Анизотропия поглощения и люминесценции оптических центров в эрбиевых стеклах для усилителей

АНИЗОТРОПИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ И ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ ОПТИЧЕСКИХ ЦЕНТРОВ В ЭРБИЕВЫХ СТЕКЛАХ

ДЛЯ УСИЛИТЕЛЕЙ Н.В. Никоноров, А.К. Пржевуский, А.С. Рохмин, А.М. Ульяшенко

Обнаружена частичная поляризация люминесценции в лазерных фосфатных и силикатных стеклах, активированных эрбием, для основного лазерного перехода 41ц/2^ 41ц/2 (Х=1.55 мкм) при возбуждении линейно поляризованным лазерным светом (532 нм, 790-990 нм). Форма спектра поляризованной люминесценции зависит от длины волны возбуждающего света и состава матрицы стекла. Степень поляризации зависит как от спектрального диапазона возбуждения, так и от спектрального диапазона регистрации, достигая максимального значения ~1%. Исследована концентрационная зависимость степени деполяризации.

Введение

Ввиду неупорядоченности структуры стекла редкоземельные активаторные центры в нем не обладают симметрией и, следовательно, поглощают и испускают свет анизотропно. Эта анизотропия должна приводить к явлению «поляризованной люминесценции» (ПЛ) стекол [1], а именно, к появлению частичной поляризации спектров люминесценции при ее возбуждении линейно поляризованным светом. Подобное явление наблюдалось для стекол, активированных ионами Pr3+, Nd3+, Eu3+, Tb3+, Er3+, Tm3+ [2-4]. Особенно подробно оно было исследовано для стекол, активированных ионами Eu3+ [23], которые наиболее удобны для его наблюдения.

В случае эрбиевых стекол, являющихся весьма актуальным материалом для современной квантовой электроники, сообщалось лишь о наблюдении поляризации штарковских компонент полосы люминесценции 545 нм, соответствующей переходу 4S3/2 ^ 4Ii5/2 при возбуждении образцов в области перехода 4Ii5/2 ^ 2G9/2 (366 нм) [3]. Вместе с тем имеются многочисленные данные по использованию волоконных эрбие-вых усилителей [5, 6], которые говорят об анизотропии излучения на основном лазерном переходе 4Ii3/2 ^ 4Iis/2 и, следовательно, о возможности наблюдения эффекта ПЛ на этом переходе. Так, например, в волоконных эрбиевых усилителях на основном лазерном переходе (^= 1.55 мкм) наблюдается эффект «выжигания поляризационных провалов» и эффект «поляризационно-зависимого усиления» [7].

Исследование ПЛ на основном лазерном переходе представляет собой актуальную задачу для разработки волоконных эрбиевых усилителей света, поскольку может влиять на отношение сигнал/шум и приводить к уменьшению коэффициента усиления. В настоящей работе сообщается о наблюдении эффекта ПЛ в объемных образцах эрбиевых силикатных и фосфатных стекол для основного лазерного перехода.

Методика эксперимента

Оптимальные условия наблюдения ПЛ подразумевают использование узких спектральных интервалов как для возбуждения, так и для регистрации люминесценции. Поэтому люминесценция анализировалась монохроматором (модель Acton-300, Acton Research Corporation,), а для ее возбуждения использовалось лазерное излучение (рис. 1). В роли источников возбуждения применялись два лазера: (1) неодимовый лазер с удвоением частоты (^возб = 532 нм) (модель Millenia-Xs, Spectra Physics) и (2) титан-сапфировый лазер (модель 3900S, Spectra Physics), который перестраивался в диапазоне ^возб= 790-1000 нм. Оба лазера работали в непрерывном режиме. Чтобы иметь возможность менять направление линейной поляризации возбуждающего света, излучение лазера пропускалось сначала через кристалл LiNbO3, а затем через призму Глана.

2

3

4

И

5 6 7

¡1 Л

ii Чг J

9 10

-M-

О—

11

12

Рис. 1. Экспериментальная установка: (1) - неодимовый лазер (А = 532 нм), (2) - титан-сапфировый лазер (А = 790 - 1000 нм), (3) - кристалл LiNbO3, (4) - призма Глана, (5) -образец, (6) - инфракрасный фильтр, (7, 9) - пленочный поляризатор, (8) - вращающаяся пластинка из слюды А/2, (10) - монохроматор, (11) - InGaAs-приемник, (12) -цифровой синхронный усилитель, (13) - компьютер.

Наблюдение сигнала люминесценции производилось в направлении, перпендикулярном к направлению возбуждающего света. Для повышения чувствительности установки использовалась модуляционная методика.

В качестве модулятора сигнала люминесценции использовалась вращающаяся пластинка из слюды А/2 и пленочный поляризатор. Интенсивность света люминесценции, прошедшего через такую комбинацию оптических элементов, оказывалась промо-дулированной на учетверенной частоте вращения пластинки А/2. Причем амплитуда модуляции была пропорциональна величине

А/

где /||(А) - интенсивность света люминесценции, поляризованного параллельно поляризации возбуждающего света, а /±(А) - интенсивность света люминесценции, поляризованного перпендикулярно поляризации возбуждающего света. На выходной щели мо-нохроматора сигнал регистрировался ИК приемником InGaAs (модель ID-441, Acton Research Corporation).

Для улучшения отношения сигнал/шум использовалась система синхронного детектирования, реализованная на основе цифрового синхронного усилителя (модель SR850, Stanford Research Inc.). При этом для получения опорного сигнала использовался светодиод, фиксирующий вращение пластинки А/2. Результирующий продетектиро-ванный сигнал обрабатывался компьютером и представлялся как функция длины волны света люминесценции - дифференциальный спектр А/(А).

Для оценок степени поляризации необходимо было измерить сигнал, пропорциональный сумме /|(А) + /±(А). Для этого перед пластинкой А/2 располагался пленочный поляризатор и снимались показания величины продетектированного сигнала - /. Полагалось, что

где Т - максимальное пропускание поляризованного света поляроидом.

Для разделения люминесценции и возбуждающего света после образца располагался фильтр ИКС-6. Спектральная чувствительность установки была проградуирована с помощью ленточной лампы.

Исследовались фосфатные и силикатные стекла с содержанием Ег203, изменяющимся в диапазоне 0.1-0.8 мол %. Образцы представляли собой полированные пластинки, у которых были отполированы 4 грани, для предотвращения деполяризации как возбуждающего света, так и света люминесценции. Толщина пластинок выбиралась так, чтобы уменьшить реабсорбцию света люминесценции.

Результаты и обсуждение

Обнаружена частичная поляризация штарковской структуры полосы 4/]3/2^ 4/}5/2 в спектрах люминесценции как силикатных, так и фосфатных стекол при возбуждении образцов линейно поляризованным светом с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости, содержащей направление возбуждения и направление наблюдения.

Во всех случаях контуры дифференциальных спектров А/(А) существенно отличались от «обычного» контура люминесценции, наблюдаемого при неполяризованном возбуждении (рис. 2-5). При этом форма контура дифференциального спектра А/(А) зависела от длины волны возбуждающего лазерного света, в частности, менялась при сканировании в диапазонах Авозб = 532 нм, Авозб = 790-813 нм и Авозб = 960—990 нм, что соответствует оптическим переходам в области полос поглощения /15/2 ^ Н11/2, /15/2 ^ 4/9/2 и 4/15/2 ^ 4/11/2 (рис. 3-5). Таким образом, степень поляризации зависела как от длины волны возбуждающего света - Авозб, так и света люминесценции - Алюм.

Длина волны А,, нм

Рис. 2 Спектры люминесценции Бг3+ для фосфатного (1) и силикатного (2) стекол.

о

£ н

0

1

НИ

<

2,0

1,5 -

1,0 -

0,5

0,0

1450 1500 1550 1600

Длина волны Я, нм

1650

Рис. 3 Дифференциальные спектры поляризованной люминесценции Бг3+ (Бг20з = 0.1 мол. %) в фосфатном стекле, полученные при возбуждении в разные участки полосы поглощения (переход 4115/2 ^ 4/11/2): Явозб = 975 нм (кривая 1), 980 нм (2) и

985 нм (3).

ч

£

н о

I

НИ

<

1

0

-1

-2 1400

1450 1500 1550 1600

Длина волны Я, нм

1650

1700

Рис. 4. Дифференциальные спектры поляризованной люминесценции Ег3+ (Ег203 = 0.1 мол. % ) для силикатного (1) и фосфатного (2) стекол, полученные

при возбуждении Явозб = 800 нм.

Длина волны А, нм

Рис. 5. Дифференциальные спектры поляризованной люминесценции Ег3+

(Ег203 = 0.1 мол.% ) для силикатного (1) и фосфатного (2) стекол, полученные

при возбуждении Авозб = 532 нм.

Такая зависимость является характерной особенностью ПЛ стекол, активированных редкоземельными ионами [3], и служит доказательством того, что в наших экспериментах мы имели дело именно с этим эффектом. Тем не менее, ввиду малой величины наблюдаемых эффектов был проведен следующий проверочный эксперимент.

При изменении поляризации возбуждающего света на поляризацию, при которой электрический вектор был параллелен направлению наблюдения, сигнал А/(А) уменьшался на полтора порядка и становился сопоставимым с погрешностью установки, которая возникала из-за угловой апертуры пучка света люминесценции и неточностей настройки (рис. 6).

Все описанные свойства ПЛ эрбиевых стекол естественно объясняются с помощью модели, предложенной в [3], суть которой состоит в следующем.

Ввиду неупорядоченной структуры стекла эрбиевые центры не обладают симметрией, и вырождение их энергетических уровней снято настолько, насколько это возможно в отсутствии магнитного поля. А именно, так как число электронов на 4Г - оболочке нечетно (11), каждый уровень представляет собой дважды вырожденный крамер-сов дублет. Для несимметричного оптического центра анизотропия поглощения или испускания света, соответствующая переходу между парой крамерсовых уровней, описывается эллипсоидом, на форму которого не наложено никаких ограничений. Степень поляризации люминесценции при поляризованном возбуждении определяется взаимной угловой ориентацией пары таких эллипсоидов. Первый эллипсоид описывает анизотропию поглощения света отдельной компонентой штарковской структуры спектра поглощения, а второй - анизотропию испускания света штарковской компонентой спектра люминесценции. Эта модель является сильно упрощенной. Наблюдаемую экспериментально степень поляризации уменьшают следующие факторы.

а) В случае эрбиевых стекол как в спектре поглощения, так и в спектре люминесценции отдельные штарковские компоненты настолько сильно уширены, что их конту-

ры всегда перекрываются. Поэтому даже в случае лазерного возбуждения поглощение и излучение света описываются несколькими парами оптических осцилляторов, а не одной. Экспериментально измеряемая степень поляризации представляет собой результат усреднения.

1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700

Длина волны Я, нм

Рис. 6. Дифференциальные спектры поляризованной люминесценции Ег3+ (Ег203 = 0.1 мол. %) для фосфатного стекла, полученные при возбуждении Явозб = 795 нм (а) и Явозб = 532 нм (Ь) для различной геометрии эксперимента: (1) - вектор возбуждающего электрического поля Е перпендикулярен плоскости, Ъсодержащей направление возбуждения и направление наблюдения люминесценции; (2) - вектор Е параллелен направлению наблюдения люминесценции.

( (б) Из-за неупорядоченности структуры стекла оптические центры эрбия в нем различаются по своему строению, т.е. неоднородны. Это приводит к дисперсии всех оптических параметров центров. Хорошо известным проявлением этой неоднородности является неоднородное уширение спектров. Менее известен факт дисперсии скоростей излучательных переходов [8]. Из общих соображений ясно, что должна существовать и дисперсия углов между оптическими осцилляторами.

При одинаковых условиях возбуждения и регистрации контуры спектров А/(А) для фосфатных и силикатных стекол заметно различались, что естественно объясняется различием в штарковской структуре спектров.

0,9

0,8

П 0,7 Рч 5

5 0,6

Я

«

м

£ 0,5 к

о 0,4 в .а

15 0,3 в

0,2 0,1 0,0

1 - силикатное

2 - фосфатное

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Концентрация Ег203 , мол.

Рис. 7. Концентрационная деполяризация люминесценции Бг3+ для силикатного (1) и фосфатного (2) стекол, полученная при возбуждении А,возб = 532 нм.

Как для фосфатных, так и для силикатных стекол максимальные значения степени поляризации, Р= (/у - /±) / 2(/ + /±), наблюдались для образцов с наименьшей концентрацией эрбия 0.1 мол % (рис. 7). При увеличении концентрации степень поляризации Р уменьшалась, что может быть приписано хорошо известному эффекту концентрационной деполяризации [1]. Миграция возбуждений по метастабильному уровню 4/13/2 сопровождается потерей информации об ориентации осциллятора, первоначально возбужденного светом. В случае эрбиевых стекол картина концентрационной деполяризации усложняется явлением концентрационного тушения люминесценции - уменьшением времени затухания люминесценции т с ростом концентрации. Уменьшение т снижает влияние миграции на поляризацию люминесценции: возбуждения «не успевают» до излучения мигрировать и тем самым изменить ориентацию осциллятора, заданную возбуждающим светом.

Заключение

Обнаружена частичная поляризация люминесценции фосфатных и силикатных эрбиевых стекол для основного лазерного перехода 4/]3/2 ^ 4/}5/2 (Алюм.=1.55 мкм) при возбуждении линейно поляризованным лазерным светом (Авозб = 532нм,

Явозб = 790-990 нм). Форма спектра поляризованной люминесценции зависит от длины волны возбуждающего света и состава матрицы стекла. Степень поляризации зависит как от спектрального диапазона возбуждения, так и от спектрального диапазона регистрации, достигая максимального значения ~1%. Увеличение концентрации эрбия приводит к увеличению скорости миграции возбуждения между ионами эрбия и уменьшению степени поляризации.

Работа выполнена в рамках тематического плана НИР Министерства образования РФ №10184.

Литература

1. Феофилов П.П. Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов. М.: ГИФМЛ, 1959. 288 с.

2. Kushida T, Takushi E, Oka V. Memories of photon energy, polarization and phase in luminescence of rare earth ions under resonant light excitation. // J. Luminescence. 1976. 12/13. С. 723-727.

3. Лебедев В.П., Пржевуский А.К. Поляризованная люминесценция стекол, активированных ионами редких земель. // Физ. твердого тела. 1977. 19. С.1373-1376.

4. Holl D.W. and Weber M.J. Polarized fluorescence line narrowing measurements of Nd laser glasses: Evidence of stimulated emission cross section anisotropy. // Appl. Phys. Lett.. 1983. 42. №2. Р. 157-159.

5. Wysocki P., and V. Mazurczyk Polarization dependent gain in erbium-doped fiber ampli-fier:computer model and approximate formulas // J. Light. Technol. 1996. 14. Р. 572-584.

6. Tentori D., Carrillo V. K., May M., Kuzin E., Mendieta J., Soto H. Polarization dependent performance of helically-wound EDFAs // Conference on Rare-Earth-Doped Materials and Devices III. SPIE. 1999. Vol. 3622. Р. 138-142.

7. Desurvire E. Erbium-doped fiber amplifiers. Priciples and Applications. John Wiley & Sons Inc. New York. 1994. 770 p.

8. Weber M. J. Laser excited fluorescence spectroscopy in glass // In Laser Spectroscopy of Solids. Eds. W. M. Yen and P. M. Selzer. Berlin etc.: Springer. 1981. Р. 189-239.