Измерение населенности метастабильного уровня стекол, активированных ионами эрбия Текст научной статьи по специальности «Физика»

8. Georgiou E., Musset O., Boduqillon J-P, Denker B., Sverchkov S.E., 50mJ/30ns FTIR Q-switched diode pumped Er:Ybglass 1.54 |im laser. // Opt.Comm. 198 (2001). Р.147-153.

9. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 567 с.

10. Judd B.R. Optical absorption intensities of rare earth ion. // Phys. Rev. 1962. V. 127. № 3. Р. 750-761.

11. Ofelt G.S. Intensities of crystal spectra of rare earth ion // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. № 3. Р. 511-520.

ИЗМЕРЕНИЕ НАСЕЛЕННОСТИ МЕТАСТАБИЛЬНОГО УРОВНЯ СТЕКОЛ, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ ЭРБИЯ

М.Н. Жукова, В.А. Асеев Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор Н.В. Никоноров

Проведены измерения населенности метастабильного уровня эрбия в иттербий-эрбиевых фосфатных и силикатных стеклах в зависимости от концентрации ионов-активаторов (эрбия и иттербия) и от мощности лазерной накачки. Установлено, что увеличение концентрации ионов иттербия приводит к росту инверсной населенности эрбия, а увеличение концентрации ионов эрбия, наоборот, уменьшает инверсную населенность.

Введение

В 1965 году Снитцером и Вудкоком впервые было получено индуцированное излучение ионов Ег3+ в стекле на резонансном переходе 4113/2 — 4 115/2, ^ = 1,5 мкм [1]. С этого момента наблюдается повышенный интерес к стеклам, активированных эрбием. Это связано с тем, что основная волна генерации данного материала (1,5 мкм) является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн и поэтому очень перспективна для применения в офтальмологии, локации, для обработки материалов и т.д. [2].

Одним из основных недостатков этих стекол является крайне низкая эффективность возбуждения ионов Ег3+ из-за относительно слабых полос поглощения [3]. Эту проблему можно решить несколькими способами. Можно увеличивать длину активной среды до нескольких метров. Такой подход используется при создании волоконных лазеров. Однако, если требуется создать компактное устройство с длиной лазерной среды несколько сантиметров, то в матрицу требуется вводить дополнительные ионы-сенсибилизаторы. Для ионов эрбия в качестве сенсибилизатора могут выступать ионы иттербия. У ионов эрбия и иттербия перекрываются полосы поглощения в районе 970 нм, т.е. уровни 4111/2 у иона эрбия и 4Г5/2 у иттербия являются резонансным [4]. Одной из наиболее подходящих матриц для создания иттербий-эрбиевых лазеров являются фосфатные стекла. К их достоинствам относятся высокие генерационные характеристики, низкая цена, а также высокая эффективность безызлучательного переноса энергии от ионов иттребия к эрбию. Вероятность безызлучательной передачи возбуждения сильно зависит от расстояния между ионами. Поэтому для повышения эффективности передачи возбуждения от сенсибилизатора к акцептору требуется увеличивать концентрации ионов-активаторов [3]. Для эффективной передачи возбуждения с иттербия на эрбий необходимо, чтобы на 1 ион эрбия приходилось порядка 20 ионов иттербия [3]. Максимальная концентрация ионов эрбия в коммерческих иттербий-эрбиевых стеклах составляет 1 х 1020 см-3 при концентрации ионов иттербия

20 3 20 3

(19-21)х10 см [5-7]. При концентрациях ионов эрбия более 1х10 см происходит уменьшение эффективности безызлучательного переноса от иттербия к эрбию, а также увеличение процессов миграции и нелинейного тушения люминесценции, что, в конечном счете, снижает эффективность лазера. При увеличении концентрации ионов иттербия в стекле может происходить снижение порога генерации, увеличение предельной концентрации ионов эрбия и уменьшение длительности импульса иттербий-эрбиевого лазера, работающего в режиме модулированной добротности [8]. Однако создание таких стекол связано с рядом технологических трудностей, и работы по синтезу и исследованию свойств стекол с концентрациями иттербия более 21х1020 см-3 отсутствуют.

В настоящей работе были синтезированы стекла, активированные ионами эрбия и иттербия вплоть до предельных концентраций (Ыуъ = 52,4х1020 см-3). Проведены измерения населенности метастабильного уровня эрбия в иттербий-эрбиевых фосфатных стеклах в зависимости от концентрации ионов-активаторов и мощности лазерной накачки.

Объект исследования и эксперимент

В работе были использованы две стеклообразные матрицы: метафосфатная и силикатная. Для исследования были взяты два концентрационных ряда стекол, активированных иттербий-эрбием:

1. иттербиевый фосфатный ряд в системе 75Р202-25ЯЕ203 (мол. %), где ЯЕ20з = Ьа20з, ГЬ203, Ег203. Стекла данного ряда были синтезированы в кварцевых тиглях при температурах 1450-1550 °С и отожжены при температурах 550-600 °С в зависимости от состава. В ходе варки все стекла были обезвожены путем барботирования кислородом через кварцевую трубку. После обезвоживания расплавы осветляли в течение 90 мин для удаления пузырей, затем отливали в графитовые формы и отжигали. Таким образом, был получен следующий концентрационный ряд метафосфат-ных стекол: 75Р202-(25-х)Ьа20з-хУЪ20з, где х = 0; 5; 10; 15; 20; 25 (мол. %). Здесь при постоянной концентрации ионов эрбия 0,29x10 см- изменялась концентрация ионов иттербия от 0 до максимально возможной - 52,4х1020 см-3 за счет замещения ионов лантана (табл. 1);

2. эрбиевый силикатный ряд в системе 648102-16Ма20-42п0-12Р-1Вг-ЗУЪ20з (мол %), где при постоянной концентрации ионов иттербия 17,8 х1020 см-1 изменялась концентрация ионов эрбия от 0 до 2,26х1020 см-1 (табл. 2).

Образцы имели вид плоскопараллельных пластин (10x10 мм) разной толщины (0,3-3 мм). Толщина выбиралась в зависимости от концентрации иона-активатора так, чтобы уменьшить эффект реабсорбции.

№ образца Ккг,1020 см-3 Куь,1020 см-3

Ур1 10,5

Ур2 20,9

Ур3 0.29 31,4

Ур4 41,7

Ур5 52,4

Таблица 1. Иттербиевый фосфатный ряд

№ образца Кег,1020 см-3 Куь,1020 см-3

ЕБ1 0,26

ЕБ2 0,56 17,8

ЕБ3 1,13

ЕБ4 2,26

Таблица 2. Эрбиевый силикатный ряд

Для измерения населенности метастабильного уровня Егз+ использовался метод, разработанный в [9]. Определение населенности метастабильного уровня Ы2 осуществлялось по двум методикам. Первая основана на измерении изменения поглощения из

4 2

основного состояния (Ак ) для сверхчувствительного перехода 115/2 — Н11/2 в спектральной области 520 нм и исходит из предложения, что Ы2 = АМ1 (АМ1 - это обеднение основного уровня 4115/2). Вторая основана на измерении поглощения из возбужденного состояния (АкЕХ4) для сверхчувствительного перехода 4113/2 — 409/2 в спектральной области 478 нм. Изменение показателя поглощения рассчитывалось по формуле

к = — 1п

а

( т \

I.

¡азеЮЫ V ^1азег0РР )

(1)

где а - толщина образца; 1.ае т - зондирующий сигнал лампочки при лазерной накачке; 1.ае шр - зондирующий сигнал лампочки без накачки.

Для вычисления инверсии населенности М2МЕг (или АМ1/МЕг, так как в данном случае N2 = АМ]) при переходе 4115/2 —2Н11/2 применялась следующая формула:

М2 _ АМ! _ АкОЗА

Мег N

Ег

к

(2)

оа^А

где АМ1 - это обеднение основного уровня 115/2 при накачке; - изменение коэф-

фициента поглощения при лазерной накачке в максимуме полосы 4115/2 — 2Н11/2; коозА -максимальный коэффициент поглощения без накачки.

Формула для определения инверсии населенности М2/МЕг при накачке 4113/2 —409/2 выглядит следующим образом:

М 2

М

Ег

|а Е8А

(3)

где | кЕ8А(у^у - интегральный коэффициент наведенного поглощения полосы 113/2 —^ 4а9/2; | оезА(у)^у- интегральное сечение наведенного поглощения этого перехода. При определении величины | кЕ$А( у)ё V необходимо было изменение показателя поглощения (к), рассчитываемого по формуле (1), поделить на концентрацию иона-активатора Ег3+.

Величина интегрального сечения наведенного поглощения, \o^EsA(V)dv, определялась с помощью теории Джадда. Для этого по определенным ранее параметрам Джадда [10] рассчитывается сила линии возбужденного поглощения:

8е5А (4ЛЗ/2 — 4а9/2 )_ О2^(2) + ^4V(4) + ОV(6), где О2, О4, О6 - параметры Джадда; V-2-*, У(4), V6 - приведенные множители.

11 1

(4)

□

ТТ

1 Л

\

Л 1У

10

9 8

2 3 4

5 6

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для измерения спектров поглощения из основного и возбужденного состояний: 1 - полупроводниковый лазер (Ьйй - 10),

2 - светоделительная пластинка, 3 - диафрагма, 4 - объемный образец, 5 - модулятор, 6 - лампа накаливания (А,зонд = 1,4-1,7 нм), 7 - положительная линза, 8 - светофильтр, 9 - монохроматор, 10 - ФЭУ, 11 - !оск-1п усилитель

Полученное значение силы линии подставляется в соотношение (5), по которому и определяется интегральное сечение полосы возбужденного поглощения 113/2 — 09/2 :

еа

113/ 2 — а9/2 >

9п

(5)

8п3е 2

V

Е8А

(2 + 2)

где к = 6,6238-10-27 (эрг-сек); е = 4,8022-10-10 (эрг); с = 2,998-1010 (см/сек); п - показатель преломления исследуемого образца.

Измерения изменения поглощения из основного AkGSA и возбужденного AkESA состояний проводились на установке, показанной на рис. 1. Для накачки образцов (4) использовалось лазерное излучение от полупроводникового лазера (1) (LDD-10 «ЗАО Полупроводниковые приборы») непрерывного действия с максимальной мощностью 1 Вт. Накачка осуществлялась на длине волны 980 нм (температура лазера 18 °С). Мощность лазерного излучения изменялась от 50 до 590 мВт. В качестве зонда использовалось излучение от лампы (6) (Oriel), которое, проходя через монохроматор (9) (Spectra Pro 500i), регистрировалось ФЭУ (10). Далее сигнал передавался на синхронный усилитель (Модель SR850 DSP) (11) и обрабатывался на компьютере. Все измерения проводились при комнатной температуре.

Результаты и обсуждения

На рис. 2 и 3 показаны спектры полос поглощения с основного состояния (GSA) и полос поглощения с возбужденного состояния (ESA) для разных мощностей накачки.

На рисунках видно, что при увеличении мощности накачки интенсивности полос поглощения с основного состояния (GSA) и полос поглощения с возбужденного состояния (ESA) возрастают. Следовательно, происходит расселение основного уровня и заселение метастабильного. Максимальные значения изменения поглощения из возбужденного и основного состояния, а также сечения этих полос мы использовали для получения значений населенности.

На рис. 4 и 5 представлены зависимости инверсной населенности (N2/NEr) при переходах 4Ii5/2 — 2H]]/2 (GSA) и 4I]3/2 — 4G9/2 (ESA) от мощности лазерного излучения для фосфатного и силикатного стекол.

Из рисунков видно, что у фосфатных стекол при больших мощностях накачки (590 мВт) населенность метастабильного уровня при переходах с основного и возбужденного состояний различаются на 18 %. У силикатных стекол также при больших мощностях (590 мВт) значения, полученные разными методами, различаются на 30 %. Следовательно, в обоих случаях основной уровень обедняется сильнее, чем заселяется метастабильный (AN] > N2). Объясняется этот эффект тем, что при больших накачках возможен процесс заселения верхних состояний за счет ап-конверсии. С верхних состояний возможен безызлучательный перенос на метастабильный уровень 4IJ3/2, а также прямой радиационный перенос на основной уровень, сопровождающийся зеленой люминесценцией [9].

На рис. 6 и 7 представлены зависимости инверсной населенности (N2/NEr) при переходах 4Ii5/2 —2H]]/2 (GSA) и 4Ij3/2 —4G9/2 (ESA) от концентрации ионов-активаторов.

Увеличение концентрации ионов Yb (от типичной концентрации иттербия

20 3 20 3

20,9x10 см до 52,4x10 см ) для иттербиевого фосфатного стекла приводит к возрастанию инверсной населенности от 63 % до 77 % при одной и той же мощности накачки. Это можно объяснить тем, что увеличение концентрации ионов иттербия приводит к уменьшению расстояния между ионами иттербия и эрбия, что, в свою очередь, увеличивает вероятность безызлучательной передачи возбуждения с донора (иттербия) на акцептор (эрбий). Следовательно, повышается эффективность накачки. Высокая концентрация иттербия за счет более высоких коэффициентов поглощения (у метафос-фата иттербия он составляет 47,5 см-1 на длине волны 975 нм) также приводит к увеличению доли поглощаемой энергии накачки.

20 -3 20 -3

При увеличении концентрации ионов Er (от 0,56x10 см- до 2,26x10 см- ) для эрбиевого силикатного стекла инверсная населенность снижается от 24 % до 9 %. При увеличении концентрации ионов эрбия также уменьшается расстояние между ионами. Это приводит к росту миграции возбуждения. Как следствие, возрастают вероятности концентрационного тушения люминесценции и ап-конверсионного тушения [11].

Рис. 2. Спектры полос GSA и ESA для разных мощностей накачки. (1 - 50 мВт, 2 -110 мВт, 3 - 220 мВт, 4 - 590 мВт) для иттербиевого фосфатного ряда (Nsr = 0,29х1020 см-3, NYb = 10,5х1020 см-3)

A,,nm

Рис. 3. Спектры полос GSA и ESA для разных мощностей накачки. (1 - 50 мВт, 2 - 110 мВт, 3 - 220 мВт, 4 - 590 мВт) для эрбиевого силикатного ряда (NYb = 17,8х1020 см-3, NEr = 2,26х1020 см-3)

70

60

- 50 ш

"о/ 40 30 20 10

0 100 200 300 400 500 600

Р, мВт

Рис. 4. Зависимость инверсной населенности (N2/NEr) при переходах 4!15/2 — 2H11/2 (GSA) и 4I-i3/2 — 4G9/2 (ESA) от мощности лазерного излучения для иттербиевого фосфатного

стекла (образец №1 NYb = 10,5*1020 см-3)

-1-г

->-1-г-

1-1-г-

18 - GSA "

16 - —— —-

14 - ^^ -

о4 12 _ у* ESA J

ш "с/ 10 - / / ■ -

8 у ^ -

6 7 NEr = 2,26x1020 см-3 -

4 - // NYb = 17,8 x1020 см-3

2 ш ш

_|_I_I_I_|_

-I_L

_L

0 100 200 300 400 500 600

Р, мВт

Рис. 5. Зависимость инверсной населенности (N2/NEr) при переходах 4!15/2 —2H11/2 (GSA) и 4!13/2 — 4G9/2 (ESA) от мощности лазерного излучения для иттербиевого фосфатного

стекла (образец №4 NEr = 2,26х1020 см-3)

ш z "с/

80 75 70 65 60 55 50 45 40 35

NEr = 0,29x1020 см-3

"Er' P = 160 мВт

10

20

30

40

50

60

NYbXl020, см-3

Рис. 6. Зависимость инверсной населенности (N2/NEr) при переходах 4I15/2 — 2H11/2 (GSA) и 41з/2 —4G9/2 (ESA) от концентрации иттербия при постоянной мощности лазерного

излучения (Р = 160 мВт)

ш Z "с/

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

8

6

А

0,0

_|_I_I_I_I_I_I_I_

0,5

1,0

20

N^rx10 , см

1,5 -3

2,0

2,5

Рис. 7. Зависимость инверсной населенности (N2/NEr) при переходах 4I15/2 —2H11/2 (GSA) и 4I13/2 — 4G9/2 (ESA) от концентрации эрбия при постоянной мощности лазерного

излучения (Р = 160 мВт)