Спектральные свойства высококонцентрированных метафосфатных иттербиевых стекол, активированных ионами эрбия

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).

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.

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.