Определение сечения вынужденных переходов в материалах, активированных ионами эрбия

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СЕЧЕНИЯ ВЫНУЖДЕННЫХ ПЕРЕХОДОВ В МАТЕРИАЛАХ, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ ЭРБИЯ

Е.А. Кравцова, А.С. Шамонова Научный руководитель - к.т.н., доцент Л.А. Губанова

В работе ставилась задача исследования спектрально-люминесцентных свойств нового материала - ме-тафосфата иттербия. Основное внимание уделялось определению сечения вынужденного излучения, что представляет нетривиальную задачу для стекол ввиду сложной штарковской структуры, неоднородного уширения, перекрытия штарковских компонент в спектрах поглощения и люминесценции. Для решения данной задачи использовали метод МакКамбера.

1. Введение

В последнее время наибольший интерес в области оптических телекоммуникационных технологий представляет разработка и исследование новых стекол для волоконных и планарных усилителей, работающих в ближнем ИК-диапазоне спектра. Повышенный интерес проявляется к эрбиевым стеклам, работающим на длине волны 1,5 мкм [1]. 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 низка из-за относительно слабых полос поглощения [2]. Для ионов Er3+ эффективными сенсибилизаторами оказались ионы Yb3. Существующие данные говорят о том, что чем больше содержание иттербия, тем эффективнее накачка. Предельно большая для стекол концентрация реализуется в мета-фосфате иттербия, нового материала, разработанного в НИТИОМе (ГОИ).

Целью проведенной работы явилось определение сечения вынужденного излучения в метафосфате иттербия путем анализа спектров поглощения и люминесценции по методу МакКамбера [3]. С целью сравнения свойств и контроля методики кроме стеклообразного метафосфата исследовалось натриевосиликатное стекло. Использовались образцы одинакового молярного содержания Er2O3. Ниже представлены составы этих образцов и концентрации редкоземельных ионов - активаторов: метафосфат иттербия: 75P2O5 - 25 Yb2O3, (0,4 мол. % Er2O3); натриевосиликатное стекло: 64SiO2 - 15,5Na2O - 4,5ZnO - 11,5F - 1,5Br - 3Yb2O3, (0,4 мол. % Er2O3).

2. Методы исследования

2.1. Метод МакКамбера

При расчете и нормировке сечения вынужденного излучения aem(A) по методу МакКамбера используются спектры поглощения k(X) и люминесценции Ilum(A).

В случае вычисления сечения поглощения нет никаких сложностей. Достаточно измерить на спектрофотометре спектр поглощения и подставить его в соответствующую формулу:

<V» = f.

где k - коэффициент поглощения [см-1], N - концентрация ионов активатора [см- ].

Спектры поглощения образцов мы измерили на спектрофотометре Varian Cary 500 (оптическая плотность D = 0-4, спектральный диапазон регистрации 300-3300 нм с шагом 0,1 нм). По полученным спектрам рассчитали коэффициенты поглощения для ряда фосфатных и ряда силикатных стекол с различными концентрациями эрбия. Результаты измерений представлены на рис. 1 и 2. Обнаружено, что с увеличением концентрации

эрбия увеличивается интенсивность полосы поглощения, т.е. для стекол с максимально большим содержанием редкоземельных активаторов выполняется закон Бера.

о «

К X <и

3 о

4

и о с н X <и

х а х

о

0,0 " 6000

Ыег*10^, см'

6200

7000

6400

Волновое число V, см-1 Рис. 1. Спектры поглощения натриевосиликатных стекол, активированных ионами Бг3+

о

X <и

3 о

5

о с н X <и X

а

х

о

0,24 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04 0,00

6000 6200 6400 6600 6800 7000 7200 Волновое число, V, см-1

Рис. 2. Спектры поглощения метафосфатных стекол, активированных ионами Ег3+

Необходимые для дальнейших расчетов спектры люминесценции были получены измерением образцов на экспериментальной установке, изображенной на рис. 3.

Для накачки образца использовался лазер с длиной волны излучения 975 нм (1). Сигнал люминесценции регистрировался с помощью приемника (7) и усилителя (9). Также использовались: модулятор (2), образец (3), линза (4), спектральный фильтр (5), монохроматор (6), компьютер (9).

л

V

Рис. 3. Измерение люминесценции

Изображенные на рис. 4 и 5 спектры люминесценции метафосфата иттербия и на-триевосиликатного стекла получены в относительных единицах. Далее в нашей работе мы нормируем спектр люминесценции, т.е. от относительных единиц производится переход к абсолютным [см-1].

9

н

О

Волновое число V, см-1 Рис. 4. Спектр люминесценции для силикатных стекол, активированных ионами Бг3+

Для получения правильного контура сечения вынужденного излучения необходимо учитывать спектральную чувствительность установки, на которой проводятся измерения спектров.

а

где Б(^) - спектральная чувствительность экспериментальной установки. Расчет чувствительности является отдельной процедурой, заслуживающей внимания. На место образца устанавливалась вольфрамовая бэнд-лампа и записывался ее спектр, который принимался за реальный спектр АЧТ. Для расчета теоретического спектра использовалась формула Планка с учетом серости вольфрама [4]:

ьъ

(Х,Т) = гт

Г

ехр^

14384

XI

_1

Ц(Х, I):

где аъъ - это плотность фотонов, испускаемых абсолютно черным телом в единичном интервале длин волн; с1 = 3,74 х 10-12 Вт •см- ; с2 = 14384 мкм-К; Т- абсолютная температура АЧТ, Т = 2850К (при I = 7,46 А); д(Х,Т) - коэффициент серости вольфрама. После этого теоретический спектр АЧТ делится на реальный:

.ъъ.

Б(Х) =

а

где 1(Х) - сигнал вольфрамовой бэнд-лампы.

в

и

а £

с

с

и. ь с с И а

с И

а ^

И

в к И

с

а ^

с С

И ^

С

100 90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

-

^Ег*1 п,20 -3 0 , см ,12 ,23

0

0,35 0,46

6000 6100 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000 Волновое число V, см-1

Рис. 5. Спектр люминесценции для метафосфатных стекол, активированных ионами Ег3+

Достоинство метода МакКамбера заключается в том, что сечение вынужденного излучения аеш(у) [см2] может быть посчитано через сечение поглощения ааЪ8(у) [см2]:

е-— ,

= °аЪ8<>)ехР

кТ

27

где к - постоянная Больцмана; к - постоянная Планка, к = 6,6238x10" [эрг-сек]; V -

оптическая частота [см-1]; Т - температура, [К]; е- эффективная энергия зазора между мультиплетами основного 4115/2 и возбужденного 4113/2 состояний. Значение е можно определить из следующего соотношения:

8 _Е±_ 8 _Е±_ 2 ехр кт 1 + у ехр кТ

_ г =1

N1

2 ехР

г=2

7 _ ЕИ Е0 7 Е2 У

2 ехр к ехр кТ 1 +2 ехр кТ

У =1 У=2

где Ы1 - населенность основного уровня 115/2; N - населенность возбужденного уровня 4113/2; Е1г - значения энергетических зазоров между соседними штарковскими ком-

понентами уровня 115/2; Е2у- -значения энергетических зазоров между соседними штар-

4т

ковскими компонентами уровня 113/2.

Таким образом, чтобы вычислить параметр в, необходимо знать положение всех штарковских компонент основного 4115/2 и возбужденного 4113/2 уровней Бг3+ в конкретной матрице. Поскольку получить эти данные не представляется возможным, была использована модель определения в, которую предложил Минескалко ^..Г. М1ш8са1ко): для этого используются три параметра Е0, Е1 и Е2 [3]. В этом случае Е0 - это энергия перехода между нижними штарковскими компонентами уровней 4115/2 и 4113/2. Она определяется как среднее значение положения максимумов спектров поглощения &(у) и люминесценции 1а(у). Величины Е1 и Е2 - это средние значения энергетических зазо-

44

ров между соседними штарковскими компонентами уровней 115/2 и 113/2 соответственно. Их значения измеряются непосредственно на спектрах поглощения £(у) и люминесценции 1я(у). Рассчитав соотношение

ехр

в

кТ

= N

N2

и подставив его в уравнение (5), мы получаем упрощенную формулу (6) для расчета сечения вынужденного излучения:

N1

ОетМ = О аЬзМтГ1еХР

N.

~кт

N - населенность основного уровня, N - населенность возбужденного уровня. Вместо Ьу подставляется текущая частота V [см-1], а температуру, при которой проводились измерения, умножаем на соответствующий коэффициент 1К = 0,69502 см-1.

о

^ а 2 6

*

О § 5

X <и

^ 4 ч

со К

13 3

X X

^ X

3 1 и 1

и

к к

¡а о

и

о

Фосфатное стекло Силикатное стекло

6800 7000

Волновое число V, см-1

Рис. 6. Сравнительный анализ стекол

Подсчитанные по методу МакКамбера сечения вынужденных переходов для ме-тафосфата иттербия и натриевосиликатного стекла представлены на рис. 6. В таблице приведены спектроскопические параметры исследованных стекол. Сравнительный анализ показывает, что максимальным сечением вынужденного излучения

(6,14^1021 см2) и наибольшей шириной на половине максимума вынужденного излучения (46 нм) обладает метафосфат иттербия.

Фосфатное Силикатное

Интеграл сечения поглощения, /о^ Иё V) [см] 0,9-10"18 0,75-10"18

Максимум сечения поглощения, о^тах [см ] 4 97-1021 4,82-1021

Интеграл сечения вынужденного излучения, /оет Цё V) [см] 1,17-10"18 0,83-10"18

Максимум сечения вынужденного излучения, оеттах [см ] 6,14-1021 6,04-1021

Полная ширина на половине максимума, нм 46 41

Таблица. Спектроскопические параметры фосфатного и натриевосиликатного стекол

2.2. Определение спектров усиления

Спектр поглощения и спектр люминесценции имеют различные контуры из-за больцмановского распределения экситонов по штарковским подуровням. Таким образом, коэффициент усиления будет определяться как разность между населенностями возбужденного состояния 4113/2 и основного состояния 4115/2, а также между сечениями вынужденного излучения и поглощения:

§

Если населенность возбужденного уровня Ы2 выше, чем населенность основного уровня Ы]_, то коэффициент усиления будет отрицательный. Это означает, что мы имеем дело с усилением сигнала. Если же населенность возбужденного уровня Ы2 меньше, чем населенность основного уровня Ы]_, то коэффициент усиления будет положителен. В этом случае наблюдается поглощение.

о

вд ч к

X <и ч к

о

^

н X <и

к а х

о

Накачка

-Р=1 Р= 0,9

-Р=0,8 Р =0,6

-Р=0,5 Р =0,4

-Р=0,2 Р =0

6000 6100 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000 Волновое число V, см-1

Рис. 7. Спектры усиления/потерь для метафосфатного стекла, активированного ионами Бг3+ при разных накачках

При вычислении коэффициента усиления были использованы данные, полученные в п.2.1: сечение поглощения рассчитывалось по формуле (1), а сечение вынужденного излучения по формуле (8). На рис. 7, 8 представлены спектры усиления в зависимости от накачки для силикатного и фосфатного стекол.

6100 6200 6300 6400 6500 6600 6700 6800 6900 7000

Волновое число v, см

-1

Рис. 8. Спектры усиления/потерь для силикатного стекла, активированного ионами Бг3+ при разных накачках

3. Выводы

Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств

ионов эрбия в стеклообразном метафосфате иттербия и натриевосиликатном стекле.

Показано, что:

1) максимальным сечением вынужденного излучения (6,14-1021 см2) и наибольшей шириной на половине максимума вынужденного излучения (46 нм) обладает мета-фосфат иттербия;

2) полная ширина на половине максимума спектра усиления у метафосфата иттербия больше, чем у натриевосиликатного стекла.

Литература

1. Курков А.С., Наний О.В. Эрбиевые волоконно-оптические усилители // Lightwave. - 2003. - № 3. - С. 14-19.

2. Алексеев Н.Е., Гапонцев В.П., Жаботинский М.Е., Кравченко В.Б., Рудницкий Ю.П. Лазерные фосфатные стекла. - М.: Наука, 1980.

3. W.J. Miniscalko, R.S. Quimby. General procedure for the analysis of Er3+ cross sections // Opt. Lett. -1991. - V. 16. - Р. 258-260.

4. Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. - М.: Наука, 1979.