
