Обесцвечивание ик-активных центров излучением на 1550 нм при нагреве висмутовых световодов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ОБЕСЦВЕЧИВАНИЕ ИК-АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ ИЗЛУЧЕНИЕМ НА 1550 НМ ПРИ НАГРЕВЕ ВИСМУТОВЫХ

СВЕТОВОДОВ

1 * 1 13 2 1

Алышев С.В. , Харахордин А.В. , Фирстов С.В. ' , Хопин В.Ф. , Фирстова Е.Г. ,

Мелькумов М.А. , Гурьянов А.Н.

1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва 2 Институт химии высокочистых веществ РАН, г. Нижний Новгород 3 МГУ им. Н. П. Огарева, г. Саранск * E-mail: alyshs@fo.gpi.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16105

Накачка высокогерманатных световодов, легированных висмутом, на длине волны 1550 нм при комнатной температуре приводит к появлению широкополосной люминесценции с максимумом в районе 1700 нм. Это позволило создать на основе данных световодов эффективные, надёжно работающие волоконные лазеры, усилители и суперлюминесцентные источники [1].

Эксперимент, тем не менее, показал, что ситуация кардинальным образом меняется если световоды нагреть до температуры в несколько сот градусов. В этом случае оптические свойства световода начинают заметно деградировать, что проявляется в постепенном снижении интенсивности люминесценции. Дополнительные исследования показали, что данное явление связанно с разрушением—фотообесцвечиванием—активных центров при одновременном воздействии лазерного излучения и температуры. Этот процесс, однако, обратим и концентрация активных центров восстанавливается, если световод отжигать с выключенной накачкой. Фотообесцвечивание наблюдалось в световодах данного типа и ранее, однако, в этих работах воздействие осуществлялось видимым или ультрафиолетовым лазерным излучением, и процесс шёл уже при комнатной температуре [2].

В данной работе приводятся результаты теоретического исследования данного явления и их сопоставление с экспериментальными данными. В качестве отправной точки на пути понимания этого нового эффекта нами была предложена модель, которая схематически изображена на Рис. 1. При построении модели мы придерживались подхода, ранее применявшегося при рассмотрении явления фоточувствительности [3]. Модель включает в себя как оптические, так и предполагаемые фотохимические процессы. А и А обозначают основное и возбуждённое состояние висмутового

активного центра, В - продукт фотохимической реакции, соответствующий некоторому точечному дефекту, ассоциированному с ионом висмута. Данный дефект не имеет характерных инфракрасных полос поглощения и люминесценции. После включении накачки мощности Р, устанавливается определённая населённость состояния А , обусловленная балансом

процессов поглощения и спонтанного излучения -.

Из состояния А есть термически-активируемый путь в состояние В с константой скорости реакции :

. Существует также обратный процесс с

константой Таким образом, явление

можно рассматривать как обратимую химическую реакцию, в которой в качестве реагентов выступают висмутовые активные центры, а продуктами реакции служат некоторые оптически неактивные точечные дефекты, ассоциированные с висмутом. Константы скоростей реакций определяются согласно известному

закону Аррениуса:

— . При заданной

Рис. 1. Схематическое представление предлагаемой модели

температуре система стремиться достичь равновесия, в котором прямой и обратный процессы балансируют друг друга.

210

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru

Упомянутые явления могут быть описаны системой скоростных уравнений следующего вида:

d[A] [A*]

d[A*] [A*]

L J=kp-[A]-P-^^-k1-[A*]+k2-[B] (1)

dt

d[B] dt

= k • [A*] - k2 • [B]

Чтобы учесть неоднородность сетки стекла, необходимо допустить, что характерные значения энергии (E0,E1,E2,Eb) принадлежат некоторому статистическому распределению. В нашей работе мы исходили из упрощающего предположения статистической независимости этих величин (отсутствия эффекта кросс-корреляции) и учитывали распределение только для Еь. Для других величин использовались их средние значения.

Система уравнений (1) интегрировалась численно для каждого значения Еь из распределения. Каждое полученное решение вносило вклад в полное решение пропорционально относительной доли центров, имеющих потенциальный барьер E¡,. В качестве распределения использовалась гауссова

функция вида p(Eb) = ^===exp j, где средние значение (Eb) и стандартное отклонение а

рассматривались как подгоночные параметры.

Выяснилось, что модель хорошо воспроизводит динамику фотообесцвечивания висмутовых активных центров и их последующее восстановление при отжиге, для среднего значения энергии активации равного 1.13+0.03 эВ и стандартного отклонения энергии активации (ширины распределения) равного 0.15+0.04 эВ. Данные значения согласуются с предыдущими экспериментальными исследованиями.

Методика проведения экспериментов по обесцвечиванию и отжигу световодов, полученные экспериментальные результаты и их сопоставления с предложенной моделью будут детально изложены во время доклада.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант №18-32-20003.

Литература

1. Firstov S., et al, IEEE J. Sel Topics Quantum Electron. 24, 0902415 (2018)

2. Firstov S., et al, J. Luminescence 182, 87-90 (2017)

3. Poumellec B, J. Non- Crystalline Solids 239, 108-115 (1998)

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 211