Объемные фазовые голограммы на основе силикатного фото-термо- рефрактивного стекла, активированного редкоземельными ионами

ОБЪЕМНЫЕ ФАЗОВЫЕ ГОЛОГРАММЫ НА ОСНОВЕ СИЛИКАТНОГО ФОТО-ТЕРМО-РЕФРАКТИВНОГО СТЕКЛА, АКТИВИРОВАННОГО РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ИОНАМИ

А.С.Златов

Научный руководитель - д.ф.-м.н., ст.н.с. Н.В. Никоноров

Проведены исследования свойств объемных фазовых голограмм на силикатном фото-термо-рефрактивном стекле, легированном ионами лантана и эрбия. Проведено сравнение исходного ФТР-стекла с лантановым и эрбиевым ФТР-стеклами. Установлено, что введение ионов лантана приводит к снижению фоточувствительности ФТР-стекла, а также уменьшению динамического диапазона показателя преломления, а введение ионов эрбия практически не изменяет фоточувствительность и динамический диапазон показателя преломления по сравнению с исходным ФТР-стеклом.

Введение

К настоящему времени объемные фазовые голограммы на основе фото-термо-рефрактивных (ФТР) стекол [1] находят все более широкое применение в лазерной технике. Так, например, на их основе возможно создание брэгговских сверхузкополосных спектральных селекторов, фильтров и внутрирезонаторных зеркал для мощных твердотельных и полупроводниковых лазеров и т.д. [2, 3]. Голограммы на ФТР-стеклах обладают высокой дифракционной эффективностью и спектрально-угловой селективностью. Также у них отсутствует стирание изображения в процессе считывания и нет ограничений на время их жизни. ФТР-стекла обладают высокой химической устойчивостью и механической прочностью, они выдерживают воздействие мощного непрерывного и импульсного лазерного излучения. Однако наличие полосы поглощения коллоидного серебра, а также рассеяние на микрокристаллической фазе ограничивают применения этого материала в видимом диапазоне спектра. Таким образом, ФТР-стекла наиболее привлекательны для создания голограммных оптических элементов, работающих в ИК-диапазоне спектра.

В настоящей работе были проведены исследования свойств объемных фазовых голограмм на силикатном ФТР-стекле, легированном ионами лантана и эрбия. Определен динамический диапазон изменения амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления в ФТР-стеклах с добавлением ионов эрбия, с добавлением ионов лантана и без них, установлены оптимальные времена термообработки. Также проведено сравнение исходного ФТР-стекла с лантановым и эрбиевым ФТР-стеклами.

Объект исследования и эксперимент

В работе были исследованы цинковоалюмосиликатные стекла с большим содержанием фтора, активированные ионами церия, серебра и сурьмы. Стекла были синтезированы в кварцевых тиглях при температуре 1500°С из реактивов марки ОСЧ. Запись голограмм производилась Ие-Сё-лазером на длине волны 325 нм по симметричной дву-лучевой схеме. Термообработка образцов проводилась при Т=520-530°С.

Обычно измерение контура угловой селективности проводятся на длине волны Х=633 нм Ие-Ые-лазером. Однако поглощение коллоидного серебра в видимом диапазоне приводит к потерям и уменьшению дифракционной эффективности. Кроме этого, голограмма становится амплитудно-фазовой, контур селективности приобретает специфическую форму, которую трудно интерпретировать. Поэтому измерения контура угловой селективности проводились в ИК-области с помощью полупроводникового лазера, работающего на длине волны X = 850 нм.

Схема установки представлена на рис. 1. В качестве источника излучения использовался полупроводниковый лазер с коллимирующей оптической системой. Исследуе-

мый образец с голограммой находился на поворотном столике, управляемом с компьютера и обеспечивающем шаг разворота 10-5 рад. Измерялась зависимость интенсивности прошедшего и дифрагированного пучка от угла поворота столика. Полученные данные обрабатывались и захватывались с помощью программного пакета LabView 5.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для тестирования голограмм: 1 - полупроводниковый лазер, 2 - поворотный столик, 3 - исследуемый образец с голограммой, 4 - фотоприемники, 5 - компьютер

Как известно [4], зависимость дифракционной эффективности (ДЭ) пропускающих трехмерных фазовых голограмм от амплитуды модуляции показателя преломления носит осциллирующий характер - п = где ф1 = лпуТ/^соБбо), п1 - амплитуда мо-

дуляции показателя преломления, Т - толщина среды, X - длина волны восстанавливающего излучения в воздухе, 90 - угол падения восстанавливающего пучка на голограмму в среде. При этом при <р1 = кп± агсБт^/п (где к = 1, 2, 3, ...) в условиях Брэгга

достигаются одинаковые ДЭ, и для выбора к, т.е. однозначного определения ф1, использовалось сопоставление формы расчетного контура угловой селективности с экспериментально измеренной [5].

Результаты и обсуждения

Рассчитанные экспозиционные зависимости амплитуд модуляции показателя преломления при оптимальных временах термообработки представлены на рис. 2.

Рис. 2. Зависимости амплитуд модуляции первой гармоники показателя преломления от экспозиции при оптимальных временах термообработки

Из рис. 2 видно, что при оптимальных временах термообработки динамические диапазоны изменения показателя преломления ФТР-стекла, активированного ионами Er3+ и ФТР-стекла, не содержащего ионы редкой земли, практически совпадают и составляют величину порядка 5-10"4, а для ФТР-стекол, содержащих ионы La3+ - 1,5-10"4. Также из рисунка видно, что для образцов ФТР-стекла, содержащих ионы эрбия, максимальное значение амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления достигается при меньшей дозе облучения, чем для ФТР-стекол, не содержащих ионы редкой земли, а для образцов, содержащих ионы лантана - при значительно большей дозе. Таким образом, введение ионов эрбия практически не изменяет фоточувствительность, когда введение ионов лантана приводит к ее снижению. Установлено, что введение ионов эрбия приводит к изменению кинетики кристаллизации стекла, что ведет к увеличению времени термообработки. Также установлено, что введение ионов редкой земли в ФТР-стекло приводит к увеличению оптимальной температуры термообработки.

Выводы

Получена зависимость амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления от экспозиции для ФТР-стекол, активированных эрбием и лантаном, а также не активированных. Установлено, что введение ионов эрбия в ФТР-стекло не приводит к уменьшению максимального значения амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления, когда введение ионов лантана приводит к его уменьшению. Максимальное значение амплитуды модуляции первой гармоники показателя преломления для ФТР-стекол с эрбием составило 5,5-10"4, для ФТР-стекол с лантаном -1,5-10"4, для неактивированых ФТР-стекол - 5-10"4. Полученные данные необходимо учитывать при разработке сверхузкополосных селекторов света и лазеров с распределенной обратной связью на основе активированных ФТР-стеклол.

Литература

1. Кучинский С.А., Никоноров Н.В., Панышева Е.И., Савин В.В., Туниманова И.В. Свойства объемных фазовых голограмм на мультихромных стеклах // Оптика и спектроскопия. - 1991. - Т. 70. - № 6. - С.1296.

2. Venus G., Sevian A., Glebov L. Stable coherent coupling of laser diodes by a volume Bragg grating in PTR glass // High-Power Diode Laser Technology and Applications IV. Ed.: M. Zediker. - Proceedings of SPIE. - 6104 (2006). - 61040S.

3. Venus G., Sevian A., Glebov L. Spectral Stabilization of High Efficiency Diode Bars by External Bragg Resonator // 18th Annual Solid State and Diode Laser Technology Review, SSDLTR-2005 Technical Digest, Poster-1, Los Angeles, CA, June 2005.

4. Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram grating // Bell Syst. Techn. J. -1969. - Vol. 48. - №9. - P. 2909-2947.

5. Андреева О.В., Корзинин Ю.Л., Назаров В.Н., Гаврилюк Е.Р., Курсакова А.М. Дифракционная эффективность серебросодержащих голограмм на пористых стеклах в красной и ИК-областях спектра // Оптический журнал. - 1997. - Т. 64. - №4. -С.142.