CC BY
35
СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ МЕТАФОСФАТНЫХ ИТТЕРБИЕВЫХ СТЕКОЛ, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ ЭРБИЯ А.С. Златов, В.А. Асеев, Н.В. Никоноров, А.К. Пржевуский, Ю.К. Федоров
Исследованы спектральные свойства стекол, активированных ионами иттербия и эрбия с предельными концентрациями иттербия. Измерены спектры поглощения и определены параметры Джадда-Офельта для метафосфата иттербия, активированного эрбием.
Введение
С момента получения первого индуцированного излучения ионов Ег3+ в стекле Шнитцером и Вудкоком в 1965 году на длине волны 1,54 мкм наблюдается повышенный интерес к эрбиевым кристаллам и стеклам [1]. Это связано с тем, что такая длина волны является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи [2], во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн [3]. Специфика эрбиевых лазеров заключается, прежде всего, в том, что накопление энергии возбуждения на верхнем лазерном уровне в таких стеклах осуществляется преимущественно (или полностью) через канал сенсибилизации. КПД же непосредственного возбуждения ионов Er3+ крайне низок из-за относительно слабых полос поглощения [4]. Для ионов Er3+ эффективными сенсибилизаторами оказались ионы Yb3+, которые имеют интенсивную полосу поглощения в области 0,9-1,02 мкм с «эффективной» шириной порядка 1000 см-1. В этом случае накопление энергии возбуждения на верхнем лазерном уровне Er3+ (4111/2) осуществляется главным образом через канал сенсибилизации Yb3+ — Ег3+ (4111/2) — Ег3+ (4I13/2): при оптической накачке возбуждаются ионы Yb3+, а затем происходит безызлучательная передача энергии ионам Егъ+ на уровень 1п/2, который является резонансным с метастабильным уровнем р5/2 ионов иттербия. В таких условиях энергетические характеристики эрбиевых лазеров в решающей степени определяются эффективностью безызлучательного переноса возбуждения в паре Yb3+ - Ег3+.
Эффективность безызлучательного переноса энергии сильно зависит от концентрации ионов иттербия, а также от матрицы стекла. Стекла с концентрациями ионов иттербия, превышающими (1,5-2)-10 см- , не обладают достаточным оптическим качеством для использования в лазерах [4]. Кроме того, работы по созданию и исследованию стекол с предельными концентрациями ионов иттербия отсутствуют. В настоящей работе исследованы спектральные свойства стекол, активированных ионами иттербия и эрбия с предельными концентрациями иттербия (до 5,24-1021 см-3).
Объект исследования
В работе синтезированы эрбиевые метафосфатные стекла в системе 75Р202-25ЯЕ203 (мол.%), где КЕ203 = Ьа203, Yb203, Ег203. Стекла с переменным содержанием ионов иттербия были синтезированы в кварцевых тиглях при температурах 1450-1550оС и отожжены при температурах 550-600оС 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.
В работе был получен следующий концентрационный ряд метафосфатных стекол: 75Р202-(25-х)Ьа203^Ь203, где х=0; 5; 10; 15; 20; 25 (мол.%). При постоянной концентрации ионов эрбия 0,29*1020 см-3 изменялась концентрация ионов иттербия от 0 до максимально возможной - 52,4-1020 см-3 за счет замещения ионов лантана (таблица 1).
Таким образом, первое стекло в этом ряду представляло собой метафосфат лантана, а последнее - метафосфат иттербия.
№ образца NEr, 1020 см-3 Njb, 1020 см-3
1 0
2 10,5
3 0.29 20,9
4 31,4
5 41,7
6 52,4
Таблица 1. Составы образцов
В работе были измерены спектры поглощения. Измерения проводились на образцах в виде плоскопараллельных пластин (15x15 мм) разной толщины (0,3-2 мм). Спектры поглощения образцов измерялись на спектрофотометре Varian Cary 500 (оптическая плотность D = 0-4, спектральный диапазон регистрации 300-3300 нм, шаг 0,1 нм). Все измерения проводились при комнатной температуре. Из спектров поглощения были рассчитаны сечения поглощения и определены параметры Джадда-Офельта.
Экспериментальные результаты
Спектральные свойства. На рис. 1 показаны спектры поглощения иттербия в области перехода 4Ii5/2 ^ 4Iii/2. Видно, что с увеличением концентрации иттербия коэффициент поглощения для длины волны 975 нм увеличивается, достигая максимального значения 47,5 см- при предельной концентрации иттербия 52,4-10 см- (рис. 1а).
(а) (б)
Рис. 1. Сравнение спектров поглощения ионов УЬ3+\ (а) исходных, (б) нормированных
по максимуму
В связи с тем, что из-за сложности контроля концентрации ионов активаторов при варке стекол их реальные значения могут отличаться от расчетных, производилась проверка на выполнение закона Бугера-Ламберта-Бера [5]. Результаты представлены на рис. 2.
Коэффициент поглощения практически линейно зависит от концентрации ионов активатора в исследуемом концентрационном ряде стекол, что говорит о выполнении закона Бугера-Ламберта-Бера. Таким образом, реальные значения концентрации ионов активатора совпадают с расчетными.
к, от"
50 1 ■ 1 ' 1 ■
40
30 Ш
20
10 -
0 - ^^ -
0 1 2 3 4 5 6
концентрация УЬ, 1021 см"3 Рис. 2. Закон Бугера-Ламберта-Бера для метафосфатных эрбиевых стекол
На рис. 1б показано сравнение формы спектров поглощения иттербия, нормированных по максимуму для образцов с минимальной (10,5-10 см- ) и максимальной (52,4-1020 см-3) концентрациями ионов иттербия. Для таких концентраций контур спектра практически не изменяется. Таким образом, можно заключить, что форма контура поглощения для иттербия как активатора совпадает с формой контура иттербия, выполняющего роль стеклообразователя, т.е. предельные концентрации иттербия не изменяют его спектр поглощения.
На рис. 3 изображены спектры поглощения ионов эрбия для перехода 4115/2 ^ 4113/2 (1,5 мкм) при разных концентрациях ионов иттербия. Из графиков видно, что с увеличением концентрации иттербия интенсивности полос уменьшаются (рис. 3а). Более того, при нормировке этих спектров (рис. 3б) видны заметные различия в контурах поглощения эрбия с разным окружением. Изменение интенсивности поглощения связано с изменением ближайшего окружения ионов эрбия и его сил осцилляторов, т.е. лантан и иттербий по-разному воздействуют на эрбий.
(а) (б)
длина волны, нм длина волны, нм
Рис. 3. Сравнение спектров поглощения ионов Бг3+\ (а) исходных, (б) нормированных
по максимуму
Параметры Джадда-Офельта. Расчет параметров Джадда-Офельта [6, 7] проведен на основе определения сечений поглощения для электрических дипольных переходов. Получены три параметра О? (¿=2, 4, 6) (таблица 2).
Как видно, увеличение концентрации ионов иттербия приводит к убыванию пара-
20 2 20 2
метров Джадда-Офельта: О2 уменьшается с 6,2-10" см до 5,7-10" см , О4 неравно-
мерно убывает от 1,2-10-20 см2 до 0,7-10-20 см2, П6 значительно убывает от 0,6-10-20 см2 до 0,3-10-20 см2.
Образец № П, 10-20 см2 П, 10-20 см2 П, 10-20 см2
1 6,22 0,75 0,55
2 6,14 0,71 0,53
3 6,05 0,66 0,52
4 5,82 1,22 0,43
5 5,77 0,79 0,42
6 5,72 0,68 0,34
Таблица 2. Параметры Джадда-Офельта
Таким образом, введение больших концентраций иттербия приводит к изменению параметров Джадда-Офельта. Эти изменения необходимо учитывать при разработке высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол с предельными концентрациями иттербия.
Выводы
Получены образцы с высокими концентрациями ионов иттербия вплоть до предельной - 52,4-10 см- . Показано, что для спектров поглощения ионов иттербия выполняется закон Бугера-Ламберта-Бера. Максимальный коэффициент поглощения на длине волны 975 нм составил 47,5 см-1. Установлено, что форма спектров поглощения ионов иттербия при изменении его концентрации не изменяется. Увеличение концентрации ионов иттербия приводит к уменьшению интенсивности полос поглощения ионов эрбия. Кроме того, изменение концентрации ионов иттербия влияет на форму контура поглощения эрбия. Рассчитаны параметры Джадда-Офельта для ионов эрбия, показано изменение этих параметров от концентрации ионов иттербия.
Полученные данные необходимы для определения предельных концентраций ионов эрбия и иттербия в лазерном стекле, а также оптимизации их соотношения для наиболее эффективной работы микролазеров и планарных оптических усилителей света.
Работа выполнена на технической базе НИИ Оптоинформатики при СПб ГУ ИТМО.
Литература
1. Snitzer E., Woodcock R. // Appl. Phys. Lett. 1965. V. 6. Р. 45.
2. Курков А.С., Наний О.В. Эрбиевые волоконно-оптические усилители. // Lightwave, 2003. № 3. С. 14-19.
3. Desurvire E. Erbium-doped fiber amplifiers. N.Y.: Wiley, 1994.
4. Алексеев Н.Е., Гапонцев В.П., Жаботинский М.Е., Кравченко В.Б., Рудницкий Ю.П. Лазерные фосфатные стекла. М.: Наука, 1980.
5. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976.
6. Judd B.R. Optical absorption intensities of rare earth ion. // Phys. Rev. 1962. V. 127. № 3. Р. 750-761.
7. Ofelt G.S. Intensities of crystal spectra of rare earth ion. // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. № 3. Р. 511-520.
