CC BY
52
ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ НАКАЧКИ НА СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИТТЕРБИЙ-ЭРБИЕВЫХ
СТЕКОЛ
К.О. Губанов, В.А. Асеев, Н.В. Никоноров, А.К. Пржевуский, Ю.К. Федоров
Экспериментально исследовано влияние мощности накачки на люминесцентные характеристики высококонцентрированных фосфатных иттербий-эрбиевых стекол с различным содержанием ионов-активаторов. Установлено, что при увеличении концентрации ионов Er3+ и мощности накачки происходит повышение температуры активной среды до 300о С.
Введение
На протяжении нескольких последних лет в телекоммуникациях и телеметрии активно используются волноводные усилители и микролазеры, активной средой которых является фосфатное стекло, активированное ионами Er3+ и Yb3+ [1, 2]. При разработке таких устройств решаются задачи, в первую очередь связанные с их миниатюризацией, повышением эффективности и увеличение мощности. Осуществление этих задач возможно при увеличении концентрации ионов активаторов. В свою очередь, увеличение накачки может приводить к деформации (искажению) спектра люминесценции (и, соответственно, усиления), что, в конечном итоге, будет влиять на работу усилителя. Так, например, в работе [3] обнаружено, что при высоких накачках (N2/N > 30%, где N2 - населенность на метастабильном уровне 4Ii3/2, N - концентрация ионов эрбия) спектр люминесценции эрбиевых стекол деформируются. Авторы этой работы объясняли такое искажение спектра нагревом активной среды. Целью настоящей работы являлось исследование влияния мощности накачки на люминесцентные характеристики высококонцентрированных фосфатных иттербий-эрбиевых стекол с различным содержанием ионов-активаторов.
Объект исследования и методика эксперимента
В работе были исследованы два концентрационных ряда фосфатных стекол: первый - с переменным содержанием ионов эрбия; второй - с переменным содержанием ионов иттербия. Ряд стекол с переменным содержанием ионов эрбия синтезировался в кварцевых тиглях на 150-200 г из смеси сухих метафосфатов стекла при температурах 1250-1280оС с отжигом при 520-540 оС в зависимости от состава. Стекла с переменным содержанием ионов иттербия были синтезированы в кварцевых тиглях при температурах 1450-1550 оС с отжигом при 550-600 оС в зависимости от состава.
Таким образом, были получены следующие концентрационные серии стекол:
1. Вес % 9,2Ба0-6,8К20-19УЬ20з-(9,8-х)Ьа20з-х Ег20з-55,2Р205 где х - 0,5; 1,0; 2,0; 4,0;
8,0; 9,0.
2. Мол % ((25-х)Ьа20з - хУ^0з) - 75Р20з: Е^0з, где х - 0, 5, 10, 15, 20, 25.
Концентрации ионов активаторов представлены в таблице 1.
В работе были исследованы изменения спектров люминесценции фосфатных стекол при различных мощностях накачки. Спектры измерялись при различных мощностях излучения накачки - от 20 до 770 мВт.
Для записи спектров люминесценции использовалась экспериментальная установка (рис. 1). Люминесценция эрбия возбуждалась излучением титан-сапфирового лазера с длиной волны X = 975 нм (модель Millennia-Xs, Spectra Physics) (1), промодулирова-ным механическим модулятором с частотой 10 Гц. Сигнал люминесценции регистрировался при помощи монохроматора (модель Acton-300, Acton Research Corporation) (7)
и приемника InGaAs (модель ID-441, Acton Research Corporation) (8) в диапазоне 14001700 нм. Сигналы от приемника усиливались и обрабатывались при помощи цифрового синхронного усилителя (модель SR850 фирмы «Stanford Research Systems»).
Концентрации эрбия для ряда с переменным содержанием Er3+ Концентрации иттербия для ряда с переменным содержанием Yb3+
№ образца Вес% N,*1020 cm-3 № образца Мол% N,*1020 cm-3
E1 0.5 0.5 Y1 0 0
E2 1.0 1.0 Y2 5 1,05
E3 2.0 2.1 Y3 10 2,09
E4 4.0 4.2 Y4 15 3,14
E5 8.0 8.5 Y5 20 4,17
E6 9.0 9.5 Y6 25 5,24
N7è=19*1020cm-3 N i&=2,9*1020 cm-3
Таблица 1. Составы стекол
10
Рис. 1. Схема установки для записи спектров люминесценции: 1 - лазер, 2 - модулятор, 3 - фокусирующая линза, 4 - образец, 5 - фильтр КС-15, 6 - фокусирующая линза, 7- монохроматор, 8 - приемник, 9 - усилитель,
10 - компьютер
Измерения спектров люминесценции были проведены на образцах размером 10^10 мм и толщиной от 0,5 до 3 мм. Толщина образцов выбиралась в зависимости от концентрации активатора, чтобы уменьшить эффект реабсорбции люминесценции.
Полагая, что при минимальной мощности накачки искажения спектра люминесценции незначительны, вначале был получен «эталонный» спектр люминесценции. Далее мощность накачки увеличивалась, записывался следующий спектр люминесценции, и т.д. Для сравнения формы спектров спектры люминесценции, полученные при различных мощностях накачках, были нормированы на площадь (рис. 2).
Путем вычитания «эталонного» спектра ДХ)Ь люминесценции были получены разностные спектры /(Х)н -ДХ)Ь (рис 3), которые позволяют судить об изменениях формы
1
3
9
7
8
контуров при различных мощностях накачки. Видно, что в зависимости от мощности накачки при постоянной концентрации ионов Ег3+ формы спектров меняются. Одной из причин такого изменения является то, что увеличение мощности накачки приводит к росту температуры, что в свою очередь ведет к нарушению равновесия электронных переходов между уровнями 41}3/2 и 41}5/2 иона эрбия.
н
о
.0 н
о о
X
m
S
о
X
ф
н
18
16 -
Ч 14 О 14
12 10 8 6 4 2 0
1400
Мощность накачки
1 - 50 мВт
2 - 340 мВт
3 - 470 мВт
4 - 770 мВт
1450 1500 1550 1600
Длина волны, нм
1650
Рис. 2. Изменение формы спектра люминесценции перехода 4I13i/2^4I15^2 ионов эрбия от мощности накачки. Спектры люминесценции нормированы на площадь. Концентрация ионов эрбия 2,1 -1020 см-3, ионов иттербия - 19-102
^20 см-3
Рис. 3. Разностный спектр люминесценции при различных мощностях накачки.
Концентрация ионов эрбия 2.1 -1020 см-3, ионов иттербия 19-1020 см-3 К росту температуры образца приводит увеличение доли безызлучательных потерь, например, тушение возбуждения на ОН- группе. Для оценки влияния концентрации ионов Ег3+ на изменение формы спектра люминесценции были выбраны образцы с приблизительно одинаковым содержанием воды (рис 4). Оценка содержания ОН- групп производилась по значению коэффициента поглощения в районе пика поглощения во-
Длина волны, нм
Рис. 4. Концентрационная зависимость разностного спектра люминесценции. Мощность накачки 770мВт. Концентрация ионов иттербия 19-1020 см-3
Длина волны, нм
Рис. 5. Концентрационная зависимость разностного спектра люминесценции.
Концентрация ионов эрбия 0,29-1020 см-3
Из рис. 4 видно, что при росте концентрации ионов Ег3+ искажения спектров увеличиваются.
Рассмотрим влияние концентрации ионов иттербия на изменения контура люминесценции ионов эрбия (рис. 5). Из рисунка видно, что увеличение концентрации ионов иттербия приводит к росту искажений. Это может быть связанно с увеличением мощности, поглощаемой в единице объема. Используя данные методики определения температуры образца по разности спектров люминесценции и учитывая сходный химический состав наших образцов и образцов в работе [3], можно провести оценку температуры нагрева образцов в зависимости от мощности накачки и концентрации
туры нагрева образцов в зависимости от мощности накачки и концентрации ионов активаторов.
о
100
700 800
200 300 400 500 600 Мощность накачки, мВт
Рис. 6. Зависимость температуры образца от мощности накачки. Концентрация ионов
120 „..-3
эрбия 2.1 -10 см-3, ионов иттербия 19-10
20 см-3
0123456789 10 Концентрация ионов эрбия, 1020 от"3
1 2 3 4 5
Концентрация ионов иттербия *1021 от"3
Рис. 7. Зависимость температуры образца от концентрации: а) ионов Er3+ при постоянной мощности накачки 770 мВт, Концентрация ионов иттербия 19*1020см-3 б) ионов Yb3+ при постоянной мощности накачки. Концентрация ионов эрбия 0,29*1020 см-3
Рис. 6 показывает, что с увеличением мощности накачки температура образца увеличивается и может достигать ~170оС при падающей мощности накачки 770 мВт. В свою очередь, увеличение концентрации эрбия (рис. 7а) и иттербия (рис. 7б) приводит к более существенному нагреву образца до ~200-300оС.
Выводы
В настоящей работе исследовано влияние мощности накачки на спектрально-люминесцентные характеристики высококонцентрированных фосфатных иттербий-эрбиевых стекол с различным содержанием ионов активаторов. Показано, что при уве-
т- 3+
личении концентрации ионов Er и мощности накачки происходит повышение температуры активной среды до 300оС. Полученные результаты необходимо учитывать при разработке микролазеров и планарных оптических усилителей света на основе высококонцентрированных иттербий/эрбиевых стекол.
Литература
1. Desurvire E. Erbium-doped Fiber Amplifiers. Wiley, New York, 1994.
2. Lunter S.G., Fyodorov Yu.K. Development of erbium laser glasses. // Proc. F. Simp. Light Materials, Laser Technology Material for Optic Telecommun. 1994. V. 2. P. 327-333.
3. Nikonorov N., Przhevuskii A., Lunter S. Effect of heating on spectral characteristics of Er-doped laser glasses. // Proc. of SPIE. 1999. V. 3622. Р.144-152.
