Электрические и магнитные спектры поляризованной люминесценции в стеклах, активированных эрбием

Литература

1. Tominaga J. The application of silver oxide thin films to plasmon photonic devices// J. Phys.: Condens. Matter 15, 2003. P. 1101-1122.

2. Stookey S.D., Beat G.K, Pierson J.E. Full-color photosensitive glass I J. Appl. Phys. 1978. V. 49. N10. P. 5114-5123.

3. Никоноров Н.В., Панышева Е.И., Туниманова И.В., Чухарев А.В. Влияние состава стекла на изменение показателя преломления при фототермоиндуцированной кристаллизации // Физ. и хим. стекла, 2001. Т.27 № 3. С. 365—376.

4. Житников П.А., Перегуд Д.Н. ЭПР исследования Ag и Ag2 центров в фосфатном стекле.//

5. ФТТ, 1975, 17, №6, С. 1655-1660.

6. Панышева Е.И., Соловьева Н.Д., Туниманова И.В. Взаимодействие УФ-излучения с мультихромным стеклом. // Физ. и хим. стекла, 1993. Т. 19. N° 1. С. 109-116.

7. Paje S.E., Garcia M.A., Villegas M.A., Plopis J. Optical properties of silver ion-exchangeed antimony doped glass// J. Non-Cryst. Solid 2000. P. 128-136.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СПЕКТРЫ ПОЛЯРИЗОВАННОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИИ В СТЕКЛАХ, АКТИВИРОВАННЫХ ЭРБИЕМ

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

Разработана методика, позволяющая раздельно регистрировать электрическую и магнитную компоненты в спектре поляризованной люминесценции эрбия в лазерных стеклах. С помощью методики была создана установка и измерены спектры поляризованной люминесценции для основного лазерного перехода 4Ii 3/2 4Ii5/2 при нерезонансном возбуждении.

Введение

Протяженность современных участков оптоволоконных линий составляет тысячи километров. Затухание сигнала и потери в волокне не позволяют на таком расстоянии доставить сигнал до приемника. И поэтому в настоящее время главной проблемой волоконно-оптической связи является широкополосное усиление сигнала. Для решения данной задачи используются планарные и волоконные оптические усилители света. Наиболее широкое применение на сегодняшний день получили усилители на волокне, легированном эрбием - EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifiers). Но при разработке протяженных (более 10 м) усилителей света возникает ряд поляризационных эффектов -выжигание поляризационных дыр (polarization hole burning) и поляризационно-зависимое усиление (polarization depending gain) [1-3]. Эти эффекты существенно ухудшают работу волноводного усилителя, понижая отношение сигнал/шум. В основе этих поляризационных эффектов лежит анизотропия поглощения и излучения оптических центров, отрытая в конце 50-х годов членом-корреспондентом академии наук СССР П.П. Феофиловым на примере атомов, молекул и кристаллов [4]. В связи с этим исследования поляризационной люминесценции активированных стекол на лазерных переходах в ИК-области становятся актуальными. Сравнительно недавно поляризованная люминесценция наблюдалась в лазерных стеклах, активированных эрбием [5]. Но до настоящего времени отсутствуют эксперименты по выделению в сложном контуре полосы 4I13/2^4I15/2 электрической и магнитной составляющей. Именно поэтому целью данной работы было экспериментальное исследование поляризованной люминесценции для основного лазерного перехода 4I13/2 ^ 4I15/2 эрбия в стеклах при нерезонансном возбуждении.

Методика эксперимента

Схема раздельной регистрации люминесценции электрических

и магнитных переходов

Применявшаяся в настоящей работе схема раздельной регистрации электрических и магнитных спектров является оригинальной (рис. 1, а). Она была предложена и впервые реализована для исследования стекол, активированных трехвалентными ионами европия [2]. В этой схеме направление наблюдения люминесценции (параллельно X) составляло прямой угол с направлением возбуждающего света (параллельно Y). В установке использовалось два поляроида. Один из них устанавливался в канале возбуждающего света, другой - в канале люминесценции. Поляроид в канале люминесценции мог занимать два фиксированных положения - параллельно оси Z и перпендикулярно оси Z.

±

Вектор линейного осциллятора

а).

б)-

Рис. 1. Принципиальная схема раздельной регистрации люминесценции, соответствующей электрическим и магнитным переходам

Для повышения чувствительности регистрации применялась модуляционная методика, в которой поляроид в канале возбуждающего света вращался с частотой ш, а регистрация сигнала осуществлялась на частоте 2ш. Этот сигнал пропорционален только интенсивности электрических переходов (II) в случае регистрации света люминесценции, поляризованного параллельно оси Z, и пропорционален только интенсивности магнитных переходов ([^) при регистрации света люминесценции, поляризованного перпендикулярно оси Z.

Схема эксперимента

Схема экспериментальной установки, использовавшейся для селективного измерения люминесценции соответствующей магнитным и электрическим переходам, изображена на рис. 2.

Рис. 2. Экспериментальная установка: 1 - Nd-лазер (А = 532 нм), 2 - кристалл шпата, 3 - вращающийся поляризатор, 4 - образец, 5 - пленочный поляризатор, 6 - линза, 7 - монохроматор, 8 - InGaAs-приемник, 9 - цифровой синхронизированный усилитель

Линейно поляризованное излучение неодимового лазера с удвоением частоты 532 нм (модель Millennia-Xs, Spectra Physics) (1) при помощи плоскопараллельной пластинки исландского шпата (2) преобразовывалось в излучение с круговой поляризацией. Люминесценция образца (4) возбуждалась линейно-поляризованным светом, вращающимся с частотой ш (3). Далее излучение фокусировалось линзой (6) на щель мо-

нохроматора (модель Acton-300, Acton Research Corporation) (7), регистрировалось приемником (модель ID-441, Acton Research Corporation) (8) и усиливалось на цифровом усилителе (модель SR850 фирмы «Stanford Research Systems») (9), синхронизованном с вращением поляризатора. При помощи поляризатора (5) вырезалась поляризация Ii или Il-

Объект исследования

В работе исследовались фосфатные и силикатные стекла, активированные ионами Er3+ с содержанием эрбия 0.1, 0.2, 0.4, 0.8 и 1.6 мол.%. Образцы представляли собой полированные пластинки, у которых были отполированы 4 грани, с целью предотвращения деполяризации как возбуждающего света, так и света люминесценции. Толщина пластинок была выбрана такой, чтобы уменьшить реабсорбцию света люминесценции.

Результаты и обсуждения

В качестве основного экспериментального подхода применялось исследование поляризованной люминесценции, которая возникает при возбуждении линейно поляризованным светом. Ввиду неупорядоченной структуры стекла эрбиевые центры не обладают симметрией, и вырождение их энергетических уровней снимается настолько, насколько это возможно в отсутствии магнитного поля. А именно, так как число электронов на 4^оболочке нечетно - 11, то каждый уровень представляет собой дважды вырожденный крамерсов дублет. Поэтому состояния оптического центра в матрице не характеризуются определенной четностью, и запрет на электрические дипольные переходы снимается. Но степень снятия запрета невелика. Она определяется воздействием окружения на состояния 4^оболочки. Эксперименты показывают, что интенсивности возникающих при этом электрических переходов сопоставимы по величине с интен-сивностями магнитных переходов.

Рис. 3 демонстрирует спектры люминесценции, измеренные отдельно для электрических и магнитных переходов. Из рис. 3 видно, что для обоих типов стекол (фосфатное и силикатное) спектры электрических и магнитных переходов различны.

1SM 1440

алйм волны мм

1550 1600

длина волны X, нм

Рис. 3. Спектры люминесценции для электрических

Были проведены исследования концентрационной зависимости спектров поляризованной люминесценции соответствующим электрическим и магнитным переходам (рис. 4 и 5).

Рис. 4. Спектры люминесценции фосфатных стекол, активированных ионами эрбия, электрических

л ни-» полны к. пм длина аолны )-, им

Рис. 5. Спектры люминесценции силикатных стекол, активированных ионами эрбия, электрических

Из рисунков видно, что как для фосфатных (рис. 4), так и для силикатных (рис. 5) стекол увеличение концентрации приводит к уменьшению различия между спектрами люминесценции магнитных и электрических переходов. При увеличении концентрации Ег20з до 0.8 мол.% исчезают различия между спектрами переходов в фосфатных стеклах (рис. 4). Для силикатных стекол различия в спектрах пропадают уже при концентрации 0.4 мол.% эрбия. Это можно объяснить хорошо известным эффектом концентрационной деполяризации [4]. 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.

Заключение

Была разработана и создана методика, позволяющая отдельно регистрировать электрическую и магнитную компоненты в спектре поляризованной люминесценции основного лазерного перехода фосфатных и силикатных эрбиевых стекол при нерезонансной накачке линейно поляризованном светом Хв03б = 532 нм. В итоге были впервые получены по отдельности электрический и магнитный спектры люминесценции в области сложного контура полосы 4[13/2 ^ 4[15/2. Показано различие между спектрами люминесценции магнитных и электрических переходов в как в фосфатном, так и в сили-