Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 8
1.1 Спектроскопические свойства ионов хрома Сг3+ и Сг4+ в твердотельных матрицах
1,2 2Ионы хрома в силикатных стёклах с высоким содержанием S1O2 12
1.3 Безызлучательная релаксация ионов хрома в стёклах 15
1.4 Выводы 20
Глава 2. Методы изготовления и исследования заготовок и волоконных световодов 21
2.1 Общее описание процесса изготовления световода 21
2.2 Технология изготовления и характеристики образцов с сердцевиной из алюмо-, галлиево- и германосиликатного стекла 22
2.3 Спектроскопия оптических потерь в световодах 25
2.4 Методы исследования люминесценции 28
2.5 Спектроскопия комбинационного рассеяния и рентгенографический анализ 32
2.6 Методика отжига световодов и заготовок 33
Глава 3. Оптические свойства исходных световодов и заготовок 34
3.1 Спектры поглощения, частичная стабилизация ионов хрома в состоянии Сг4+ 34
3.2 Люминесценция ионов Сг4+ и Сг3* 38
3.3 Выводы 43
Глава 4. Оптические свойства световодов и заготовок после отжига 44
4.1 Изменения в спектрах оптических потерь, частичное восстановление ионов хрома до состояния Сґ*+ 44
4.2 Спектры, спектры возбуждения, кинетика и квантовый выход люминесценции иона Сг + 50
4.3 Сравнение спектров комбинационного рассеяния в исходных и отожжённых световодах и заготовках 73
4.4 Перезарядка ионов хрома в результате отжига 76
4.5 Проявление неупорядоченности структуры стекла в люминесцентных свойствах ионов хрома 83
4.6 Эффективность люминесценции ионов Сг3* и Сг4+ и симметрия их ближайшего окружения 86
4.7 Выводы 92
Заключение 94
Литература 96
- 2Ионы хрома в силикатных стёклах с высоким содержанием S1O2
- Технология изготовления и характеристики образцов с сердцевиной из алюмо-, галлиево- и германосиликатного стекла
- Люминесценция ионов Сг4+ и Сг3*
- Спектры, спектры возбуждения, кинетика и квантовый выход люминесценции иона Сг +
Введение к работе
Проблема создания широкополосных источников излучения (особенно в
ближней ИК области) является одной из важных задач прикладной оптики [1-3]. Такие
источники могут выступать в роли широкополосных усилителей, перестраиваемых
лазеров с непрерывной перестройкой длины волны излучения, лазеров
ультракоротких импульсов, которые находят своё применение как в научно-
исследовательских задачах, так и для прикладных целей (оптическая когерентная
томография, волоконная оптика, медицина и т.д.) [4-6]. Существующие на данный
момент лазеры и усилители такого типа, например, лазеры на красителях,
твердотельные лазеры на кристаллах (Ті:сапфир, Сг: форстерит, Сг: александрит) и
другие типы лазеров достаточно дорогостоящи, сложны в изготовлении, не
удовлетворяют требованиям компактности и простоты в использовании и
обслуживании и поэтому применяются в основном в лабораторных условиях. Поэтому
в последнее время растёт интерес к лазерам и усилителям на основе стекла и
стеклокерамики, как к значительно более дешёвым и простым в изготовлении
приборам [7]. При этом наиболее перспективным, по-видимому, является
использование в качестве активного вещества ионов переходных металлов,
электронной структурой которых обусловливаются их широкие полосы
люминесценции (100-500 нм) в видимой и ближней ИК областях [4, 8]. Кроме того,
широкие полосы поглощения этих ионов в видимом диапазоне позволяют
использовать широкополосную накачку [4]. Одним из наиболее изученных и часто
' используемых для получения широкополосной генерации элементов группы
переходных металлов является хром. В частности, ион Сг3* люминесцирует в видимой
и ближней ИК-областях спектра с максимумом в районе 750-1100 нм (в зависимости от основы) и шириной полосы порядка нескольких сотен нанометров [9]. Полоса люминесценции иона Сг4+ несколько сдвинута в длинноволновую область спектра и перекрывает телекоммуникационное окно прозрачности волоконных световодов на 1300 нм, что позволяет надеяться на применение широкополосных лазеров и усилителей на основе этого иона в волоконно-оптических линиях связи [9,10]. Кроме того, стёкла и кристаллы с ионом Сг4+ могут рассматриваться как насыщающиеся поглотители в ближней ИК-областит что важно при создании лазеров сверхкоротких импульсов [11].
Использование волоконного световода в качестве лазера или усилителя имеет определённые преимущества [7, 12], так как волноводная структура позволяет избежать расхождения излучения накачки в среде и, таким образом, обеспечить высокую плотность мощности вдоль всей длины световода, что позволяет снизить мощность порога генерации. Малые поперечные размеры. волокна приводят к эффективному сбросу тепловой энергии в окружающее пространство, что снижает требования к охлаждающей системе. Использование в качестве источников накачки лазерных полупроводниковых диодов приводит к малым размерам и компактности всего прибора.
Одним из наиболее широко используемых методов промышленного производства телекоммуникационных световодов является метод химического осаждения из газовой фазы (modified chemical vapor deposition, MCVD). Данная технология изготовления световодов обеспечивает низкое содержание нежелательных примесей. Однако на производство световодов методом MCVD наложены определённые ограничения, обусловленные его спецификой. Обычно световоды
изготавливаются на основе кварцевого стекла, при этом не все легирующие добавки и элементы могут быть введены в стекло сердцевины в необходимых концентрациях.
В связи со всем вышеизложенным, представляет интерес исследование оптических свойств волоконных световодов, содержащих в стекле сердцевины ионы переходных металлов и изготовленных методом MCVD, а также исследование влияния дополнительных обработок на эти свойства. Эта задача имеет кроме прикладного и фундаментальное значение. Несмотря на интенсивные исследования хрома в различных матрицах [9], всё ещё остаётся широкое поле для изучения этого элемента в стёклах, так как спектроскопические свойства ионов переходных металлов характеризуются высокой чувствительностью к составу стекла и способу изготовления. Особый интерес в данном контексте представляет исследование волоконных световодов, так как специфические условия их изготовления, в частности, высокая скорость остывания в процессе вытягивания, недостижимая при изготовлении объёмных образцов стекла, предоставляют качественно новые объекты для исследования.
Данная работа посвящена исследованию оптических свойств силикатных волоконных световодов, изготовленных методом MCVD с введением хрома методом пропитки, а также влияния высокотемпературной обработки (~1000С) на эти свойства. Отметим, что к началу этой работы существовало всего несколько публикаций [13, 14], посвященных данной тематике, что дополнительно обусловило необходимость исследований, представленных в диссертации.
Материалы, включённые в диссертацию, опубликованы в 5 статьях и препринтах и 4 докладах, представленных на международных конференциях, ссьшки на которые выделены в списке литературы курсивом.
2Ионы хрома в силикатных стёклах с высоким содержанием S1O2
При производстве световодов методом MCVD оболочка световода практически полностью, а сердцевина, как правило, более чем на 90% состоят из стеклообразного диоксида кремния Si02. Основной легирующей добавкой, формирующей профиль показателя преломления в телекоммуникационных световодах, является диоксид германия Ge02, В активных световодах, легированных ионами редкоземельных элементов, для этой цели обычно применяется оксид алюминия А12Оз [33]. Кроме того, в данной работе для формирования профиля показателя преломления использовался оксид галлия СагОз. Поэтому представляет интерес рассмотрение свойств ионов хрома в кварцевом, германо-, алюмо- и галлиевосиликатном стёклах. Для ионов хрома энергетически наиболее предпочтительной является степень окисления +3 и октаэдр ическое окружение [34]. В кварцевом стекле ионы хрома в основном присутствуют в степенях окисления +3 в октаэдрическом окружении и +6 в тетраэдрическом [15]. Между этими состояниями в силикатных стёклах существует окислительно-восстановительное равновесие, находящееся в зависимости от химического состава основы и условий изготовления [15]. Ион Сг + рассматривается как промежуточное состояние в этой реакции и наблюдается при специфических условиях производства, в частности, при избытке окислителей и низкой температуре изготовления [35, 36]. Появление этой степени окисления характерно при производстве стёкол методом золь-гель [37, 38]. Ион Сг4+ не является промежуточной стадией в реакциях окислительно-восстановительного равновесия и не наблюдается в чистом кварцевом стекле [10, 15]. При легировании кварцевого стекла диоксидом германия атомы германия замещают атомы кремния в кислородных тетраэдрах. Благодаря одинаковым степеням окисления оксидов кремния и германия диоксид германия может быть введён в кварцевое стекло без образования микронеоднородностей в относительно высоких концентрациях, до 15 мол.%. В германосиликатных стёклах, при легировании в указанных пределах, присутствуют, по-видимому, те же степени окисления ионов хрома, что и кварцевом стекле.
Однако для атомов германия возможна также октаэдрическая координация, что вероятно, благоприятно для встраивания ионов Сг3 . Так, в работе [14] в германосиликатной заготовке с примесью хрома выявлена только степень окисления +3. Ионы алюминия и галлия имеют степень окисления +3. При этом для алюминия наиболее предпочтительным является октаэдрическое окружение, а для галлия тетраэдрическое [34]. В результате отличия в степени окисления этих ионов от ионов кремния их встраивание в сетку БЮг затруднено. Для встраивания этих ионов в кислородные тетраэдры такой сетки требуются компенсаторы заряда [39]. В случае малых концентраций этих примесей компенсация происходит, по-видимому, за счёт образования собственных кислородных дефектов сетки кварцевого стекла, существование которых в алюмо- и галлиевосиликатных стёклах продемонстрировано в работе [15]. При концентрации А1203 свыше 10 мол.% прозрачное стекло получить практически невозможно, по-видимому, вследствие кристаллизации [33, 40, 41]. Быстрое остывание способствует получекию более однородной оптической структуры. Добавка компенсаторов заряда (Na, Mg) позволяет увеличить уровень легирования алюминием [33,40]. Ион Сг4+ образуется в алюмо- и галлиевосиликатных стёклах при концентрациях модификаторов сетки выше 60 мол.% [10, 15]. Стабилизация этого состояния, судя по ряду работ, происходит за счёт окисления ионов Сг3"1" тетраэдрическими комплексами [АЮ У и [GaCv]". Следует отметить, что при концентрациях диоксида кремния, превышающих 90%, Сг4+ в стёклах не наблюдается [37]. Специальные исследования силикатных световодов с примесью ионов хрома, проводимые в последнее время, немногочисленны. В частности, авторы [13,14] наблюдали ионы хрома в алюмосиликатных световодах с преимущественным содержанием SiC 2 только в степени окисления +4, однако объяснения этого наблюдения не было приведено. Насколько известно, до сих пор генерация на ионах хрома в стёклах не получека (в отличие от кристаллов). Поэтому представляет интерес получение стеклокерамики с ионами хрома в кристаллической фазе. Для изготовления стеклокерамики однородное многокомпонентное стекло подвергают высокотемпературной обработке (700-1100C). При предварительном отжиге в стекле происходит образование центров кристаллизации (нуклеация), а затем, при повышении температуры, образование микрокристаллов [42]. При правильно выбранном температурном режиме образуются кристаллы малого размера (-10 нм) [43, 44], что способствует увеличению прозрачности материала. Образование определённой кристаллической фазы определяется соотношением между компонентами исходного стекла. Очевидное требование к стеклокерамике заключается в том, чтобы ионы хрома находились в основном в кристаллической фазе. В ряде случаев в стекло добавляются примеси, стимулирующие нуклеацию. Хром, по-видимому, является эффективным стимулирующим агентом [37] (известно, что даже при концентрациях оксида хрома ниже молярного процента происходит расстекловывание Si02 [31]). Таким образом, силикатные стёкла с примесью хрома могут служить материалом для получения стеклокерамики [45, 46]. Специфика световодной технологии и метода MCVD ограничивает количество возможных компонентов в составе стекла и их концентрации. Хотя известны алюмосиликатные стеклокерамики с высоким содержанием Si02 [37, 35], нам известно только одно сообщение о получении стеклокерамического световода с ионами хрома (Сг4+) в кристаллической фазе (форстерит), изготовленного методом двойного тигля [47].
Технология изготовления и характеристики образцов с сердцевиной из алюмо-, галлиево- и германосиликатного стекла
Экспериментальные образцы были изготовлены методом MCVD. Состав стекла сердцевины заготовки формировался в процессе осаждения пористого слоя оксидов (Si02, А1г03) GeCh) из парогазовой смеси соответствующих хлоридов и кислорода и дальнейшей пропитки пористого слоя растворами солей Ga, Сг и Mg. Средние концентрации элементов в сердцевине определялись по данным рентгеновского микроанализа с относительной точностью порядка 1 % (Таблица 1а). В образцах GE1 и GE2 (Таблица 16) концентрация диоксида германия определялась исходя из профиля показателя преломления для образца GE1. Концентрация галлия для образца GE2 была определена исходя из профиля показателя преломления, по известной концентрации Ge02 в пористом слое заготовки GE2 и данным по образцу GA в предположении о линейной зависимости разности показателей преломления от концентрации Ga. Концентрация ионов хрома в растворе для пропитки для образца GE2 (примерно 0.1 г-и/л) совпадала со средней концентрацией для других образцов, а для GE1 превышала примерно её на порядок. Также в сердцевине световодов содержался фосфор, диффундировавший из буферного слоя, который был осаждён для снижения градиента вязкости между сердцевиной и оболочкой. Максимальная концентрация фосфора в сердцевине световодов составила примерно 0.5 ат.% в соответствии с данными рентгеновского микроанализа, при этом фосфор распределён неравномерно, так что в центральной части сердцевины его концентрация падает до нуля. Исключение составляют образец AL1, где фосфор содержится во всей сердцевине при средней концентрации порядка 0.15 ат.%, и образец GA, где фосфор не обнаружен. Концентрация хрома в сердцевине образцов, представленных в Таблице 1 а не превышала 0.04 вес.%. Из всех заготовок, за исключением заготовки AL, были вытянуты маломодовые (в спектральном диапазоне наблюдавшейся люминесценции) световоды с диаметром сердцевины — 10-14 мкм, длина волны отсечки более 3 мкм. Кроме того, из заготовок GA и AL были изготовлены два одномодовых световода (длина волны отсечки около 850 нм, значительная доля излучения люминесценции распространяется в одномодовом режиме).
Диаметр сердцевины одномодовых световодов составлял 3-4 мкм. Заготовки одномодовых световодов были получены путём двойного жакетирования исходных маломодовых заготовок для уменьшения относительного диаметра сердцевины, т.е. их растягивания и "нахлопывания" снаружи кварцевой трубы. Эти операции происходят при высокой температуре 2000С. Далее свойства одномодовых световодов рассматриваются отдельно, т.к. они обладают рядом особенностей по сравнению с малодовыми, что видимо, объясняется дополнительной высокотемпературной обработкой при жакетировании. Кроме того, в связи с меньшей площадью сечения сердцевины и, соответственно, большей плотностью мощности излучения возбуждения в световоде, нелинейные эффекты (зависимость интенсивности и формы полосы люминесценции от мощности излучения возбуждения) для этих световодов ярко выражены. Измерения в волоконных световодах производились в диапазоне 330-1600 нм так называемым методом "облома", т.е. путем последовательного измерения спектров пропускания на выходном торце длинного и короткого (после обламывания) световодов при фиксированном положении входного торца световода. Схема автоматизированной экспериментальной установки приведена на рис. За. Для удобства работы со световодами с высокими оптическими потерями (10-100 дБ/м) к исследуемым волокнам длиной 7-30 см были приварены отрезки германосиликатных световодов с низкими потерями (менее 0Л дБ/м в спектральном диапазоне 360-2000 нм) длиной около 1.5 м Потери на участках сварки составили по приблизительной оценке 1-2 дБ и имели слабую спектральную зависимость. Для проведения исследований при температуре 77 К отрезки исследуемых световодов помещались в дьюар с жидким азотом. Источником оптического излучения служила лампа накаливания КГМ-70. Приемниками излучения в видимом и ИК диапазоне были германиевый фотодиод ФД-5Г и кремниевый фотодиод ФД-24К, в УФ диапазоне -фотоэлектронный умножитель ФЭУ-100. Сигнал с выхода фотоприемника подавался на усилитель с синхронным детектором (модель 5610В, NF Electronic Instruments, Япония) и обрабатывался компьютером PC AT 486. При спектральном разрешении 1 нм динамический диапазон составлял более 30 дБ в области Х 300 нм.
Люминесценция ионов Сг4+ и Сг3*
Так как в большинстве световодов поглощение в основном определялось ионом Сг4+, максимум люминесценции ожидался в области 1200 нм. Для измерения люминесценции были использованы отрезки световодов с длиной, определённой по формуле (6), где оптические потери для люминесценции взяты для длины волны 1200 нм, а потери для излучения возбуждения взяты для длины волны 650 нм. При Т=77 К и при возбуждении на 568, 647 и 676 нм люминесценция была зарегистрирована в алюмосиликатных световодах AL2, AL3, галлиевосиликатном GA и германосиликатном GEL Наибольшая интенсивность люминесценции наблюдалась в световодах AL2, AL3 и GA, где ее спектр был измерен как при Т=77 К, так и при комнатной температуре. Кроме того, в световоде AL2 дополнительно использовалось возбуждение на длинах волн 740, 765, 781, 801 и 823 нм излучением лазера на Тіхапфире (мощность в световоде порядка 10 мВт), и также была зарегистрирована люминесценция. Люминесценцию не удалось зарегистрировать ни в одном световоде при возбуждении на длинах волн 476, 530 и 1064 нм. Следует отметить, что при возбуждении на 1064 нм ввиду отсутствия подходящего фильтра уровень шумов в области 1100 - 1200 нм более чем в три раза превышал соответствующий уровень для других измерений. Во всех случаях при комнатной температуре наблюдалась полоса одинаковой формы с центром примерно на 1120 нм и шириной около 300 нм. Повышение температуры приводило к понижению интенсивности полосы примерно на порядок и слабому сдвигу в коротковолновую сторону, однако подробный анализ формы полосы при комнатной температуре затруднён из-за больших шумов. Спектр люминесценции при Т=77 и 300 К для световода AL2 приведён на рис. 6. Полоса люминесценции при возбуждении на 647 нм несколько шире, чем при возбуждении на 765 нм. Одинаковая форма полосы является следствием того, что форма спектров потерь в световодах в ближнем ИК-диапазоне совпадала и при исследованиях были использованы эквивалентные отрезки световодов. Таким образом, влияние реабсорбции было одинаковым для всех световодов и полоса люминесценции относится к одному и тому же центру. Важным является вопрос о влиянии экспериментальной схемы на положение максимума люминесценции, т.к. коррекция спектра от аппаратной функции и реабсорбции не проводилась. Так, максимум люминесценции ионов Сг в силикатных стёклах обычно расположен в области 700 900 нм [65], а для Сг4+ в области длин волн более 1200 нм [65] (1140 нм в кристалле форстерита [20]). Максимум пропускания решёток монохроматора МДР-6У соответствует 1000 нм. При распространении компоненты люминесценции, проходящей весь отрезок световода, совместное влияние реабсорбции и уменьшения чувствительности германиевого приёмника на её интенсивность составляет коэффициент 0.78 на 1050 нм при 1 на 1100 нм. В то же время измеренная интенсивность люминесценции на 1050 нм составляет 0.76 от интенсивности в области 1100 нм.
Таким образом, учет влияния реабсорбции и аппаратной функции не приведёт к сдвигу максимума люминесценции в характерную для иона Сг3+ спектральную область. Учитывая также, что в спектрах потерь световодов (за исключением GE1) в видимой области не наблюдается характерных полос поглощения иона Сг3+, можно заключить, что люминесценция обусловлена ионом Сг4+. Квантовый выход люминесценции в маломодовых световодах Квантовый выход люминесценции при Т=77 и 300 К, рассчитанный по приближённой формуле (9), приведён в Таблице 2. Квантовый выход люминесценции при Т=77 К не зависел от длины волны возбуждения в диапазоне 568-823 нм для AL2 в пределах точности измерений. При возбуждении излучением на длине волны 647 нм в одномодовых световодах AL и GA при комнатной температуре наблюдается полоса люминесценции с интенсивностью, качественно более высокой, чем у полосы люминесценции в маломодовых световодах, отнесённой к иону Сг4+. Спектр люминесценции, не корректированный от реабсорбции, приведён на рис. 7. Максимум полосы люминесценции расположен в районе 1000 нм. Эта люминесценция, по всей видимости, является результатом появления полос поглощения Сг + и обусловлена этим ионом. В одномодовых световодах не удалось зарегистрировать полосу люминесценции иона Сг4+ с максимумом в районе 1100 нм, которая наблюдалась в маломодовых световодах, возможно в результате более низкой ожидаемой интенсивности люминесценции иона Сг4+ по сравнению с наблюдаемой люминесценцией иона Сг и значительного спектрального перекрытия обеих полос люминесценции. 3.3 Выводы На основании проведённых исследований можно сделать заключение о том, что при введении ионов хрома в низких концентрациях в силикатные световоды с высоким содержанием SiC»2 преимущественной степенью окисления ионов является +4 и +6. Этот эффект интересен с научной точки зрения, т.к. обычно стабилизация иона Сг4+ в силикатных стёклах происходит только в алюмо- и галлиевосиликатных составах с высокими концентрациями модификаторов сетки стекла [15]. В исследованных световодах впервые была зарегистрирована люминесценция иона Сг4+ при комнатной температуре. Спектры оптических потерь в маломодовых световодах Измерение спектров потерь после высокотемпературного отжига проводилось в алюмо- и галлиевосиликатных световодах, как обладающих наиболее выраженными люминесцентными свойствами. После отжига во всех световодах, кроме AL5, появляются характерные полосы поглощения иона Сг3+ в районе 430 и 640 нм, обусловленные, соответственно, переходами 4Аг - 4Т] и 4Аг - 4Т2 этого иона в октаэдрическом окружении (рис. 8) [15]. В этих световодах снижается поглощение в полосе иона Сг4+. Кроме того, полностью отжигается полоса поглощения иона Сг6+ (за исключением образца GA). Спектр световода AL5 с наибольшим количеством магния в сердцевине практически не меняется. Среднее значение силы поля Dq/B, вычисленное на основании спектров потерь, составляет 2.17 для алюмосшшкатных световодов AL2 и AL3 и 2.35 для галлиевосиликатного световода. Полученное для алюмосшшкатных световодов значение совпадает с данными, приводимыми в литературе [68]. Была предпринята попытка повлиять на спектры поглощения световодов путем аналогичного отжига заготовок. Однако оказалось, что световоды, вытянутые из заготовок, отожжённых при 1000С, имеют такие же спектры потерь, как и световоды, вытянутые из исходных неотожжённых заготовок. Этот результат не был неожиданным, поскольку процесс вытягивания световода при температуре около 2000С, очевидно, в значительной степени нивелирует различия в тепловой предыстории заготовок.
Спектры, спектры возбуждения, кинетика и квантовый выход люминесценции иона Сг +
Маломодовые световоды После отжига в алюмосиликатных световодах (кроме AL5) и галлиевосиликатном световоде появляется интенсивная люминесценция при комнатной температуре, спектры которой после коррекции влияния реабсорбции и спектральной чувствительности установки показаны на рис. 12. Для возбуждения люминесценции использовалось излучение с длинами волн 647 и 476 нм. Форма полос люминесценции не зависит от длины волны возбуждения в пределах точности измерений. Положение максимума люминесценции составляет около 830 нм для алюмосиликатных световодов и 785 нм для GA. Полосы излучения имеют ширину около 200 нм и длинноволновый хвост вплоть до 1200 нм. Квантовый выход люминесценции при возбуждении на 647 нм достигает 10% (Таблица 3). Постоянные времени затухания люминесценции при 77 и 300 К в отожжённых световодах приведены в Таблице 3. Видно, что их величины слабо зависят от температуры. Характеристики полос люминесценции в световодах после отжига позволяют заключить, что эта люминесценция обусловлена в основном ионом Сг34" [29,65]. Одпомодовые световоды Измерения спектров люминесценции проводились при комнатной температуре и 77 К для световодов, отожжённых при 720С, 850С и 970С по 2 часа (рис. 9, 10, кривые а), так как в этом случае наблюдалась наибольшая степень перезарядки ионов хрома. Коррекция влияния реабсорбции не проводилась, т.к. неоднородное распределение температуры в рабочей части печи приводило к неоднородному распределению потерь по длине световода. В спектрах люминесценции отчётливо проявляется неупорядоченность окружения ионов хрома в световодах. Поскольку каждый ион в стекле имеет в общем отличное от остальных окружение, как по симметрии, так и по средней силе кристаллического поля, то спектр поглощения данного иона отличается от остальных. При возбуждении на некоторой длине волны более эффективно возбуждаются ионы, которые обладают большим поглощением в данной спектральной области. Кроме того, ионы с различающимся ближайшим окружением характеризуются разной интенсивностью насыщения поглощения (и люминесценции). Эти факторы приводят к зависимости формы спектра люминесценции от длины волны и мощности возбуждения. Спектры люминесценции световода AL при комнатной температуре при мощности возбуждения 80 мВт приведены на рис. 13. Люминесценция возбуждается во всём диапазоне длин волн используемого лазера (Кг+). При возбуждении на 647.1 нм наблюдается широкая полоса с максимумом на 920 нм и шириной на половине высоты около 250 нм. Полоса люминесценции обусловлена переходом 4Тг - 4Аг иона - Сг3+ в октаэдрическом окружении [65]. При увеличении мощности излучения возбуждения до 760 мВт ширина полосы увеличивается за счёт сдвига её длинноволнового края на 14 нм. При возбуждении на 568.2 нм происходит сдвиг коротковолнового края полосы в сторону меньших длин волн. Максимум люминесценции сдвигается при этом на 880 нм.
При возбуждении с длиной волны от 568 нм до 501,7 нм происходит обратный сдвиг. При дальнейшем уменьшении длины волны возбуждения спектры практически не меняются. Разность между положениями коротковолнового края люминесценции на половине высоты при возбуждении на 647.1 и 501.7 нм составляет 20 нм. Зависимость интенсивности в максимуме люминесценции от мощности входного излучения имеет нелинейный характер (рис. 14). Измерение потерь методом облома на длине волны 647.1 нм при интенсивности лазерного излучения 760 мВт показало удовлетворительное совпадение полученной величины потерь с данными спектральных измерений при низкой интенсивности сигнала. На основании изложенного можно утверждать, что полоса люминесценции її неоднородно уширена в результате того, что ионы Сг находятся в неупорядоченном окружении. Такая ситуация является типичной для силикатных стёкол [46]. В данном случае дополнительным фактором, приводящим к уширению, служит неоднородный отжиг. При этом ионы, находящиеся в более слабом поле, имеют большую интенсивность насыщения, что приводит к уширению полосы в длинноволновую область при увеличении мощности возбуждения. При возбуждении на 568 нм, попадающем в полосу поглощения с центром на 560 нм, более эффективно возбуждаются ионы в сильном поле лигандов. Оценка мощности люминесценции путём интегрирования по спектру даёт значение 1.2 мкВт при максимальной мощности лазерного излучения 750 мВт (около 430 мВт вводится в световод) на длине волны 647.1 нм. Учитывая, что сигнал ослабляется примерно в 2-3 раза в результате использованной схемы ввода излучения в спектрометр, можно заключить, что достигнуты микроваттные мощности люминесценции на выходе из световода. При понижении температуры до 77 К оба края полосы люминесценции сдвигаются в длинноволновую область (рис. 15). Длинноволновый край люминесценции достигает 1600 нм, что является, по-видимому, наибольшим зарегистрированным значением для люминесценции данного иона. При возбуждении на 647.1 нм с лазерной мощностью 600 мВт максимум люминесценции сдвигается на Е 967 нм, и ширина полосы возрастает до 290 нм. Интенсивность в максимуме люминесценции увеличивается в 2.5 раза. Такое поведение характерно для неоднородно уширенной полосы при изменении вероятности безызлучательной релаксации вследствие изменения температуры. В спектре появляется асимметричная полоса в коротковолновой части с максимумом на 695 нм, обусловленная переходом 2Е - 4А2 иона в сильном поле лигандов. Ее интенсивность относительно интенсивности широкополосной люминесценции 4Тг - 4Аг возрастает с уменьшением мощности возбуждения, что указывает на меньшую интенсивность насыщения для этой полосы. Поэтому были проведены измерения на длинах волн 647.1, 568.2, 530.9 и 454.5 нм с предельно малыми мощностями возбуждения. Наибольшей интенсивности и отчётливости этой полосы на фоне широкополосной люминесценции 4Т2 - 4Аг удалось достичь на длинах волн 568.2 и 530.9 нм (рис. 16).
