Спектрально-люминесцентные свойства метафосфата иттербия, активированного ионами эрбия Текст научной статьи по специальности «Физика»

СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАФОСФАТА ИТТЕРБИЯ, АКТИВИРОВАННОГО ИОНАМИ ЭРБИЯ В.А. Асеев, А.М. Ульяшенко, Н.В. Никоноров, А.К. Пржевуский, Ю.К. Федоров

Синтезирован метафосфат иттербия, актвированный ионами эрбия. Проведены комплексные исследования его спектрально-люминесцентных и лазерных свойств.

Введение

Волоконные усилители и микролазеры активно используются для задач телекоммуникации и телеметрии. В последнее время опубликован ряд статей, посвященных изучению свойств микролазеров и оптических волноводных усилителей на основе ит-тербий-эрбиевого фосфатного стекла [1-7]. Вызывают интерес исследования предельных концентраций ионов активаторов. Был синтезирован образец с максимально возможной концентрацией иттербия - метафосфат иттербия. В данной работе были приведены результаты комплексных исследований спектрально-люминесцентных и лазерных свойств метафосфата иттербия, активированного ионами эрбия.

Объект исследования и методика эксперимента

В работе исследовался образец метафосфата иттербия, активированный ионами

19 3 213

эрбия. Концентрация ионов эрбия NEr=6x10 см , иттербия NYb=5,9x10 см . Для сравнения был взят образец коммерческого фосфатного стекла КГСС-0134 (NEr=0,5x1019 см-3, NYb=2,1x1021 см-3). Размеры образцов 10x10x1 мм.

В работе определены: параметры Джадда-Офельта [8, 9], сечения поглощения из основного состояния, сечение вынужденного излучения, времена затухания люминесценции эрбия для перехода 113/2^115/2 (1535 нм) и иттербия для перехода F5/2^ F7/2 (980 нм), квантовый выход люминесценции. По методике [10] проведены прямые измерения спектров усиления/потерь для различных уровней накачки.

Спектры поглощения стекол измерены с помощью УФ-ИК спектрофотометра (Cary 500 фирмы "Varian") в спектральном диапазоне 300-3000 нм. Анализ Джадда-Офельта проведен на основе определения сечений поглощения для электрических ди-польных переходов и расчета трех параметров Q (t = 2, 4, 6). При помощи этих параметров по формуле 1 была определена вероятность спонтанного перехода Ау.

423 2 2

A = 64ngV ■ П(П +2) ■ 5 SLJ ^ PL Л (1)

4 2h(2J +1) 9 v 7 w

где V- частота максимума полосы поглощения, n - показатель преломления, h - постоянная Планка, J - кратность вырождения уровня, с которого осуществляется переход, S(SLJ^S'L'J') - сила линии перехода с уровня I13/2 на уровень I15/2. Величина, обратная вероятности спонтанного перехода - радиационное время жизни люминесценции.

Спектры флюоресценции возбуждались излучением Àpump = 975 нм перестраиваемого непрерывного титан-сапфирового лазера (модель 3900 фирмы "Spectra Physics"), управляемого неодимовым лазером с удвоением частоты Àpump = 532 нм (модель "Millennia-Xs" фирмы "Spectra Physics"). Излучение накачки модулировалось с частотой

12 Гц, его мощность измерялась пироэлектрическим приемником (Kimmon Electric Co). Спектры флюоресценции записаны с использованием монохроматора (модель "Acton-300" фирмы "Acton Research Corporation") и InGaAs-приемника (модель ID-441 фирмы "Acton Research Corporation") для ИК области. Сигналы от приемника усиливались и

обрабатывались при помощи цифрового синхронного усилителя (модель SR850 фирмы "Stanford Research Systems"). Сечения вынужденного излучения были получены методом МакКамбера [11].

Для измерения кинетики затухания люминесценции использовано излучение импульсного лазера LQ 129 фирмы Solar Laser system (^pump = 975 нм). Кривые затухания люминесценции зарегистрированы цифровым запоминающим осциллографом (модель "Infinium HP54830" фирмы "Agilent Technologies"). Время жизни определялось методом наименьших квадратов с простой или двойной экспоненциальной функцией. Все измерения проведены при комнатной температуре.

Накачка (отношение населенности уровня 4I¡3/2 (N2) к общему числу ионов эрбия NEr) определена через измерения изменения поглощения (AN¡) из основного состояния для перехода 4I¡s/2^4H¡¡/2 в предположении, что AN¡=N2 [10]. Суть метода заключается в измерении отношения изменения коэффициента поглощения к сечению поглощения, для данной полосы, при изменении мощности накачки.

Спектры усиления/потерь были измерены путем регистрации прошедшего через накаченную область зондирующего излучения (А, = 1,4-1,7 мкм) [10]. Для этого диафрагмой малого диаметра (0,2 мм) в образце выделялся объем, через который одновременно пропускались излучение накачки и зонд. В зависимости от мощности накачки излучение зонда либо ослабляется (спектры потерь), либо усиливается (спектры усиления).

Результаты и обсуждения

На рис. 1 представлены характерные зависимости сечения поглощения и излучения от длины волны, полученные методом МакКамбера.

6 -

5 -

£

JJ

N

о

ь к

S

X

ф

У ф

о

4 -

3 -

2 -

1 -

Сечения

— ■ — Поглощения

— ° — Вынужденного излучения

=1,08x10"

18 2 CTabs=1-06x10 см

6200 6400 6600 6800 7000 7200

V, СМ

Рис. 1. Спектр сечения поглощения и излучения эрбия

7

0

Время затухания люминесценции эрбия для перехода 41в/2— 4 115/2 составило 9,2 мс, иттербия - 2F5/2—2F7/2 90 мкс. В табл. 1 приведены значения параметров Джадда-Офельта и рассчитанных из них радиационного времени и квантового выхода.

^Еп 1020 см" 3 N¥5, 1021 см" 3 Сила линии, 10"20 Параметры Джадда -Офельта, 10"20 см"2 трад, мс Я, %

П2 П4 П6

0,5 2.1 1,82 6,32 0,28 1,55 9,9 85

0,6 5,9 1,68 6,48 1,04 1,0 14 65

Таблица 1. Параметры Джадда-Офельта

На рис. 2 представлены изменения полосы поглощения из основного состояния при различной мощности накачки. Максимальные значения изменения поглощения из возбужденного и основного состояния использовались для получения значений населенности на уровне 4Ь3/2.

Длина волны, нм

Рис. 2 Зависимость изменения полос поглощения из возбужденного и основного

состояния от мощности

На рис. 3 показана зависимость отношения N2/NEr от мощности накачки. Видно, что для метафосфата эрбия при мощностях более 300 мВт наблюдается уменьшение населенности на уровне 4I1з/2. Одним из возможных объяснений этого является нагрев стекол (рис. 4).

65 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

60 1 ^—^ 1

55 / -

50

45 ■ с? / \

40 - ° \ -

35

30 N.2

25 1.1. 1.1.1.1.

100 200 300 400 500 600 700 800 Мощность накачки, мВт

Рис. 3. Зависимость населенности уровня 4!13/2 от мощности накачки

Мощность накачки, мВт

Рис. 4. Зависимость температуры метафосфата иттербия от мощности накачки

Экспериментальные спектры усиления/потерь для метафосфата иттербия приведены на рис. 5.

Наибольший коэффициент усиления (§=0.03) наблюдается при мощности накачки 310 мВт, дальнейшее увеличение мощности приводит к уменьшению коэффициента усиления (рис 6).

Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

1

0,0

ТЕ

0

ей к

1 -0,1 0)

е; ^

о >

ь

| -0,2

О О

* -0,3

м2/мЕг

1 - 0%

2 - 20%

3 - 59%

4 - 42%

5 - 27%

1480 1500 1520 1540 1560 Длина волны, нм

1580

1600

Рис 5. Спектры усиления/потерь

0,10 0,05

2 0,00

0 '

го

К -0,05

X

0)

1 -0,10

о >

£ -0,15

0) X

X -0,20

2 -0,25 О

-0,30 -

J_I_I_I_I_1_I_I_I_I_I_1_I_I_|_

0 100 200 300 400 500 600 700

Мощность накачки, мВт

Рис 6. Зависимость коэффициента усиления от мощности накачки

Выводы

В ходе работы были проведены комплексные исследования спектрально-

люминесцентных и лазерных свойств метафосфата иттербия активированного эрбием.

Инверсия населенности в метафосфате достигается при мощности накачки ~ 250 мВт.

Получен коэффициент усиления g=0.03 см-1.

Литература

1. P. Laporta, S. Taccheo, S. Longhi, O. Svelto, C. Svelto, Erbium-ytterbium microlasers:optical properties and lasing characteristics, Opt. Mat. 11, 1999, 269-288

2. Z. Cai, A. Chardon, H. Xu, P. Feron, G. Stefan, Laser characteristics at 1535 nm and thermal effects of an Er:Yb phosphate glass microchip laser pumped by Ti: sapphire laser, Opt. Commun., 203 (2002), 301-313

3. C. Svelto, S. Taccheo, E. Bava, P. Laporta, Characterization of Yb-Er: glass laser at 1.5 |jm wavelength in terms of amplitude and frequency stability, Measurement, 26 (1999), 119-128

A. Levoshkin, A. Petrov, J.E. Montagene, High-efficiency diode-pumping Q-switched Yb:Er:glass laser, Opt. Commum, 185 (2000), 399-405

4. D. Veasey, D. Funk, P. Peters, N. Sanford, G. Obarski, N. Fontaine, M. Young, A. Peskin,W. Liu, S.N. Houde-Walter, J. Hayden, Yb/Er-codoped and Yb-doped waveguide lasers in phosphate glass, Journal of Non-Crystalline Solids 263&264 (2000), 369-381

5. S. Honkanen, T. Ohtsuki, S. Jiang, S.I. Najafi, N. Peyghambarian, High Er concentration phosphate glasses for planar waveguide amplifiers, Proc. of SPIE, vol. 2996, 1997, 32-39

6. E. Desurvire, Erbium-doped Fiber Amplifiers, Wiley, New York, 1994

7. Judd B.R., Optical absorption intensities of rare earth ion, Phys. Rev. 1962, 127, №3, 750761

8. Ofelt G.S. Intensities of crystal spectra of rare earth ion, J. Chem.Phys., 1962, 36, №3, 511-520

9. Асеев В.А., Никоноров Н.В., Пржевуский А.К., Чухарев А.В., Рохмин А.С.,Изме-рение спектров усиления/потерь в высококонцентрированных лазерных стеклах, активированных иттербием-эрбием, // Оптический журнал. 2003. Т.70. № 11

10. Mc Cumber D.E., Theory of photon-terminated, Phys. Rev., 1964, 134, A299-A306