Влияние концентрации активаторов на вероятность безызлучательного переноса энергии в высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стеклах

ВЛИЯНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ АКТИВАТОРОВ НА ВЕРОЯТНОСТЬ БЕЗЫЗЛУЧАТЕЛЬНОГО ПЕРЕНОСА ЭНЕРГИИ В ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХИТТЕРБИЙ-ЭРБИЕВЫХ

СТЕКЛАХ В. А. Асеев, М.Н. Жукова, Е.М. Федорова Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Н.В. Никоноров

Экспериментально исследованы зависимости кинетики затухания люминесценции ионов иттербия и эрбия в высококонцентрированных силикатных и фосфатных лазерных стеклах. Определен квантовый выход люминесценции для основного лазерного перехода иона эрбия и вероятность безызлучательного переноса энергии, а также исследованы их концентрационные зависимости.

Введение

С момента создания 1,5 мкм эрбиевого лазера в 1965 г. Шнитцем и Вудкуком наблюдается повышенный интерес к кристаллам и стеклам [1]. Это связано с тем, что такая длина волны является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн и поэтому очень перспективна для применения в офтальмологии, локации, для обработки материалов и т.д. [2].

Одним из основных недостатков эрбиевых лазеров является крайне низкая эффективность возбуждения ионов Er3+ из-за относительно слабых полос поглощения [3]. Поэтому для решения этой проблемы в качестве сенсибилизатора добавляют ионы Yb3+, которые имеют сильную полосу поглощения в области 0,9-1,02 мкм. В этом случае накопление энергии возбуждения на верхнем лазерном уровне Er (4I11/2) осуществляется главным образом через канал сенсибилизации Yb  Er (4I11/2)  Er (4I13/2). При оптической накачке возбуждаются ионы Yb3+, а затем происходит безызлучательная

-г 3+ 4Т

передача энергии ионам Er на уровень i11/2, который является резонансным с мета-стабильным уровнем 4F5/2 иттербия.

В настоящей работе приведены результаты исследования влияния концентраций ионов активаторов на квантовый выход люминесценции основного лазерного перехода ионов эрбия и безызлучательный перенос энергии с ионов иттербия на ионы эрбия в силикатных и фосфатных лазерных стеклах.

Эксперимент

В качестве объекта исследования были использованы две стеклообразные матрицы - фосфатная и силикатная. Для исследования были взяты три концентрационных ряда стекол, активированных иттербий-эрбием. В первом эрбиевом фосфатном ряде (табл. 1) при постоянной концентрации ионов иттербия 1,9-10 см" изменялась концентрация ионов эрбия от 0 до 9,5*1020 см-3. Во втором эрбиевом силикатном ряде (табл. 2) при постоянной концентрации ионов иттербия 17,8-10 изменялась концентрация ионов эрбия от 0 до 2,26-1020 см-1. В третьем иттербиевом фосфатном ряде (табл. 3) при постоянной концентрации ионов эрбия 0,29-1020 см-3 изменялась концентрация ионов иттербия от 0 до максимально возможной - 53,2-1020 см-3, т.е. метафосфата иттербия. Измерения проводились на образцах в виде плоскопараллельных пластин (10x10 мм) разной толщины (0,3-3 мм). Толщина выбиралась в зависимости от концентрации активатора так, чтобы уменьшить эффект реабсорбции.

Спектры поглощения образцов измерялись на спектрофотометре Varian Cary 500 (оптическая плотность D = 0-4, спектральный диапазон регистрации 300-3300 нм, с

шагом 0,1 нм). Из спектров поглощения были рассчитаны сечения поглощения. Для расчета радиационного времени затухания люминесценции ионов эрбия применялась формула Фюхтбауэра - Ланденбурга (1):

х-1 = 8 с • п2 • V2 • - -Ja abs

7

где с - скорость света, п - показатель преломления стекла, ~ - средняя частота полосы, |а аЬх - интегральное сечение поглощение основного резонансного перехода

41  Л1 /

11V 13/ /2 /2

№ образца NEr,1020 cm"3 Nyb,1020 см"3

Ep0 0

Ep1 0,5

Ep2 1

Ep3 2,1 19

Ep4 4,2

Ep5 8,5

Ep6 9,5

Таблица 1. Эрбиевый фосфатный ряд

№ образца NEr,1020 CM-3 Nyb,1020 см"3

Es0 0.0

Es1 0.26

Es2 0,56 17.8

Es3 1,13

Es4 2,26

Таблица 2. Эрбиевый силикатный ряд

№ образца NEr,1020 CM-3 NYb,1020 cm"3

Yp0 0

Yp1 1,05

Yp2 0.29 2,09

Yp3 3,14

Yp4 4,17

Yp5 5,24

Таблица 3. Иттербиевый фосфатный ряд

Схема экспериментальной установки для определения времени затухания люминесценции в иттербий-эрбиевых образцах представлена на рис. 1.

Кинетика затухания люминесценции ионов эрбия (1 = 1535 нм) и ионов иттербия (1 = 1060 нм) измерялась при возбуждении параметрическим генератором LP-604 (Ipump = 975 нм) (1), накачиваемым второй гармоникой импульсного неодимового лазера LQ-129 фирмы Solar Laser system (1 = 532 нм). С помощью линзы (3) сигнал люминесценции фокусировался на входные щели монохроматора Acton SP-150 (4), который выделял требуемую длину волны, далее кривые затухания люминесценции регистриро-

вались InGaAs приемником (5) и фиксировались цифровым запоминающим осциллографом (модель «Infinium HP54830» фирмы «Agilent Techologies») (6). Далее время жизни определялось через отношение площади под кривой затухания к ее амплитуде.

Рис. 1. Схема установки для определения времени затухания люминесценции: 1 - импульсный лазер LQ-129 с параметрическим генератором LP-604

фирмы Solar Laser system, 2 - образец в форме плоскопараллельной пластины, 3 -короткофокусный объектив, 4 - охлаждаемый монохроматор, 5 - приемник, 6 - цифровой запоминающий осциллограф

Все измерения проводились при комнатной температуре.

Квантовый выход люминесценции основного резонансного перехода 4/15/ 4/

13/

рассчитывался по формуле (2):

q =

•100.

где тэксп - экспериментально определенное время жизни люминесценции перехода

4 т 4 т 4 т 4 т

115/  11Ъ/, трад - радиационное время жизни люминесценции перехода 115/  1ХЪ/.

/2 /2 /2 /2

Вероятность безызлучательной передачи возбуждения с иона иттербия на эрбий находилась по формуле

h = 1 -

'Yb-Er>

'•Yb

где туь- экспериментально определенное время жизни люминесценции перехода 2F5/22F7/2 образца, не содержащего ионы эрбия, туь-Ег - экспериментально определенное время жизни люминесценции перехода 2F5/22F7/2 образца, содержащего ионы эр-

бия и иттербия.

Результаты и обсуждение

На рис. 2 представлены зависимости времени жизни люминесценции (тЕг) для перехода 41]з/2  41}5/2 ионов эрбия. С увеличением концентрации Ег3+ время жизни люминесценции уменьшается (рис. 2а) как для фосфатной, так и для силикатной матрицы.

6

Это обусловлено двумя факторами: тушением возбуждения на ОН-группах [4, 5] и нелинейным ап-конверсионным тушением люминесценции [6-8].

о 10 2

.. „.„20 -3 ^г*10 , см

5 6

М^, Ю21 см-3

а б

Рис. 2. Зависимость времени затухания люминесценции для лазерного перехода 411з/2  41ш2: а - от концентрации эрбия, б-от концентрации иттербия

На рис. 26 представлена зависимость Тег от концентрации ионов иттербия. Видно, что время жизни люминесценции увеличивается на 15% при изменении концентрации ионов иттербия от 0 до 4,17-1021 см-3. В случае метафосфата иттербия (концентрация 5,24-1021 см-3) тЕг увеличивается на ~9%, по отношению к образцу с концентрацией 4,17-1021 см-3. Такое изменение может быть связанно с тем, что при отсутствии иттербия ионы эрбия (образец Ур0) находятся в окружении ионов лантана. При увеличении концентрации иттербия в окружении ионов эрбия уменьшается количество ионов лантана и возрастает количество ионов УЬ3+ (образец Ур1-Ур4). В предельном случае -метафосфате иттербия (образец Ур5) - окружение эрбия состоит только из ионов УЬ3+. А поскольку иттербий и лантан относятся к разным кристаллохимическим группам, это и приводит к изменению спектрально-люминесцентных свойств иона эрбия.

100 90 80 70 60 50 40 30 20

1 1 1 1 1 1 1 1 -  о 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1  Фосфатный ряд _ Мь=19*1020 ст-3  Силикатный ряд . N^=17,8*1020 ст-3 -

- "Х.^ ........ __   ^ ...........

5 6 7 ,20 „..-3

МЕГ*1, см

78

76

74

72

70

68

Ч021 см-3

б

Рис. 3. Зависимость квантового выхода люминесценции (д) от концентрации: а - иттербия; б - эрбия в силикатных и фосфатных стеклах

8

9

2

3

4

5

6

На рис. 3 представлена зависимость квантового выхода люминесценции q для перехода 1}3/2  1]5/2 ионов эрбия от концентраций ионов активаторов. Квантовый выход с увеличением концентрации эрбия ионов уменьшается (рис. 3а). Это связано с ростом нелинейных потерь, обусловленных ап-конверсионным тушением люминесценции [68]. При увеличении концентрации ионов иттербия (рис. 36) до 4,17-Ю21 см-3 квантовый выход люминесценции увеличивается. Дальнейшее увеличение концентрации иттербия приводит к уменьшению q. Увеличение квантового выхода люминесценции связано с ростом эффективности передачи возбуждения от ионов иттербия к эрбию. Уменьшение квантового выхода люминесценции для метафосфата иттербия, активированного эрбием (5,24-1021 см-3) связанно с увеличением радиационного времени жизни люминесценции до 11,7 мс из-за изменения контура поглощения перехода 1}3/2  1ц/2, связанного с нахождением ионов эрбия в окружении ионов иттербия.

Рассмотрим зависимости вероятностей безызлучательного переноса энергии ^ с ионов иттербия на ионы эрбия от концентраций ионов активаторов (рис. 4).

95

90

85

80

75

70

65

Ыуь *1021 см"3

а б

Рис. 4. Зависимость вероятности безызлучательного переноса возбуждения от концентрации ионов: а - эрбия; б - иттербия

При увеличении концентрации ионов активаторов вероятность переноса энергии возрастает, так как при увеличении концентраций расстояния между ионами уменьшается. Это приводит к увеличению вероятности безызлучательного переноса энергии с иттербия на эрбий. Наибольшее значение ^ - 94 % - достигается для образца Ер6 (Кбг=9.5-1020 см"3, Куь=19-1020 см"3), минимальное - Еб1 (Кег=0.26-1020 см"3, Куь=17.8-1020 см"3). При близких значениях концентрация ионов активаторов вероятность безызлучательной передачи энергии в фосфатных стеклах выше, чем в силикатных, что совпадает с известными литературными данными [4].

Заключение

2

3

4

5

6

Проведены исследования влияния концентраций ионов активаторов на квантовый выход люминесценции основного лазерного перехода ионов эрбия и безызлучательный перенос энергии с ионов иттербия на ионы эрбия в силикатных и фосфатных лазерных стеклах. Установлено, что квантовый выход люминесценции ионов эрбия уменьшается с увеличением концентрации эрбия ионов. Увеличение концентрации иттербия приводит к росту квантового выхода на ~ 15 %. Увеличение концентрации иттербия и эрбия приводит к росту вероятности переноса энергии возбуждения с ионов иттербия на эрбий. Полученные данные необходимы для определения предельных концентраций ио-

нов эрбия и иттербия в лазерном стекле, а также оптимизации их соотношения для наиболее эффективной работы микролазеров и планарных оптических усилителей света.

Литература

1. Snitzer E., Woodcock R. // Appl. Phys. Lett. 1965. V. 6. P. 45.

2. Рудницкий Ю.П., Шачкин Л.В., Залевский И.Д. О кинетике безызлучательного переноса энергии в фосфатных Yb-Er - стеклах, возбуждаемых диодным лазером. // М.: Наука. 2002, 197с., 282с.

3. Алексеев Н.Е., Гапонцев В.П., Жаботинский М.Е., Кравченко В.Б., Рудницкий Ю.П. Лазерные фосфатные стекла. М.: Наука. 1980, 352 с.

4. Desurvire E. Erbium-doped Fiber Amplifiers, Wiley, New York, 1994.

5. Lunter S.G., Fyodorov Yu.K. Development of erbium laser glasses. // Proc. of F. Simp. Light materials, Laser Technology material for Optic Telecomm. 1994. V. 2. P. 327-333.

6. Nikonorov N.V., Przhevutskii A.K., Chukharev A.V. Characterization of non-linear upconversion quenching in Er-doped glasses modeling and experiment// J. of Non-Crystalline Solids. 2003. V. 324. P. 92-108.

7. Hwang B.-C., Jiang C., Luo T., Le Neindre L., Watson J., Peyghambarian N. Characterization of cooperative upconversion and energy transfer of Er3+ and Yb3+/Er3+ doped phosphate glasses. // Proc. of SPIE. 1999. V. 3622. P.10-18.

8. Sergeev S., Khoptyar D., Jaskorzynska B. Upconversion and migration in erbium-doped silica waveguides in the continuous-wave excitations switch-off regime. // Phys Review B. 2002. V.65. № 23. P. 233104/1-4.