Поляризованная люминесценция висмутовых активных центров в германосиликатных стеклах Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВКВ0-2019 Стендовые

ПОЛЯРИЗОВАННАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ВИСМУТОВЫХ АКТИВНЫХ ЦЕНТРОВ В ГЕРМАНОСИЛИКАТНЫХ СТЕКЛАХ

Рюмкин К.Е.1*, Фирстов С.В.1, Хегай А.М.1, Хопин В.Ф.2, Мелькумов М.А.1

1 Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва 2 Институт химии высокочистых веществ РАН, г. Нижний Новгород * E-mail: riumkin@fo .gpi.ru

DOI 10.24411/2308-6920-2019-16218

В настоящее время большое внимание уделяется разработке широкополосных волоконных оптических усилителей и перестраиваемых лазеров для ближнего ИК диапазона. В этих целях перспективным является использование в качестве активного материала световодов, легированных висмутом, имеющих широкие полосы вынужденного излучения в ближней ИК области спектра. На данный момент на основе висмутовых активных световодов разработано большое количество лазерных устройств в спектральном диапазоне от 1150 до 1750 нм [1, 2]. При исследовании усилителей и суперлюминесцентных волоконных источников [3] было обнаружено, что степень поляризации выходного сигнала СВИ зависит от состояния поляризации сигнала накачки, а коэффициент усиления от взаимного расположения состояний поляризаций накачки и сигнала. Данные наблюдения свидетельствуют о том, что сечения поглощения и люминесценции висмутовых активных центров не изотропны и имеют различные значения в различных проекциях. Эффект поляризационно-зависимого усиления довольно хорошо изучен в световодах, легированных редкоземельными элементами [4]. Большое количество работ посвящено изучению поляризованной люминесценции [5] в объемных стеклах, легированных ионами Pr3+, Nd3+, Eu3+, Er3+, Tm3+ [6, 7]. В то же время в исследовании активных центров, формирующихся в стеклах и световодах, легированных висмутом, интерес к которым непрерывно возрастает, внимание вопросам анизотропии поглощения и излучения еще не уделялось.

Исследуемые образцы представляли собой заготовки лазерных висмутовых световодов, изотовленных по MCVD технологии. Оболочка состоит из чистого плавленного кварца, а сердцевина из германосиликатного стела, легированного ионами висмута. Диаметр заготовок составлял ~ 12 мм, диаметр сердцевины - 2 мм. Разница показателей преломления сердцевины и оболочки составляла величину An = (8 ^9) х 10-3. Концентрация Bi во всех образцах составляла менее 0,1 мас.%, поскольку эффективное усиление и лазерная генерация наблюдаются только в волоконных световодах с низкой концентрацией висмута. Центры возбуждались излучением с длиной волны 1260 нм, люминесценция регистрировалась в диапазоне 1300 - 1600 нм.

Монохроматор

Заготовка висмутого световода

Рис. 1 Схема экспериментальной установки

Схема установки изображена на Рис. 1. В качестве возбуждающего излучения использовался источник суперконтинуума с акустооптическим перестраиваемым фильтром (АОПФ, Рис. 1), оставляющим полосу на 1260 нм шириной 5 нм, соответствующую полосе возбуждения висмутовых активных центров (ВАЦ) в германосиликатных стеклах. Для выделения линейной поляризации использовалась призма Глана. Поворот плоскости состояния поляризации накачки осуществялся с

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

415

ВКВО-2019- Стендовые

помощью ахроматической полуволновой пластины. Люминесценция образца собиралась плосковыпуклой линзой из кварцевого стекла. Для подавления сигнала рассеянной накачки между линзой и образцом был установлен фильтр, отрезающий излучение с длиной волны короче 1350 нм (ДВФ, Рис. 2). Контроль состояния поляризации люминесценции осуществлялся с помощью поляризатора. В схеме использовался монохроматор, работающий в диапазоне 500 - 1800 нм. Сигнал люминесценции детектировался фотоэлектронным умножителем. Полуволновая пластина выставлялась таким образом, чтобы плоскость поляризации возбуждающего излучения была направлена вертикально (Рис. 2, вставка а), люминесценция образца регистрировалась при поляризаторе выровненном относительно вертикали Г^ (первая буква обозначает плоскость поляризации излучения накачки, вторая - плоскость поляризации излучения люминесценции: V - вертикальная, Н - горизонтальная), затем по горизонтали ^^ Степень поляризации рассчитывается по следующей формуле:

P = (V - G М / (V + G М

где Гте - интенсивность люминесценции вертикальной поляризации при вертикально поляризованном возбуждении, Ivн - интенсивность люминесценции горизонтальной поляризации при вертикально поляризованном возбуждении. Поскольку некоторые компоненты схемы имеют различное пропускание для различных поляризаций излучения в формуле используется коэффициент поправки G. Этот коэффициент практически совпадает с экстинкцией решетки монохроматора, и численно составлял от 2,25 до 2,7 в диапазоне длин волн 1,35 - 1,45 мкм. Для тестирования собранной экспериментальной установки использовались образцы стекол, активированных ионами Ег, с известной степенью поляризации люминесценции.

Типичные спектры поляризованной люминесценции различных образцов построенные с учетом аппаратной функции монохроматора представлены на Рис. 2.

Таблица 1. Степень поляризации люминесценции образцов

1200 1300 1400 1500

Длина волны,нм

Рис. 2. Типичные спектры поляризованной люминесценции ВАЦ

Образец Поглощение ВАЦ на длине волны 1,4 мкм, дБ/м Степень поляриза ции (1400 нм)

Bi-199 2,2 0,12

Bi-200 1,65 0,12

Bi-201 1,4 0,12

Bi-202 18 0,09

Bi-203 4 0,09

Измерения показали, что при возбуждении образцов линейно поляризованным светом полоса люминесценции в спектрах стекол приобретает частичную поляризацию. В таблице 1 сведены значения степени поляризации люминесценции образцов и поглощение ВАЦ в световодах, вытянутых из заготовок, на длине волны 1,4 мкм.

Исследована поляризованная люминесценция висмутовых активных центров в германосиликатных стеклах. Обнаружена частичная поляризация люминесценции вблизи 1.4 мкм при возбуждении линейно поляризованным излучением на 1.29 мкм. Степень поляризации достигает значения ~ 0.12. Увеличение концентрации висмутовых активных центров в исследованном диапазоне приводит к незначительному снижению степени поляризации.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-3200927.

Литература

1. I.A. Bufetov et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 20, 111 (2014)

2. S. V. Firstov et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, 24, 1-15 (2018)

3. K.E. Riumkin et al., Opt. Lett. 37, 4817 (2012)

4. V.J. Mazurczyk et al., IEEE Photon. Technol. Lett., 6, 616 (1994)

5. П.П. Феофилов, Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов. М.: ГИФМЛ (1959)

6. T. Kushida et al., J. Luminescence., 12, 723-727 (1976)

7. A.S. Rokhmin et al., Optical Materials, 41,136-138 (2015)

416

№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]

1,0

0.8

0,6

0.2

0.0