CC BY
11
УДК 535:543.42, 538.958, 535:530.182
ОПТИМИЗАЦИЯ КВАНТОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ И СПЕКТРАЛЬНАЯ СЕЛЕКЦИЯ ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ НЕОДНОРОДНО ЛЕГИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ Yb, Er: LiNbO3
Николай Николаевич Налбантов
Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, аспирант кафедры оптоэлектроники, тел. (929)854-39-72, e-mail: шск.па1Ьап1:оу@§таП.сот
Андрей Андреевич Квас
Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, аспирант кафедры оптоэлектроники, тел. (861)219-96-20, e-mail: andkvas@yandex.ru
Елена Валерьевна Строганова
Кубанский государственный университет, 350040, Россия, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптоэлектроники, тел. (928)423-12-35, e-mail: stroganova@phys.kubsu.ru
Рассмотрены квантовая эффективность различных энергетических переходов в неоднородно-легированном лазерном кристалле Yb, Er: LiNbO3 и динамика их изменения во времени и вдоль длины активной среды. Рассчитаны оптимальные параметры диэлектрических пленок из SiO2-TiO2 для селекции 1,5- и 3-микронного излучения лазера на основе Yb, Er: LiNbOs.
Ключевые слова: градиентно-активированные кристаллы, концентрационные профили оптических центров, спектрально-люминесцентные свойства, оксидные пленки, селекция излучения.
OPTIMISATION OF QUANTUM EFFICIENCY AND SPECTRAL SELECTION OF IR-RADIATION BY NON-UNIFORMLY DOPED Yb, Er: LiNbO3 CRYSTALS
Nikolai N. Nalbantov
Kuban State University, 149, Stavropolskaya St., Krasnodar, 350040, Russia, Ph. D. Student, Department of Optoelectronics, phone: (929)854-39-72, e-mail: niсk.na1bantov@gmai1.com
Andrey A. Kvas
Kuban State University, 149, Stavropolskaya St., Krasnodar, 350040, Russia, Ph. D. Student, Department of Optoelectronics, phone: (861)219-96-20, e-mail: andkvas@yandex.ru
Elena V. Stroganova
Kuban State University, 149, Stavropolskaya St., Krasnodar, 350040, Russia, Ph. D., Associate Professor, Department of Optoelectronics, phone: (928)423-12-35, e-mail: stroganova@phys.kubsu.ru
Quantum efficiencies of several key energy transitions in non-uniformly doped Yb, Er: LiNbO3 laser crystal were studied and calculated in spatial and time domain. Optimal properties of SiO2-TiO2 dielectric films for frequency selection of 1.5ц and 3ц laser radiation of Yb, Er: LiNbO3 crystals were obtained.
Key words: non-uniformly doped crystals, concentration profiles of optical centers, spectral and kinetic properties, oxide films, spectral selection.
Введение
Как известно, традиционным способом повышения эффективности лазерной генерации ионов эрбия является дополнительное легирование матрицы ионами иттербия, что позволяет значительно повысить уровень поглощенной энергии оптической накачки [1-5]. Другой известной технологией, позволяющей повысить энергетическую эффективность ВРББ-лазеров [6], является градиентное легирование [7-9]. В данной работе предлагается рассмотреть объединение указанных концепций, а также дальнейшую оптимизацию процесса повышения эффективности многоканальных твердотельных лазеров на основе УЬ, Бг: ЫКЪОз при помощи узкополосной селекции излучения в оптическом резонаторе.
Эксперимент
В качестве объекта исследований был избран нелинейный кристалл ниоба-та лития с различными концентрационными профилями редкоземельных ионов
3+ 3+
УЬ и Бг (рис. 1) [10]. Концентрационные профили имеют вид, описывающийся функцией зависимости концентрации оптических центров от продольной координаты кристалла, и соответствуют следующим аналитическим выражениям:
СуиЫ- с1:. ■ (0 0205 Ч- -0 119-2- - 0 0372 2039) (1)
СЕ1-Ы= с1:. ■ (-0 0093ч'- - 0 05И ■ г- - 0 0221 - г- 0 0203) (2)
где концентрация примеси в кристаллической решетке 1лМЮз, соответ-
ствующая 1 % ат.
Рис. 1. Концентрационные профили активных ионов:
УЬ3+ (вверху) и Бг^ (внизу)
3+
Для оценки пространственно-временной динамики квантовой эффективности люминесценции в неоднородно-легированном кристалле была решена система кинетических уравнений, ранее описанная в работе [11]. В процессе моделирования излучательных и безызлучательных релаксационных каналов были
задействованы населенности N энергетических уровней ионов УЬ3+ (4Е5/2 (N1) и 4Е7/2 (N2)), а также населенности энергетических уровней ионов Бг3+, с учетом
4H
4
11/2, ^3/2
S3/2 - (N7); 4F9/2, 4l9/2 - (N6); 4l11/2 - (N5);
процессов ап-конверсии ( Б7/2, 4113/2 - (N4) и 4115/2 - (N3)) [12].
Из решения данной системы были получены выражения для квантовых эффективностей следующих энергетических процессов (3-6): Ч2в - прямой перенос энергии УЪ (^5/2) - Ег (41ц/2); - энергетический переход 41ц/2 - А1\ж ионов эрбия (безызлучательный); т]^ - излучательный распад энергетического состояния 41ц/2 (Ег) (излучение в области 2,9 мкм); ^в - излучательный распад
энергетического состояния I13/2 (Er) (излучение в области 1,5 мкм).
(t Л - CZ*NsCr g) - О - ffyfrgmffaff, gjff>ff}
I^Bn^ift Я - СдоЗД AntftQ.£Э + + Injft^e.sj-H Cirtftfr Z)
4ffltjV4tf> 5) - Cj Act г гуУ, e, Z)
A7tN7e, £3+A^N, e, e} + +w^)NB e, ¡я'
(3)
(4)
(5)
'C 0 = IE - . i С О - ... -.", С. -H t) + : г Г С О + (лг3 + ¡¡У i С О + ': -t s t -J aC. О (6)
где Ay - постоянная времени радиационного распада i-ого энергетического состояния в j-ое состояние, с-1; Wij - постоянная времени безызлучательного распада i-ого энергетического состояния в j-ое состояние, с-1; Cij - коэффициент
3 -1
эффективности переноса энергии, см -с" ; Ai - постоянная времени распада i-ого энергетического состояния, с-1; ojbabs, &Erabs - сечения поглощения ионов иттербия и эрбия на длине волны накачки, соответственно; a2ph, oESA - сечения ап-конверсионных процессов для ионов эрбия: двухфотонного поглощения и поглощения энергии возбужденными состояниями (ESA - excited-state absorption), соответственно; Ni(t) - концентрация ионов в i-м энергетическом состоянии
-3
(рис. 2), см- ; 9(t) - форма временного профиля накачки в единицах плотности потока фотонов, см-2с-1.
На основании полученных выражений были рассчитаны квантовые эффективности излучения ионов эрбия с длинами волн X ~ 1,5 мкм и X ~ 2,9 мкм относительно входящего потока оптической накачки:
я=■ Пб* (Ъ О ■ а
Цф. <f ■ £) = iizB ff. Ю■ 1}в с. п
(7)
(8)
Результаты аналитического решения уравнений (7) и (8) представлены на рис. 2 (а, б), из которых видно, что пиковое значение квантовой эффективности 1,5-микронного излучения достигает 73,5%, а 2,9-микронного - 0,33%.
Рис. 2. Квантовая эффективность люминесценции ионов эрбия в зависимости от продольной координаты вдоль оптической оси кристалла (г) и времени от начала импульса накачки (¿):
а) ВД^&О (для X ~ 1,5 мкм); б) (для X ~ 2,9 мкм)
Для создания условий эффективного вывода из активного элемента излучения двух генерационных каналов был проведен расчет просветляющих покрытий с максимумами спектра пропускания в спектральной области 1,5 и 2,9 мкм [13-15]. Подходящими свойствами обладают покрытия из пленок оксидов кремния БЮ2 и титана ТЮ2, нанесенные методом реактивного распыления, которые имеют показатели преломления п1 = 1,47 и п2 = 2,28 на длине волны 1,5 мкм, соответственно.
Моделирование и расчет толщины слоев покрытия, обеспечивающего максимальное пропускание в требуемом спектральном диапазоне, были осуществлены при помощи генетического алгоритма. В таблице представлены характеристики пятислойных пленок и коэффициенты пропускания Т на длинах волн 1,5 мкм и 2,9 мкм, на рис. 3 - спектры пропускания. Было получено семь решений, соответствующих различным локальным минимумам. Из этого набора решений наиболее оптимальным является решение 5Ь2, имеющее самое высокое пропускание в требуемом диапазоне, широкую зону просветления и наименьшую общую толщину покрытия - 953 нм.
Дальнейшее увеличение количества слоев не имеет практического смысла, так как в реальных покрытиях суммарные потери на поглощение и рассеяние, имеющие величину ~ 10 ^ 100 ррт, превышают рассчитанное значение потерь на отражение (0,002 % или 20 ррт). При этом прочие потери возрастают с увеличением количества слоев.
-0.2 ^
Характеристики пятислойных пленок
Номер решения 5Ь1 5Ь2 5Ь3 5Ь4 5Ь5 5Ь6 5Ь7
Толщины слоев, нм Б102 970 45 76 160 58 921 82
ТЮ2 230 346 95 56 96 268 50
Б102 96 107 573 151 562 824 377
ТЮ2 58 58 555 603 685 589 610
Б102 390 397 232 252 792 700 169
Толщина общая, нм 1744 953 1531 1222 2193 3302 1288
Т (1500 нм), % 99,996 99,998 99,949 99,984 99,987 99,983 99,994
Т (2900 нм), % 99,931 99,998 99,980 99,980 99,994 99,981 99,996
Рис. 3. Спектр пропускания различных пятислойных пленок
Заключение
В результате проведенных исследований были получены аналитические выражения для расчетов квантовой эффективности различных энергетических процессов в системе ионов УЬ3+-Бг3+ для произвольных форм их концентрационных профилей. Данная физико-математическая модель позволяет проводить оптимизацию свойств неоднородно-легированных лазерных кристаллов на стадии их проектирования. В качестве примера были рассмотрены результаты вычислений для кристалла УЬ, Бг: ЫМЬ03.
Для расчета оптимальных параметров многослойных диэлектрических просветляющих покрытий было проведено математическое моделирование их спектральных свойств. В качестве демонстрации применения генетического алгоритма для определения толщины пленок диэлектрических материалов были произведены расчеты двухканального просветляющего покрытия из оксидов кремния и титана с максимумами пропускания на длинах волн 1,5 и 2,9 мкм.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Webb C. E., Jones J. D. C. (Eds.). Handbook ofLaser Technology and Applications, Volume II: Laser Design and Laser Systems. - IOP Publishing Ltd, 2004. - 1264 p.
2. Rokhmin A. S., Aseev V. A., Nikonorov N. V. Polarized luminescence of erbium and thulium ions in glasses // Optical Materials. -2015. - Vol. 41. - P. 136-138.
3. Zhilin A. A., Tsenter M. Y., Loiko P. A., et al. Structural characteristics and spectral properties of novel transparent lithium aluminosilicate glass-ceramics containing (Er,Yb)NbO4 nanocrystals // Journal of Luminescence. - 2015. - Vol. 160. - P. 337-345.
4. Galutskiy V. V., Stroganova E. V., Yakovenko N. A. Comparative Analysis of YtterbiumErbium Media for 1.5 ^m Lasers // Advanced Materials Research. - 2013. - Vol. 660. - P. 40-46.
5. Вилейшикова Е. В., Лойко П. А., Рачсковская Г. Е., Захаревич Г. Б., Юмашев К. В. Спектрально-люминесцентные свойства оксифторидных стекол, соактивированных ионами (Yb3+, Eu3+) и (Yb3+, Tb3+) // Журнал прикладной спектроскопии. - 2016. - Т. 83, № 4. -С.531-538.
6. ООО «Промэнерголаб»: CZL лабораторное оборудование // URL: https://www.czl.ru/ catalog/lasers/nanoekspla/
7. Stroganova E. V., Galutskiy V. V., Tkachev D. S., et al. Increasing pumping efficiency by using gradient-doped laser crystals // Optics and Spectroscopy. - 2014. - Vol. 117. - № 6. -P.984-989.
8. Stroganova E. V., Galutskiy V. V., Nalbantov N. N. Quantum efficiency of energy transfers in non-uniformly doped crystals of Er, Yb: LiNbO3 // Journal of Physics: Conference Series. -2016. - Vol. 737. - P. 012-017.
9. Stroganova E. V., Galutskiy V. V., Nalbantov N. N. A study of the quantum efficiency of multichannel relaxation in LiNbO3:Yb, Er crystals // Optics and Spectroscopy. - 2016. -Vol. 121. - № 6. - P. 922-928.
10. Galutskiy V. V., Vatlina M. I., Stroganova E. V. Growth of single crystal with a gradient of concentration of impurities by the Czochralski method using additional liquid charging // Journal of Crystal Growth. - 2009. - Vol. 311. - P. 1190-1194.
11. Galutskiy V. V., Stroganova E. V., Kozin A. S., et al. Spectral and luminescent properties of gradient-activated LiNbO3 crystals with concentration profiles of Yb3+ and Er3+ ions // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. - 2017. - Vol. 53. - № 1. - P. 1-5.
12. Dymshits O. S., Loiko P. A., Skoptsov N. A., et al. Structure and upconversion luminescence of transparent glass-ceramics containing (Er,Yb)2(Ti,Zr)2O7 nanocrystals // Journal of Non-Crystalline Solids. - 2015. - Vol. 409. - P. 54-62.
13. Колкер Д. Б., Старикова М. К., Бойко А. А., Духовникова Н. Ю. Выбор и обоснование схемы резонатора для создания источника ИК-излучения в области 2,6-5,9 мкм // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2013. - Т. 56, № 2. - С. 96-99.
14. Kolker D. B., Starikova M. K., Boyko A. A., Dukhovnikova N. Yu. OPO cavity design for a 2.6-5.9 fim IR radiation source // Russian Physics Journal. - 2013. - Vol. 56 (2). -P. 220-224.
15. Иночкин М. В., Назаров В. В., Сачков Д. Ю., Хлопонин Л. В., Храмов В. Ю. Модель многочастотной трехмикронной генерации излучения лазеров на эрбиевых кристаллах с диодной накачкой // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. - 2013. - Т. 56, № 9. - С. 25-30.
REFERENCES
1. Webb, C. E., & Jones, J. D. C. (2004). Handbook of Laser Technology and Applications, Volume II: Laser Design and Laser Systems. IOP Publishing Ltd.
2. Rokhmin, A. S., Aseev, V. A., & Nikonorov, N. V. (2015). Polarized luminescence of erbium and thulium ions in glasses. Optical Materials, 41, 136-138. doi: 10.1016/j.optmat.2014.09.040.
3. Zhilin, A. A., Tsenter, M. Y., Loiko P. A., et al. (2015). Structural characteristics and spectral properties of novel transparent lithium aluminosilicate glass-ceramics containing (Er,Yb)NbO4 nanocrystals. Journal of Luminescence, 160, 337-345. doi: 10.1016/j.jlumin.2014.12.040.
4. Galutskiy, V. V., Stroganova, E. V., & Yakovenko, N. A. (2013). Comparative Analysis of Ytterbium-Erbium Media for 1.5 ^m Lasers. Advanced Materials Research, 660, 40-46. doi:10.4028/www.scientific.net/AMR.660.40.
5. Vileishikova, E. V., Loiko, P. A., Rachskovskaya, G. E., Zakharevich, G. B., & Yumashev K. V. (2016). Spectral and luminescent properties of oxyfluoride glasses activated with (Yb3+, Eu3+) and (Yb3+, Tb3+) with ions. Jurnal prikladnoy spektroskopii [Journal of Applied Spectroscopy], 83(4), 531-538. [in Russian].
6. LLC Promenergolab: CZL laboratory equipment // URL: https://www.czl.ru/catalog/ lasers/nanoekspla/
7. Stroganova, E. V., Galutskiy, V. V., Tkachev, D. S., et al. (2014). Increasing pumping efficiency by using gradient-doped laser crystals. Optics and spectroscopy, 117(6), 984-989. doi: 10.7868/S003040341412023X.
8. Stroganova, E. V., Galutskiy, V. V., & Nalbantov, N. N. (2016). Quantum efficiency of energy transfers in non-uniformly doped crystals of Er, Yb: LiNbO3. Journal of Physics: Conference Series, 737, 012-017. doi:10.1088/1742-6596/737/1/012017.
9. Stroganova, E. V., Galutskiy, V. V., & Nalbantov, N. N. (2016). A study of the quantum efficiency of multichannel relaxation in LiNbO3:Yb, Er crystals. Optics and Spectroscopy, 121(6), 922-928. doi: 10.7868/S0030403416120266.
10. Galutskiy, V. V., Vatlina, M. I., & Stroganova, E. V. (2009). Growth of single crystal with a gradient of concentration of impurities by the Czochralski method using additional liquid charging. Journal of Crystal Growth, 311(4), 1190-1194. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2008.11.059.
11. Galutskiy, V. V., Stroganova, E. V., Kozin, A. S., et al. (2017). Spectral and luminescent properties of gradient-activated LiNbO3 crystals with concentration profiles of Yb3+ and Er3+ions. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 53(1), 1-5. doi: 10.15372/AUT20170111.
12. Dymshits, O. S., Loiko, P. A., Skoptsov, N. A., et al. (2015). Structure and upconversion luminescence of transparent glass-ceramics containing (Er,Yb)2(Ti,Zr)2O7 nanocrystals. Journal of Non-Crystalline Solids, 409, 54-62. http://dx.doi.org/10.1016/jjnoncrysol.2014.11.012 0022-3093.
13. Kolker, D. B., Starikova, M. K., Boyko, A. A., & Duhovnikova, N. Yu. (2013). Selection and justification of the scheme of optical cavity for a source of infrared radiation in the spectral range of 2.6 to 5.9 |im. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenii. Fizika [News of Higher Educational Institutions. Physics], 56(2), 96-99 [in Russian].
14. Kolker, D. B., Starikova, M. K., Boyko, A. A., & Dukhovnikova, N. Yu. (2013). OPO cavity design for a 2.6-5.9 цш IR radiation source. Russian Physics Journal, 56(2), 220-224. doi: 10.1007/s11182-013-0018-4.
15. Inochkin, M. V., Nazarov, V. V., Sachkov, D. Yu., Khloponin, L. V., & Khramov, V. Y. (2013). Modelling of 3 |im multi-frequency generation of laser radiation with diode-pumped erbium crystals. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenii. Priborostroenie [Proceedings of Higher Educational Institutions. Instrument making], 56(9), 25-30 [in Russian].
© Н. Н. Налбантов, А. A. Квас, Е. В. Строганова, 2018
