Влияние мощности накачки на спектрально-люминесцентные характеристики высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол

ВЛИЯНИЕ МОЩНОСТИ НАКАЧКИ НА СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХИТТЕРБИЙ-ЭРБИЕВЫХ

СТЕКОЛ

В.А. Асеев, К.О. Губанов, А.М. Ульяшенко Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор Н.В. Никоноров

В работе исследовано влияние мощности накачки на спектрально-люминесцентные характеристики высококонцентрированных фосфатных иттербий-эрбиевых стекол с различным содержанием ионов-активаторов. Показано, что увеличение мощности накачки и концентрации ионов-активаторов приводит к повышению температуры активной среды.

Введение

На протяжении нескольких последних лет в телекоммуникациях и телеметрии активно используются волноводные усилители и микролазеры, активной средой которых является фосфатное стекло, активированное ионами Ег и УЬ. При разработке таких устройств решаются задачи, в первую очередь связанные с их миниатюризацией, повышением эффективности и увеличение мощности. Осуществление этих задач возможно при увеличении концентрации ионов активаторов. В свою очередь, увеличение накачки может приводить к деформации (искажению) спектра люминесценции (и, соответственно, усиления), что в конечном итоге будет влиять на работу усилителя. Так, например, в работе [1] обнаружено, что при высоких накачках > 30%, где N - населенность на метастабильном уровне 41}3/2и N - концентрация ионов эрбия) спектры люминесценции эрбиевых стекол деформируются. Авторы этой работы объясняли такое искажение спектра нагревом активной среды. В настоящей работе исследовано влияние мощности накачки на спектрально-люминесцентные характеристики высококонцентрированных фосфатных иттербий-эрбиевых стекол с различным содержанием ионов-активаторов.

Объект исследования и методика эксперимента

В работе были исследованы два концентрационных ряда фосфатных стекол: первый - с переменным содержанием ионов эрбия, второй - с переменным содержанием ионов иттербия.

Ряд стекол с переменным содержанием ионов эрбия синтезировался в кварцевых тиглях на 150-200 г из смеси сухих метафосфатов стекла при температурах 1250-1280 0С с отжигом при 520-540 0С в зависимости от состава. Стекла с переменным содержанием ионов иттербия были синтезированы в платиновых тиглях при температурах 1450-1550 0С с отжигом при 550-600 0С в зависимости от состава. Таким образом, были получены следующие концентрационные серии стекол:

1. вес.% 9,2Ва0-6,8К20-19УЬ20з-(9,8-х)Ьа20з-х Ег20з-55,2Р205 , где х - 0,5; 1,0; 2,0;

4,0; 8,0; 9,0.

2. мол.% ((25-х)Ьа20з - хУЬ20з) - 75Р20з: Ег20з, где х - 0, 5, 10, 15, 20, 25.

Полученные данные представлены в табл.

В работе были исследованы изменения спектров люминесценции фосфатных стекол при различных мощностях накачки. Спектры снимались при мощностях излучения накачки 20-770 мВт.

Для записи спектров люминесценции использовалась экспериментальная установка (рис. 1).

Концентрации эрбия для ряда с переменным содержанием Er3+ Концентрации иттербия для ряда с переменным содержанием Yb3+

№ образца Вес.% N, -1020 cm-3 № образца Мол.% N, -1020 cm-3

E1 0.5 0.5 Y1 0 0

E2 1.0 1.0 Y2 5 1,05

E3 2.0 2.1 Y3 10 2,09

E4 4.0 4.2 Y4 15 3,14

E5 8.0 8.5 Y5 20 4,17

E6 9.0 9.5 Y6 25 5,24

N7è=19-1020cm"3 N&=2,9-1020 cm-3

Таблица. Характеристики стекол

10

i

2

/ \

l У

4 5 6

7 8

3

9

Рис. 1. Схема установки для записи спектров люминесценции:1 - лазер (модель Millennia-Xs, Spectra Physics), 2 - модулятор, 3 - фокусирующая линза, 4 - образец,

5 - фильтр КС-15, 6 - фокусирующая линза, 7 - монохроматор, 8 - приемник, 9 - усилитель (модель SR850, Stanford Research Systems), 10 - компьютер

Люминесценция эрбия возбуждалась титан-сапфировым лазером с 1=975 нм (модель Millennia-Xs, Spectra Physics) (1), промодулированым механическим модулятором с частотой 10 Гц. Диапазон исследования 1400-1700 нм. Сигнал люминесценции регистрировался при помощи монохроматора (модель Acton-300, Acton Research Corporation) (7) и приемника InGaAs (модель ID-441, Acton Research Corporation) (8). Для улучшения дискриминации света люминесценции и возбуждающего света после образца располагался фильтр ТС-3. Сигналы от приемника усиливались и обрабатывались при помощи цифрового синхронного усилителя (модель SR850 фирмы «Stanford Research Systems»).

Измерения спектров люминесценции были проведены на образцах размером 10^10 мм и толщиной от 0,5 до 3 мм. Толщина образцов выбиралась в зависимости от концентрации активатора, чтобы уменьшить эффект реабсорбции люминесценции.

Предполагая, что при минимальной мощности накачки искажения спектра люминесценции незначительны, был получен «эталонный» спектр люминесценции. Далее

мощность накачки увеличивалась, записывался следующий спектр люминесценции, и т.д. Для сравнения формы спектров люминесценции, полученных при различных мощностях накачках, они были нормированы на площадь (рис. 2). Путем вычитания «эталонного» спектра люминесценции были получены разностные спектры (рис. 3), которые позволяют судить об изменениях формы контуров при различных мощностях накачки. Видно, что в зависимости от мощности накачки при постоянной концентрации ионов Ег3+ формы спектров меняются. Одной из причин такого изменения является то, что увеличение мощности накачки приводит к росту температуры, что, в свою очередь, ведет к нарушению равновесия электронных переходов между уровнями 41}3/2 и 41}5/2 иона эрбия.

ч

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

1 — — 50 мВт

2-- — 340 мВт

3 — — 470 мВт

4 -— — 770 мВт

1400 1450 1500 1550

Длина волны, нм

1600

1650

Рис. 2. Зависимость формы спектра люминесценции перехода 4113/2 4115/2 ионов эрбия от мощности накачки. Спектры люминесценции нормированные на площадь. Концентрация ионов эрбия 2.1 -1020 см"3, ионов иттербия 19-102

^20 см"3

.0,5 —1—1—1—I 1450

1500

1550

Длина волны, нм

1600

1650

Рис. 3. Разностный спектр люминесценции при различных мощностях накачки. Концентрация ионов эрбия 2.1-1020 см"3, ионов иттербия 19-1020 см"3

Рис 4. Концентрационная зависимость разностного спектра люминесценции.

Мощность накачки 770 мВт. Концентрация ионов иттербия 19 1020 см"3

К росту температуры образца приводит увеличение доли безызлучательных потерь, например, тушение возбуждения на ОН- группе. Для оценки влияния концентрации ионов Ег3+ на изменение формы спектра люминесценции были выбраны образцы с приблизительно одинаковым содержанием воды (рис. 4). Оценка содержания ОН-групп производилась по значению коэффициента поглощения в районе пика поглощения воды на длине волны 3300 нм. Видно, что при росте концентрации ионов Ег3+ искажения спектров увеличиваются.

Рассмотрим влияние концентрации ионов иттербия на изменения контура люминесценции ионов эрбия (рис. 5). Аналогичным образом, для исключения влияния ОН" групп на нагрев были выбраны образцы с примерно одинаковым содержанием воды. Из графика видно, что увеличение концентрации ионов иттербия приводит к росту искажений. Это может быть связанно с увеличением мощности, поглощаемой в единице объема.

Длина волны, нм

Рис. 5. Концентрационная зависимость разностного спектра люминесценции. Концентрация ионов эрбия 0,29-1020 см"3

Используя данные методики определения температуры образца по разности спектров люминесценции, описанной в статье, и учитывая одинаковый химический состав наших образцов и образцов работы [1], можно провести оценку температуры нагрева образцов в зависимости от мощности накачки и концентрации ионов активаторов. Рис. 6 показывает, что с увеличением мощности накачки температура образца увеличивается и может достигать ~170 °С при падающей мощности 770 мВт. В свою очередь, увеличение концентрации эрбия и иттербия приводит к более существенному нагреву образца до ~200-300 °С (рис. 7, 8).

100 200 300 400 500 600 700 800 Мощность накачки, мВт

Рис. 6. Зависимость температуры образца от мощности накачки. Концентрация ионов эрбия 2,1 1020 см"3, ионов иттербия 19 1020 см"3

10

Концентрация ионов эрбия, 1020 cm-3

0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Рис. 7. Зависимость температуры образца от концентрации ионов Бг3+ при постоянной мощности накачки 770 мВт. Концентрация ионов иттербия 19 1020 см"3

Концентрация ионов иттербия *1021 cm-3

Рис. 8. Зависимость температуры образца от концентрации ионов Er3+ при постоянной мощности накачки. Концентрация ионов эрбия 0,29-1020 см"3

Заключение

В работе исследовано влияние мощности накачки на спектрально-люминесцентные характеристики высококонцентрированных фосфатных иттербий-эрбиевых стекол с различным содержанием ионов-активаторов. Показано, что при уве-

т- 3+

личении концентрации ионов Er и поднятии мощности накачки происходит повышение температуры активной среды до 300°С. Полученные результаты необходимо учитывать при разработке микролазеров и планарных оптических усилителей света на основе высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол.

Литература

1. Nikonorov N., Przhevuskii A., Lunter S. Effect of heating on spectral characteristics of Er-doped laser glasses. Part of the SPIE Conference on Rare-Earth-Doped Materials and Devises III, San Jose, California, January 1999. // SPIE. Vol.3622. P.144-152.