CC BY
27
СПЕКТРЫ УСИЛЕНИЯ/ПОТЕРЬ В МЕТАФОСФАТЕ ИТТЕРБИЯ, АКТИВИРОВАННОГО ИОНАМИ ЭРБИЯ
В.А. Асеев, Н.В. Никоноров, А.К. Пржевуский, Ю.К. Федоров
Измерены населенности на метастабильном уровне и спектры усиления/потерь в стекле с предельным содержанием ионов иттербия, активированного ионами эрбия. Получен коэффициент усиления 0,014 см-1 на образце толщиной 1 мм.
Введение
Иттербий-эрбиевые стекла широко используются в качестве активной среды в лазерах и оптических усилителях. Это связано с тем, что длина волны генерации иона эрбия (1,5 мкм) является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн [1]. Ион иттербия дополнительно вводится в стекло для повышения эффективности накачки, поскольку является сенсибилизатором для иона эрбия, а также имеет интенсивную полосу поглощения в области 1 мкм, что позволяет использовать для накачки мощные полупроводниковые лазерные диоды [2]. Для создания высокоэффективных лазерных сред требуется использовать высокие концентрации ионов активаторов. Особый интерес вызывают среды с предельными содержаниями активаторов. Например, метафосфат иттербия - среда, где ион иттербия входит в состав стекла не как активатор, а как стеклообразователь. Работы, посвященные исследованию спектрально-люминесцентных свойств метафосфата иттербия, активированного эрбием, в настоящее время отсутствуют. Целью настоящей работы являлось исследование спектров усиления/потерь в стекле с предельным содержанием ионов иттербия, активированного ионами эрбия.
Объект исследования и методика эксперимента
В работе исследовалось иттербий-эрбиевой стекло с предельным содержанием иттербия (метафосфат иттербия 75Р202-24,5УЪ20з-0.5Ег20з мол%). Стекло было синтезировано в кварцевом тигле при температуре 1550оС и последующим отжигом при 600оС. В ходе варки стекло было обезвожено путем бурления расплава кислородом через кварцевую трубку. После обезвоживания расплав стекла осветляли в течение 90 мин для удаления пузырей. Следующим этапом была выработка стекла в графитовую форму и отжиг. Таким образом, был получен образец стекла со следующими кон-
20 3 20 3
центрациями ионов активаторов: эрбий - N>=0.6x10 см ; иттербий - #7Ъ=52,4х10 см . Размер образца 10*10x1 мм.
В работе по методике [3] были проведены прямые измерения спектров усиления/потерь для различных уровней накачки. Накачка Ы2/ЫЕг (где Ы2 населенность уровня 4^3/2 , ЫЕг - концентрация ионов эрбия) определялась через измерения изменения поглощения из основного состояния [3]. Сечение вынужденного излучения рассчитывалось по методу МакКамбера [4]. Оценка температуры образца производилась по методике описанной в работе [5].
Результаты и обсуждение
На рис. 1 представлены зависимости сечения поглощения и излучения от длины
18
волны. Интегральные сечения составили, соответственно: поглощения 0^=1.06-10"
2 18 2 см , вынужденного излучения - сгет=1.08-10" см . Максимальные значения сечений
поглощения - 5,89-10-20 см-2, вынужденного излучения - 6,72-10-20 см-2.
Е
сч О
X
ь к
S I
ш
У ф
О 2
1 i! Сечения
Поглощения —•—• Вынужденного излучения
°em
г п\у ■ п\
; 1 1 // \ °abs
Г / / 1
/1 1
! 1 \
г ' / Л
/ / г
.' / Ч' \
6200
6400
6600 v, см-
6800
7000
7200
Рис. 1. Сечение поглощения aabs и сечение вынужденного излучения aem
Максимальные значения изменения поглощения из основного состояния использовались для получения значений населенности на уровне 4I]3/2 (рис. 2). Видно, что при мощностях более 300 мВт наблюдается уменьшение населенности на уровне 4Ii3/2.
65 60
^ 55
в4
ш 50 Z
^ 45 40 35 30 25
100
200
700
300 400 500 600
Мощность накачки, мВт
Рис. 2. Зависимость отношения Ы2/ЫЕг от мощности накачки.
800
Причина такого эффекта может быть связана с нагревом образца при больших мощностях накачки. На рис. 3 показано изменение температуры образца при разных мощностях накачки. С увеличением мощности накачки происходит нагрев образца из-за роста безызлучательных потерь, что, в свою очередь, приводит к изменению энергетиче-
ских зазоров ионов эрбия и иттербия [5], и изменяется эффективность прямого переноса возбуждения от иттербия к эрбию, а также обратного переноса от эрбия к иттербию.
Мощность накачки, мВт
Рис. 3. Зависимость температуры образца от мощности накачки.
Кроме того, уменьшение населенности на метастабильном уровне можно связывать с процессом ап-конверсии, который нелинейно зависит от мощности излучения [6]. Однако вклад этого механизма требует дальнейших исследований.
1-1-1-1-1-1-■-1-■-г
_■_I_I_I_I_I_■_I_■_I_■_
1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 Длина волны, нм
Рис. 4. Экспериментальные спектры усиления/потерь. В скобках приведены значения
мощности накачки
Наибольший коэффициент усиления (^=0.014 см-1) на образце толщиной 1 мм наблюдается при мощности накачки 310 мВт. Дальнейшее увеличение мощности приво-
дит к уменьшению коэффициента усиления (рис 4). Уменьшение коэффициентов усиления при больших мощностях накачки связано с уменьшением населенности метаста-бильного уровня, т.е. с нагревом образца.
Выводы
В ходе работы впервые были проведены исследования лазерных свойств иттер-бий-эрбиевых фосфатных стекол с предельным содержанием ионов иттербия. Наибольший коэффициент усиления (g=0.014 см-1) на образце толщиной 1 мм наблюдается при мощности накачки 310 мВт. Установлено, что при мощностях более 300 мВт наблюдается уменьшение населенности на уровне 4I13/2 и коэффициента усиления, которое, главным образом, связано с нагревом.
Литература
1. Desurvire E. Erbium-doped Fiber Amplifiers, Wiley, New York, 1994.
2. Алексеев Н.Е., Гапонцев В.П., Жаботинский М.Е., Кравченко В.Б., Рудницкий Ю.П. Лазерные фосфатные стекла. М.: Наука. 1980.
3. Асеев В. А., Никоноров Н. В., Пржевуский А.К., Чухарев А. В., Рохмин А.С. Измерение спектров усиления/потерь в высококонцентрированных лазерных стеклах, активированных иттербием-эрбием. // Оптический журнал. 2003. Т. 70. № 11.
С. 18-22.
4. McCumber D.E. Theory of photon-terminated lasers. // Phys. Rev. 1964. V. 134. A299-A306.
5. Nikonorov N., Przhevuskii A., Lunter S. Effect of heating on spectral characteristics of Er-doped laser glasses. // SPIE. 1999. V. 3622. Р.144-152,
6. Nikonorov N. V., Przhevutskii A. K., Chukharev A. V., Characterization of non-linear upconversion quenching in Er-doped glasses modeling and experiment. // J. of Non-Crystalline Solids. 2003. V. 324. Р. 92-108.
