Спектральные свойства высококонцентрированных иттербий-эрбиевых метафосфатных стекол для микролазеров

СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИТТЕРБИЙ-ЭРБИЕВЫХ МЕТАФОСФАТНЫХ СТЕКОЛ ДЛЯ МИКРОЛАЗЕРОВ

А.С. Златов, В.А. Асеев Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор Н.В. Никоноров

Исследованы спектральные свойства стекол, активированных ионами эрбия и иттербия с максимальными концентрациями иттербия. Измерены спектры поглощения и определены параметры Джадда-Офельта для метафосфата иттербия, активированного эрбием.

Введение

С момента получения первого индуцированного излучения ионов Er3+ 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, прежде всего, 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 низка 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+ (4I11/2) осуществляется главным образом через канал сенсибилизации Yb3+ — Er3+ (4I11/2) —Er3+ (l13/2). То есть при оптической накачке возбуждаются ионы Yb3+, а затем происходит безызлучательная передача энергии ионам Er3+ на уровень 4 I11/2, который является резонансным с метастабильным уровнем 4F5/2 ионов иттербия. В таких условиях энергетические характеристики эрбиевых лазеров в решающей степени определяются эффективностью безызлучательного переноса возбуждения в паре Yb3+- Er3+.

Эффективность безызлучательного переноса энергии сильно зависит от концентрации ионов иттербия, а также от матрицы стекла [4]. Типичные концентрации ионов иттербия в иттербий-эрбиевых лазерных фосфатных стеклах составляют (19-21)х10 см- [5-7]. Такие концентрации ионов иттербия позволяют осуществлять эффективную накачку и передачу возбуждения для концентраций ионов эрбия вплоть до 1х10 см- [4]. Дальнейшее увеличение концентрации ионов эрбия приводит к снижению эффективности безызлучательного переноса от иттербия к эрбию, что, наряду с другими факторами, например ап-конверсией, снижает эффективность лазера. Увеличение же концентрации иттербия может снизить пороги генерации, увеличить предельные концентрации ионов эрбия и улучшить генерационные свойства лазеров, работающих в режиме модулированной добротности [8]. Однако работы по созданию и исследованию стекол с высокими (более 21х1020 см-3) концентрациями ионов иттербия отсутствуют. В настоящей работе были синтезированы стекла, активированные ионами иттербия и эрбия вплоть до предельных концентраций ионов иттербия (до 52,4х1020 см-3), а также исследованы их спектральные свойства.

Объект исследования

В работе синтезированы эрбиевые метафосфатные стекла в системе 75P2O2— 25RE2O3 (мол.%), где RE2O3 = La2O3, Yb2O3, Er2O3. Стекла с переменным содержанием ионов иттербия были синтезированы в кварцевых тиглях при температурах 1450 °С -

1550 °С и отожжены при температурах 550 °С - 600 °С 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: 75P2O2-(25-x)La2O3-xYb2O3, где x=0; 5; 10; 15; 20; 25 (мол.%). Лри постоянной концентрации ионов эрбия 0,29х1020 см-3 изменялась концентрация ионов иттербия от 0 до максимально возможной - 52,4х1020 см-3 за счет замещения ионов лантана (табл. 1). Таким образом, первое стекло в этом ряду представляло собой метафосфат лантана, а последнее - метафосфат иттербия.

№ образца N&,1020 см-3 Nrb,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 Уапап Сагу 500 (оптическая плотность Б = 0-4, спектральный диапазон регистрации 300-3300 нм, с шагом 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 41,

15/2

1ц/2. Видно, что с увеличением концентрации иттербия коэффициент поглощения для длины волны 975 нм увеличивается, достигая максимального значения 47,5 см-1 при предельной концентрации иттербия 52,4х1020 см-3 (рис. 1, а).

У&г

1 -10,5*10™ см":

2 - 31,4'Ю20 см'

3 - 52.4*1021) см"'

1,0  0,8  0,6 -0,4  0,2

N '

950 1000 1050

X, нм

850 900 950 1000 1050 850 900

X, нм

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 [9]. Результаты представлены на

рис. 2.

0 12 3 4 5

N , 10!,смл

Рис. 2. Закон Бугера-Ламберта-Бера для метафосфатных эрбиевых стекол

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.

На рис. 1, б показано сравнение формы спектров поглощения иттербия, нормированных по максимуму, для образцов с минимальной (10,5x10 см- ) и максимальной (52,4х1020 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 41}5/2 ^ 41}з/2 (1,5 мкм) при разных концентрациях ионов иттербия. Из графиков видно, что с увеличением концентрации иттербия интенсивности полос уменьшаются (рис. 3, а). Более того, при нормировке этих спектров по максимуму (рис. 3, б) 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.

1-0 см3

3-52,4*10™ см

1,0 -

0.8 -

5 0.6

О

- 0.4

0.2 •

0.0

1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700 1400 1450 1500 1550 1600 1650 1700

X, KM 3t. нм

Рис. 3. Сравнение спектров поглощения ионов Er3+\ а) исходных, б) нормированных

по максимуму

Параметры Джадда-Офельта

Расчет параметров Джадда-Офельта [10, 11] проведен на основе определения сечений поглощения для электрических дипольных переходов. Получены три параметра Ц (^=2, 4, 6) (табл. 2).

Образец № О, 10-20 см2 О, 10-20 см2 Об, Ю-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

Как видно, увеличение концентрации ионов иттербия приводит к убыванию пара-

20 2 20 2 метров Джадда-Офельта: О2 уменьшается с 6,2x10" см до 5,7x10" см , О4 неравномерно убывает от 1,2x10-20 см2 до 0,7x10-20 см2, О значительно убывает от 0,6x10-20 см2 до 0,3 x10-20 см2. 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 - 52,4x1020 см-3. 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.

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. П. 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. Lunter S.G., Fyodorov Yu K., Development of erbium laser glasses. / Proc. of F. Simp. Light materials, Laser Technology material for Optic Telecomm. 1994, v2, p. 327-333.

6. Schott Glass Technologies «IOG-1 laser glasses».

7. Kigre Inc. «QX-type glass».

8. Georgiou E., Musset O., Boduqillon J-P, Denker B., Sverchkov S.E., 50mJ/30ns FTIR Q-switched diode pumped Er:Ybglass 1.54 |im laser. // Opt.Comm. 198 (2001). Р.147-153.

9. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука, 1976. 567 с.

10. Judd B.R. Optical absorption intensities of rare earth ion. // Phys. Rev. 1962. V. 127. № 3. Р. 750-761.

11. Ofelt G.S. Intensities of crystal spectra of rare earth ion // J. Chem. Phys. 1962. V. 36. № 3. Р. 511-520.