Лазерные и оптические свойства фото-термо-рефрактивных стекол активированных редкоземельными ионами Иванов Сергей Александрович

Содержание к диссертации

Введение

1. Литературный обзор 10

1.1.Теория объемных фазовых брэгговских решеток 11

1.1.1.Пропускающие объемные брэгговские решетки 17

1.1.2.Отражательные объемные брэгговские решетки 21

1.1.3.Достоинства и недостатки объемных голограмм 24

1.2.Объемные голографические среды 25

1.2.1.Ниобат лития 25

1.2.2.Фторид кальция 26

1.2.3.Пористые стекла 29

1.2.4. Фото-термо-рефрактивные стекла 30

1.3.Элементы и устройства на основе ФТР стекла 37

1.3.1.Фильтры для улучшения пространственных характеристик пучка 37

1.3.2.Дефлекторы оптического излучения 39

1.3.3.Селективные зеркала 41

1.3.4.Узкополосные фильтры 43

1.3.5.Полосковые фильтры 43

1.3.6.Чирпированные решетки с переменным по глубине периодом 44

1.3.7.Чирпированные решетки с переменным периодом в плоскости 45

1.3.8.Комбайнеры лазерного излучения 46

1.4.РОС и РБО лазеры 47

1.5. ФТР стекло как лазерная среда 50

1.6Выводы к главе 54

2. Методическая часть 56

2.1.Синтез образцов 56

2.2.Методика записи пропускающих брэгговских решеток 58

2.3.Методика записи отражательных голограмм по пропускающей схеме 60

2.4.Методика измерения характеристик пропускающих решеток 63

2.5.Методика оценки характеристик отражательных голограмм 66

2.6.Методы исследования лазерных характеристик 67

3. Голографические свойства активированных ФТР стекол 69

3.1.Введение 69

3.2.ФТИ кристаллизация в исходном ФТР стекле 70

3.3. ФТИ кристаллизация в активированном ФТР стекле 83

3.4.Влияние РЗИ на голографические свойства. 92

3.5.Выводы к главе 94

4. Спектрально-люминесцентные свойства активированных ФТР стекол 97

4.1.Спектры поглощения неодимовых стекол. 97

4.2.Люминесцентные характеристики 103

4.3.Спектры поглощения иттербий-эрбиевых стекол 107

4.4.Люминесцентные свойства иттербий-эрбиевых ФТР стекол 109

4.5.Выводы к главе 112

5. Лазерные свойства активированных ФТР стекол 114

5.1.Введение 114

5.2. Получение генерации на неодимовом ФТР стекле 114

5.3.Получение генерации на иттербий-эрбиевом стекле 120

5.4.Запись решеток в активных элементах 123

5.5.Выводы к главе 128

Заключение 129

Список литературы 131

• Фото-термо-рефрактивные стекла
• ФТР стекло как лазерная среда
• ФТИ кристаллизация в активированном ФТР стекле
• Получение генерации на неодимовом ФТР стекле

Введение к работе

Актуальность работы

Важным направлением современной фотоники является миниатюризация и интеграция оптических элементов и устройств на единой подложке. Этот подход можно реализовать на основе многофункциональных оптических материалов, которые объединяют в себе характеристики нескольких монофункциональных сред и позволяют проводить разные операции со световыми потоками (например, усиливать, генерировать, модулировать, регистрировать и т.д.), используя только один материал. В настоящее время существуют единичные представители многофункциональных оптических материалов, (например, ниобат лития, активированный редкоземельными ионами). Поэтому разработка новых многофункциональных материалов является актуальным направлением современного оптического материаловедения.

Примером миниатюризации и интеграции оптических элементов на единой платформе является создание микрочип лазеров с распределенной обратной связью или усилителей с профилем усиления жестко заданным брэгговской решеткой. В этих устройствах сочетается возможность создания периодических структур и получения усиления/генерации в одном материале.

В данной ситуации отличным кандидатом на роль многофункционального материала является фото-термо-рефрактивное (ФТР) стекло, активированное редкоземельными ионами. Как голографическая среда, данный материал успешно зарекомендовал себя для записи высокоэффективных объемных голографических оптических элементов, используемых в лазерной технике: узкополосных зеркал, спектральных и пространственных фильтров, сумматоров лазерных пучков, чирпированных решеток для компрессии лазерных импульсов и т.д.

К достоинствам ФТР стекла по сравнению с другими голографическими средами (полимерные пленки, кристаллы, пористые стекла) можно отнести высокую механическую и термическую прочность, а также химическую устойчивость (аналогично оптическому стеклу К8). Показатель преломления ФТР стекла слабо зависит от температуры (dn/dT = 510^-8 К^-1), а коэффициент теплового расширения довольно низок по сравнению с другими голографическими материалами (dx/dT = 9,510^-6 К^-1). Голограммы, записанные на ФТР стекле, не деградируют со временем, т.е. имеют практически неограниченный срок службы и хранения (десятки лет). Данный материал обладает высокой устойчивостью к УФ излучению, а также высокими порогами оптического пробоя, как в импульсном (40 Дж/см²_, 8 нс), так и в непрерывном режиме (100 кВт/см²). Это означает, что оптические элементы на основе ФТР стекла могут быть использованы в различных лазерных системах высокой мощности. Следует также отметить, что данный материал, как оптическое стекло, допускает применение технологий механической обработки

поверхности (шлифовку и полировку), прессования, напыления и вытяжки волокна.

Несмотря на то, что данный материал предназначен, в первую очередь, для записи голографических фазовых решеток Брэгга, уже были продемонстрированы, как возможность легирования ФТР стекла различными редкоземельными активаторами [1], так и генерация в квази-непрерывном режиме [2] и в лазере с распределенной обратной связью [3]. Однако, работ в этом направлении крайне мало, они отражают лишь принципиальную возможность данного решения и носят демонстративный характер. Следует отметить, что детальные исследования по влиянию редкоземельного активатора на кинетику формирования кристаллической фазы в ФТР стекле, определяющей его голографические свойства, отсутствуют. Кроме того, отсутствуют данные о влиянии записи брэгговских решеток на лазерные и спектрально- люминесцентные свойства ФТР стекла. Решение обозначенных пробелов позволит приблизиться к созданию нового многофункционального стекла, объединяющего в себе свойства голографической и лазерной среды, на основе которого возможно реализовывать монолитную интеграцию оптических элементов (усилителей, лазеров, брэгговских отражателей, фильтров и т.д.) при использовании одного материала.

Цель работы:

Исследование спектрально-люминесцентных, голографических и лазерных характеристик фото-термо-рефрактивных стекол, активированных неодимом, иттербием и эрбием.

Задачи работы:

1. Исследование кинетики выделения кристаллической фазы в процессе фото-термо-индуцированной кристаллизации в фото-термо-рефрактивных стеклах, активированных редкоземельными активаторами.

2. Исследование влияния редкоземельных активаторов (лантан, неодим, иттербий и эрбий) на голографические свойства активированных фото-термо-рефрактивных стекол, включающие изменение амплитуды модуляции показателя преломления в процессе фото-термо-индуцированной кристаллизации и ее максимальное значение.

3. Проведение комплексных исследований спектрально-люминесцентных свойств ФТР стекол, активированных лантаном, неодимом, иттербием, эрбием и иттербий-эрбием.

4. Получение генерации и анализ пассивных потерь в лазерных элементах на основе фото-термо-рефрактивного стекла, активированного неодимом и иттербий-эрбием.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Показано, что в процессе термообработки УФ облученного фото-термо-рефрактивного стекла при температуре близкой к температуре

стеклования происходит длинноволновый сдвиг полосы поглощения плазмонного резонанса, что обусловлено образованием на серебряной наночастице оболочки из бромида серебра c показателем преломления больше показателя преломления матрицы стекла, и обратный коротковолновый сдвиг, связанный с выделением на оболочке нанокристаллов фторида натрия снижающими показатель преломления окружающей матрицы.

2. Установлено, что легирование редкоземельными ионами (лантан, неодим, иттербий, эрбий) фото-термо-рефрактивного стекла приводит к замедлению как кинетики формирования оболочки из бромида серебра на серебряной наночастице и выделения кристаллической фазы фторида натрия.

3. Показано, что при легировании фото-термо-рефрактивного стекла редкоземельным активатором часть фтора удерживается редкоземельным активатором и не участвует в формировании кристаллической фазы фторида натрия, отвечающей за изменение показателя преломления.

4. Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств фото-термо-рефрактивных стекол, активированных неодимом (0.5-2.1 мол%), которые включают в себя определение сечения поглощения и усиления, расчет параметров Джадда-Офельта, определение радиационного времени жизни и квантового выхода люминесценции.

5. Впервые получена генерация в непрерывном режиме на фото-термо-рефрактивном стекле, активированном иттербий-эрбием.

Практическая значимость результатов работы состоит в следующем:

1. Установленные закономерности влияния редкоземельных активаторов на голографические свойства фото-термо-рефрактивного стекла могут быть использованы при разработке многофункциональных оптических материалов, объединяющих в себе характеристики лазерной и голографической среды.

2. Результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств могут служить основой для расчетов, моделирования и конструирования усилителей и лазеров на основе фото-термо-рефрактивных стекол, активированных неодимом.

3. Результаты по исследованию лазерной генерации в непрерывном режиме в многофункциональном лазерном фото-термо-рефрактивном стекле могут лечь в основу создания лазеров с распределенной обратной связью и распределенным брэгговским отражателем.

Защищаемые положения:

1. Термообработка УФ облученного фото-термо-рефрактивного стекла при температуре вблизи температуры стеклования приводит к

длинноволновому сдвигу полосы поглощения плазмонного резонанса, что обусловлено образованием на серебряной наночастице оболочки из бромида серебра c показателем преломления больше показателя преломления матрицы стекла, и обратному коротковолновому сдвигу, связанному с выделением на оболочке нанокристаллов фторида натрия снижающими показатель преломления окружающей матрицы.

2. Легирование фото-термо-рефрактивного стекла редкоземельными активаторами (La₂O₃, Er₂O₃, Yb₂O₃) приводит к тому, что для достижения одинаковой амплитуды модуляции показателя преломления в активированном фото-термо-рефрактивном стекле требуется более длительное время и/или более высокая температура обработки, по сравнению с неактивированным фото-термо-рефрактивным стеклом, что обусловлено замедлением кинетики образования оболочки бромида серебра на серебряной наночастице и выделения кристаллической фазы фторида натрия.

3. Добавление в фото-термо-рефрактивное стекло редкоземельного активатора (La₂O₃, Er₂O₃, Yb₂O₃) в концентрации свыше 0.1 мол.% приводит к снижению максимально достижимого значения амплитуды модуляции показателя преломления, по сравнению с максимально достижимым значением для неактивированного фото-термо-рефрактивного стекла, что связано с уменьшением объемной доли кристаллической фазы фторида натрия из-за того, что часть ионов фтора удерживается редкоземельным активатором и не участвует в процессе фото-термо-индуцированной кристаллизации.

4. Оптимальная концентрация ионов неодима в фото-термо-рефрактивном стекле, при которой квантовый выход люминесценции достигает 64 %, составляет 2,510²⁰ см^-3, при этом значение сечения поглощения достигает 4,4710^-18 см (для перехода ⁴I_9/2 – ⁴F_5/2 + ²H_9/2), сечение излучения – 1,7710²⁰ см² (для перехода ⁴F_3/2 – ⁴I_11/2) и время затухания люминесценции – 350 мкс.

5. Активные элементы на основе фото-термо-рефрактивного стекла, активированного неодимом и иттербий-эрбием, обладают низким значением пассивных потерь ~ 0.3%. Дифференциальный КПД лазера на основе неодимового ФТР стекла с длиной волны генерации 1057 нм составил 16.8% с порогом генерации 0.5 Вт, а на основе иттербий-эрбиевого ФТР стекла с длиной волны 1574 нм – 2.3% с порогом генерации в 2.8 Вт.

Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях: VI международная конференция по фотонике и информационной оптике (Россия, 2017), Конгресс молодых ученых (Россия, 2017), «Стекло: наука и практика» GlasSP (Россия, 2017), SPIE Optics and Photonics (Чехия 2017, 2015), VI Международная конференция по фотонике и

информационной оптике (Россия, 2017), PHOTOPTICS 2015 (Германия, 2015), Фундаментальные проблемы оптики (Россия, 2016), Laser Optics (Россия, 2014), SPIE Photonics West (США, 2014).

Основные результаты работы изложены в 7 статьях, входящих в список ВАК. Из них 1 в российских журналах и 6 в зарубежных изданиях.

Личный вклад автора

Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают личный вклад автора. Постановка экспериментов и анализ результатов проводились лично автором. Общая подготовка целей и задач исследования в рамках диссертационной работы проведена совместно с научным руководителем работы профессором Н.В. Никоноровым.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения. Полный объем диссертации 143 страниц текста с 62 рисунками и 8 таблицами. Список литературы содержит 129 наименований.

Фото-термо-рефрактивные стекла

Фото-термо-рефрактивные (ФТР) стекла были созданы на основе фоточувствительных стекол системы Na2O-ZnO-Al2O3-SiO2-NaF, которые были впервые разработаны сотрудниками компании Corning (США) S.D. Stokey, J.E. Pirson, G.H. Beall в 1977 и получили первоначальное название как название «полихромные» стекла (ПХС) [37-39]. В тоже время в России велась разработка фоточувствительных сред, названных «мультихромными» стеклами (МХС) [40-41]. В состав ПХС/МХС помимо стеклообразователей Na2O, Al2O3, ZnO и SiO2 входят следующие добавки: фоточувствительные компоненты, играющие роль доноров электронов (церий), акцепторы электронов (серебро, сурьма, олово), а также галогениды (фтор, бром) которые участвуют в образовании кристаллической фазы. Основной особенностью данного класса стекол является селективное поглощение в видимой области спектра. Что приводит к тому что ПХС/МХС могут окрашиваться различными цветами под воздействием УФ облучения и последующим термическом воздействии. К изменению цвета стекла приводит многоступенчатый процесс, в ходе которого сперва происходит образование коллоидных наночастиц серебра которые служат центрами кристаллизации для нано- и микрокристаллов NaBr, AgBr и NaF. При определенных условиях такие микрокристаллы вырастают в виде анизотропных форм (пирамиды, вытянутые вдоль одной из осей). Дополнительная многоступенчатая обработка УФ излучением и термообработка приводили к выделению серебряного слоя на этих пирамидальных структурах. Анизотропия металлических серебряных оболочек приводила к соответствующему сдвигу полос плазмонного резонанса в видимой области и окрашиванию стекла в различные цвета в зависимости от дозы УФ излучения, температуры и времени термической обработки.

Позже в конце 1980-х начале 90-х годов сотрудниками ГОИ Л.Б. Глебовым и Н.В. Никоноровым было предложено использовать МХС для записи трехмерных фазовых голограмм [42-44]. В отличие от процесса окраски ПХС и МХС в данном случае применялась лишь одна стадия УФ облучения и термообработки (ТО). При разработке методов УФ облучения и ТО особое внимание авторы уделяли разнице показателей преломления между облученной и не облученной областями, т.е разницей в показателях преломления кристаллической и стеклообразной фаз. В результате были разработаны фоточувствительные среды, которые впоследствии авторы [45] стали называть фото-термо-рефрактивными (ФТР) стеклами. Т.е. ФТР стекла – это стекла, в которых под действием УФ излучения и термической обработки происходит изменение показателя преломления в облученной области. В последствии термин «ФТР стекла» стал активно использоваться в зарубежной литературе как photohermo-refractive glasses (PTR glasses).

В отличие от других голографических сред, ФТР стекло обладает существенными преимуществами. В первую очередь, так как стекло более чем на 70% состоит из SiO2, оно обладает высокой химической и механической прочностью. Данный материал, как и любое оптическое стекло допускает механическую обработку поверхности (шлифовку и полировку) и подготовку образцов оптического качества. В отличие от полимеров, галоидосеребряных эмульсий и желатины, которые используются для записи голограмм, ФТР стекло не подвержено негативному воздействию влаги, содержащейся в воздухе и способно выдерживать, нагрев до высоких температур (400oС) без потери свойств. Также в отличие от полимеров, галоидосеребряных эмульсий и желатины ФТР стекла после термопроявления не подвержены деградации под действием УФ излучения. Наличие фтора и алюминия в стекле приводит к тому что показатель преломления при изменении температуры меняется очень слабо (dn/dT = 510-8 К-1). А коэффициент теплового расширения довольно низок по сравнению с другими материалами (dx/dT = 9.510-6 К-1). Было продемонстрировано, что данный материал обладает высокими порогами оптического пробоя как в импульсном (40 Дж/см2, 8 нс), так и в непрерывном режиме (100 кВт/см2) [46]. А значит материал и элементы на его основе могут быть использованы в различных лазерных системах высокой мощности. Следует также отметить, что в отличие от кристаллов и пористых стекол к ФТР стеклам можно применять такие важные технологии, как вытяжка оптического волокна, ионообменное упрочнение и ионообменное создание оптических волноводов, прессование и молирование, напыление, химическое травление.

Процесс записи голограмм в ФТР стекле выглядит следующим образом [47]. Под действием УФ излучения, попадающим в полосу поглощения ионов трехвалентного церия (max = 305-310 нм) происходит фотоионизация ионов церия с образованием свободных электронов. Таким образом, спектральный диапазон фоточувствительности стекла обусловлен шириной полосы поглощения трехвалентного церия и лежит в области 290-340 нм. Освободившиеся электроны захватываются ионами сурьмы и частично ионами серебра, анионными вакансиями в стекле и примесными центрами. Стоит отметить, что совсем недавно была высказана гипотеза, что захват электрона серебром либо не происходит [48], либо происходит, но с меньшей вероятностью [49,50], чем захват электрона сурьмой. Сурьма способна не только захватить электрон, но и удерживать его длительное время при комнатной температуре и даже при нагревании до 100оС. При нагреве выше 100оC происходит сброс электрона с сурьмы и его захват ионами серебра с образованием различных молекулярных кластеров [51,52]. Дальнейшее увеличение температуры (до температуры стеклования, Tg = 500оС приводит сперва к агломерации молекулярных кластеров с образованием коллоидной наночастицы серебра и далее к образованию металлической наночастицы. Последующее увеличение температуры приводит к росту наноразмерной кристаллической оболочки из бромида серебра и бромида натрия. Термообработка при температурах близких или больших Tg приводит к росту на оболочке AgBr-NaBr нанокристаллов фторида натрия (NaF). Именно образование кристаллов фторида натрия (показатель преломления NaF n = 1.38) приводит к локальному изменению показателя преломления стекла (n 10-3) в облученной области по сравнению с необлученной областью (n = 1.49). На рисунке 8 показана схема процесса фото-термо-индуцированной кристаллизации с образованием вытянутых нанокристаллов фторида натрия. Ниже приведена микрофотография голограммы на этапе формирования серебряных кластеров (Рисунок 9а) и после формирования решетки (Рисунок 9б). На рисунке 9в представленная фотография голографической плоскости, сделанная на пропускающем электронном микроскопе (ТЕМ) [53].

Голограммы в ФТР стекле обладают неограниченным сроком действия и устойчивы к внешним воздействиям. Было показано [54] что решетки остаются стабильными при нагреве вплоть до 400оС и способны выдерживать как непрерывное, так и импульсное излучение высокой мощности. Снижение устойчивости материала при записи голограмм связано прежде всего с образованием наночастиц (НЧ) серебра. Несмотря на то, что максимум полосы плазмонного резонанса у серебра в данном материале лежит в диапазоне 420-440 нм, экспоненциальные хвосты тянутся в ближнюю ИК область и, тем самым, увеличивают поглощение материла в данном диапазоне длин волн [55]. Второй причиной, снижающей устойчивость элементов к излучению высоких энергий, является наличие трещиноватого слоя в приповерхностном слое стекла, агрегирующем органику, однако эта проблема не так существенна и может быть легко преодолена.

Что касается тепловой стабильности решеток, как уже говорилось ранее в связи с тем, что показатель преломления стекла слабо меняется при нагреве (dn/dT = 510-8), дифракционная эффективность решеток не претерпевает изменений, связанных с изменением показателя преломления стекла. Однако, в данном случае сильнее сказывается эффект теплового расширения материала, которое приводит к закономерному изменению периода записанной брэгговской решетки. Так как изменение периода влечет за собой смену условий Брэгга, мы получаем либо снижение эффективности, либо смену длины волны (в случае брэгговского зеркала). Так, например, для структуры записанной на длину волны 1 мкм изменения, связанные с тепловыми эффектами, будут составлять 7 пм/К. Стоит отметить, что несмотря на то, что брэгговские решетки на ФТР стекле планируется использовать в мощных лазерных пучках, работ по исследованию влияния нагрева на характеристики решеток практически нет.

На ранних этапах разработки ФТР стекла в процессе фототермо-индуцированной кристаллизации в стекле происходило образование весьма крупных серебряных НЧ, наличие которых приводило к тому, что наведенное поглощение в сине-зеленой области спектра могло достигать 7-10 см-1 (Рисунок 10)

ФТР стекло как лазерная среда

Первой работой, посвященной легированию редкоземельными ионами ФТР стекла, можно считать работу [107]. В этой работе были впервые исследованы спектрально-люминесцентные свойства ФТР стекла, легированного эрбием, а также процессы нелинейного ап-конверсионного тушения люминесценции эрбия в ФТР стекле. На активированном ФТР стекле были впервые записаны брэгговские решетки с использованием He-Cd лазера (325 нм). Был проведен сравнительный анализ спектров ослабления облучённого и не облученного стекла. Также в работе был сделан вывод о замедлении кинетики кристаллизации в активированном ФТР стекле по сравнению с не активированным. Данные выводы были сделаны на основе зависимостей дифракционной эффективности от термообработки. Это не совсем корректно, т.к. в случае объемных фазовых пропускающих решеток дифракционная эффективность с ростом амплитуды модуляции показателя преломления меняется по квазисинусоидальному закону, и в случае существенного роста величины n1 может приводить к падению ДЭ в конкретном образце. В работе [107] не были приведены контуры угловых зависимостей, которые могли бы прояснить ситуацию и подтвердить, что решетки не были перемодулированы, и величина не превышала /2. Как было отмечено ранее, ДЭ зависит, в том числе, от толщины голограммы, что также не было отражено в работе [107] и могло сказаться на выводах. Таким образом, ответ на вопрос о влиянии редкой земли на сам механизм фото-термо-индуцированной кристаллизации стекла пока остается не ясным.

Дальнейшее развитие тематика активированного ФТР стекла получила в работах [108-110], где ФТР стекло было активировано сразу двумя редкоземельными ионами: эрбием и иттербием. В этих работах упор был сделан на исследование спектрально-люминесцентных свойств данной пары ионов. Важный вывод в этих работах был сделан о том, что ионы редкой земли не входят в кристаллическую фазу, образующуюся в процессе ФТИ кристаллизации. Также было отмечено отсутствие влияния редкой земли на фоточувствительность. Этот вывод был сделан исходя из отсутствия полос поглощения эрбия в области полосы поглощения трехвалентного церия в стекле, ответственного за фоточувствительность ФТР стекла. В работе [108] было установлено время жизни эрбия в ФТР матрице и продемонстрировано концентрационное тушение при увеличении концентрации активатора. Было показано, что при постоянной концентрации ионов иттербия и переменной ионов эрбия квантовый выход меняется несущественно. Установлено оптимальное соотношение концентрации (N) эрбия и иттербия для ФТР стекла (N для Ег3+ = 0.26х1020 см"3 и N для Yb3+ = 17.6xl020 см"3) для достижения максимально эффективного переноса возбуждения с иттербия на эрбий и высокого квантового выхода люминесценции эрбия. Также была разработана методика по определению населенности метастабильного уровня эрбия (4113/2) и по измерению сечений поглощения из основного и возбужденного состояний. Определена населенность метастабильного уровня при разных накачках, а также рассчитаны параметры Джада-Офельта. Наиболее значимым результатом данной работы является измерение коэффициента усиления в активированном ФТР стекле. Усиление на длине волны 1.55 мкм составило 0.02 см"1, а значит ФТР стекло может использоваться в качестве лазерной среды.

В работах [111-112] была впервые высказана концепция по использованию лазерного ФТР стекла для создания планарного интегрально-оптического эрбиевого усилителя при использовании монолитной интеграции. Ранее существовала гибридная концепция создания таких устройств, которая включала такие ключевые элементы усилителя, как спектральный мультиплексор, объединяющий сигнальный канал (1.55 мкм) и канал накачки (0.98 мкм), а также канал, где достигается усиление и канал с брэгговской решеткой для выравнивания спектра усиления. Все эти элементы создавались из разных материалов и далее объединялись на единой подложке. Монолитная интеграция предполагает использование только одного материала –– лазерного ФТР стекла, которое объединяет в себе лазерные, голографические и ионообменные свойства, и на этом стекле возможно создание перечисленных ключевых элементов усилителя.

Последние работы в данной области посвящены непосредственному получению генерации на активированном ФТР стекле [113-114]. В работе [113] была получена генерация (на длине волны = 1057 нм) на активном элементе, выполненном из ФТР стекла, активированного неодимом в концентрации 0.8 ат%. Элемент был выполнен в виде диска толщиной около 2 мм и размерами 24х25 мм для эффективного охлаждения. Накачка ( = 805 нм) активного элемента осуществлялась продольно, размер пятна на элементе составлял 370 мкм. В результате была получена генерация на паре выходных зеркал с пропусканием 1 и 3%. Дифференциальный КПД составил 13 и 25% соответственно. Проведенная оценка пассивных потерь резонатора показала, что они не превышают 2.6%, что довольно много по сравнению, например, с кристаллом Nd:YAG (0.35%). Авторами было выдвинуто предположение, что основным источником потерь является отсутствие просветления. Данная работа продемонстрировала принципиальную возможность получения генерации на ФТР стекле.

Позднее была опубликована вторая работа [114] по данной тематике, демонстрирующая потенциальную возможность реализации РОС и РБО лазеров на базе активированного ФТР стекла. Авторами была получена генерация на стеклах, активированных неодимом и иттербием в концентрации 2 вес%. Длина резонатора определялась длиной элемента и составляла 10-15 мм, накачка также осуществлялась продольно. Разница в схемах РОС и РБО заключалась лишь в том, что в конфигурации РБО дополнительно устанавливалось диэлектрическое зеркало напротив элемента (Рисунок 20).

ДЭ решеток, записанных внутри активного элемента, в обоих случаях оценивалась как 99%, однако напрямую измерена не была. Дифференциальный КПД РБО лазера на неодимовом стекле составил 15%. А КПД РОС лазера на иттербии составил 10-13%. Таким образом, была продемонстрирована состоятельность концепции РОС/РБО лазера на фото-термо-рефрактивном стекле. Однако, детальное исследования влияния записи решеток на лазерные характеристики в описанных работах отсутствуют. В частности, очень важен вопрос влияния амплитуды модуляции показателя преломления на пассивные потери стекла, т.к. именно пассивные потери определяют эффективность лазера и максимально возможную снимаемую мощность.

Очевидно, что комплексный процесс записи периодических структур в объеме стекла приводит к существенным изменениям материала и, соответственно, его оптических свойств. Главными факторами в данном случае являются рост наночастиц серебра и рост наноразмерной кристаллической фазы NaF. Фторид натрия в стекле вырастает в виде пирамид, вытянутых по одной из осей, при этом длина кристалла может достигать 100 нм, а разница показателей преломления стекла и кристалла приводят к росту рассеяния в голограмме. В работе [107] было показано, что в ближней ИК области спектра данный фактор проявляется довольно слабо, однако процесс генерации более чувствителен к различного рода потерям, и данный эффект может быть предметом дальнейших исследований. Следует отметить, что с тех пор состав стекла был существенно доработан, и значительный рост изменения показателя преломления говорит о явном увеличении объемной доли кристаллической фазы. Рост наночастиц серебра, в свою очередь, приводит к образованию полосы плазмонного резонанса с максимумом в сине-зеленой области спектра 420-450 нм. Несмотря на то, что этот максимум лежит далеко от предполагаемой длины волны накачки ( = 450 нм) и генерации (ближний ИК диапазон), экспоненциальный хвост полосы поглощения может оказывать влияние на пассивные потери элементов в данной области.

Оптимизация режимов записи брэгговских решеток в лазерном ФТР стекле позволит существенно снизить наведенные оптические потери и их вклад в пассивные потери данного стекла. А рассмотрение различных вариантов обратной связи позволит выбрать оптимальный способ для достижения высоких выходных характеристик лазера при использовании подхода интеграции брэгговских решеток в лазерное ФТР стекло.

ФТИ кристаллизация в активированном ФТР стекле

Перейдем к рассмотрению активированных ФТР стекол. Для исследования влияния редкоземельного активатора на процесс ФТИ кристаллизации были синтезированы стекла с иттербием и эрбием, концентрация эрбия варьировалась в пределах 0.1-0.4 мол%, концентрация иттербия и лантана – 0.1-0.8 мол%.

Для начала рассмотрим эрбиевый ряд стекол Er1, Er2 и Er4, содержащих соответственно 0.1,0.2 и 0.4 мол% редкоземельного активатора. В данном ряду стекол содержится максимально возможное для исходного стекла количество фтора (6.7 мол%). Аналогично исходному стеклу на первом этапе исследуемый ряд разогревался в течении 90 минут до температуры в 485оС. Ниже представлены графики эволюции спектра поглощения каждого исследуемого стекла (Рисунок 35). На представленных спектрах видно аналогичную исходному стеклу картину. Активный рост кластеров серебра приходится на интервал температур 326-400оС, а к концу нагрева формируется наночастица серебра с выраженным плазмонным резонансом в районе 400 нм. Далее, для определения положения максимума полосы было проведено разложение полученных спектров. Для более точного определения были подобраны все полосы, соответствующие переходам эрбия в этой области спектра (Рисунок 36).

Из приведенного на рисунке 36 спектра видно, что огибающая очень точно совпадает с измеренным спектром. Дальнейший анализ показывает, что во всех трех стеклах максимум резонанса лежит в диапазоне 408-410 нм. Это все еще меньше длины волны резонанса для чистой частицы без оболочки. Диаметр серебряной НЧ, согласно оценке полученной из полуширины полосы, во всех трех исследуемых образцах составляет 2.4 -2.5 нм, т.е. размеры НЧ во всех стеклах одинаковы и соответствуют размеру НЧ в исходном стекле. Согласно расчетам, плазмонный резонанс для частицы такого размера в стекле с показателем преломления 1.498 должен приходиться на длину волны 401 нм. Значит, аналогично исходному стеклу НЧ в активированных стеклах, на данном этапе термообработки, находится в диэлектрической оболочке. Важно отметить, что влияние редкой земли на показатель преломления матрицы стекла лежит в третьем знаке после запятой и не сказывается на положении максимума плазмонного резонанса. Если предполагать, что в данном случае оболочка состоит из NaBr, то ее радиус для всех трех стекол должен быть равен 1.67 нм, а значит толщина оболочки составляет 0.45 нм. Если же предположить, что оболочка состоит из AgBr, то ее радиус составит всего лишь 1.31 нм, т.е. толщина оболочки 0.06 нм, что опять представляется маловероятным.

Смещение положения максимума в коротковолновую область, по отношению к исходному стеклу, объясняется повышением температуры стеклования стекла из-за добавления редкой земли в состав стекла. Так как термообработка для всех четырех стекол проводилась при одной температуре, то кинетика формирования кристаллической оболочки у стекол различна. При этом различна скорость формирования именно высокопреломляющей кристаллической фазы (AgBr), т.к. увеличение концентрации редкой земли не сказывается на начальном положении резонанса, который приходится на 408-410 нм. Как отмечалось ранее, максимальный сдвиг плазмонного резонанса, который можно наблюдать для серебряной НЧ в диэлектрической оболочке, состоящей из бромида натрия, составляет 417 нм, а значит за дальнейшее красное смешение ответственно увеличение объемной доли AgBr.

Далее рассмотрим динамику положения максимума полосы плазмонного резонанса в эрбиевом ФТР стекле (Рисунок 37) по сравнению с аналогичной кривой для исходного стекла. Поскольку в процессе синтеза стекла Er4 была допущена ошибка, эволюция его спектра и соответственно динамика положения максимума в данном разделе рассматриваться не будут. Из приведенного графика хорошо видно, что максимальный сдвиг в длинноволновую область спектра у всех трех стекол одинаковый, а крайнее положение максимума приходится на 460 нм. Таким образом, можно заключить, что толщина оболочки, с учетом одинакового размера серебряной НЧ, одинакова. Также очевидно, что время, требуемое для достижения данного сдвига в эрбиевом стекле, существенно больше, что говорит о замедлении кинетики роста высокопреломляющей кристаллической фазы в составе оболочки. В след за красным сдвигом максимума, как и в исходном стекле, следует синий сдвиг полосы, который обусловлен выделением низкопреломляющих кристаллов NaF. Важно отметить, что в случае активированных стекол процесс выделения фторида натрия сильно замедлен, однако, несмотря на длительность процесса, максимум резонанса приходит в точку 450 нм. Таким образом, можно заключить, что, как и в случае исходного ФТР стекла, кристалл NaF стал матрицей для системы из серебряной наночастицы со смешанной оболочкой AgBr-NaBr.

Перейдем к анализу стекол, содержащих иттербий. Как и в случае эрбиевых стекол концентрация фтора в этом ряду составила 6.7 мол%. Исследование этих стекол проводились аналогично предыдущим. Как и в случае эрбиевых стекол, процесс формирования серебряной наночастицы остаётся неизменным. По прошествии 90 минут обработки в стекле вырастают НЧ с размером в диапазоне 2.4-2.5 нм, а положение плазмонного резонанса для всех четырех стекол соответствует 409-410 нм (Рисунок 38). Стоит отметить, что, как и ранее (в эрбиевых стеклах), концентрация редкоземельного иона не оказывает влияния на размер НЧ и на начальное положение максимума полосы плазмонного резонанса.

Перейдем к анализу динамики положения максимума полосы поглощения плазмонного резонанса (Рисунок 39). Как видно из представленных зависимостей, максимальный сдвиг в длинноволновую область для данных стекол соответствует сдвигу исходного и эрбиевого стекла. Затем наблюдается коротковолновое смещение максимума, что говорит о росте кристаллической фазы NaF. В итоге в исследуемых стеклах резонанс приходит в точку 440 нм, что также соответствует исходному и эрбиевому стеклу. Отдельно стоит рассмотреть стекло Yb8. Из графика видно, что по достижении времени обработки в 540 минут в данном стекле все еще идет красный сдвиг резонанса, а значит, формирование оболочки по прошествии данного времени не завершено, длина волны для крайней точки на графике соответствует 450 нм. С учетом наклона кривой можно предположить, что максимальный сдвиг будет достигнут по достижении времени обработки в 840 минут. Сильное замедление роста можно объяснить высокой концентрацией редкой земли в составе стекла, и, соответственно, высоким значением температуры стеклования.

Для стекла, активированного лантаном, были получены аналогичные предыдущим стеклам зависимости. Размер серебряной наночастицы составил 2.5 нм, а начальное положение максимума полосы поглощения плазмонного резонанса 408-410 нм.

Замедление кинетики образования кристаллической фазы оболочки в активированном фото-термо-рефрактивном стекле можно объяснить повышением температуры стеклования стекла при добавлении редкоземельного активатора (Рисунок 40), которое приводит к повышению вязкости стекла при фиксированной температуре термообработки. Однако, для подтверждения данного предположения необходимо изучить кривую хода вязкости для каждого стекла.

Получение генерации на неодимовом ФТР стекле

Исходя из соображений простоты получения генерации, в первую очередь было проведено исследование неодимового стекла. Схема генерации на ионе неодима, в отличие от эрбия, является четырех уровневой, что существенно облегчает процесс накачки и снижает пороги, так как для обеспечения инверсии в четырех уровневой схеме необходимо существенно меньшее число ионов на верхнем уровне по сравнению с трех уровневой схемой. Так, например, для переведения трех уровневой системы в состояние инверсной населенности необходимо перевести в возбужденное состояние более половины активных атомов, а в случае четырех уровневой схемы - каждый атом, переведенный в возбужденное состояние, дает вклад в инверсию населенности.

Возбуждение ионов неодима осуществляется излучением с длиной волны 806нм в полосу наиболее интенсивного перехода %/2 - 4F5/2 + 2Н9/2, затем происходит безызлучательный переход на метастабильный уровень 4F3/2/ с которого происходит лазерный переход %/2 - 4111/2 (Ш4 нм).

Концентрация иона активатора в стекле была выбрана на основе данных по тушению люминесценции и составила 0.5 мол%. Коэффициент поглощения ФТР стекла, активированного неодимом в данной концентрации, на длине волны 806 нм составляет к= 3.75 см, а значит для эффективного поглощения накачки в объеме стекла необходимая длина элемента составит 2,6 мм. Изготавливать элемент такой длины достаточно сложно, так же при таких габаритах затруднительно обеспечить охлаждение, поэтому активный элемент(АЭ) был изготовлен со следующими габаритами: 9х3.5х3.5 мм. Так как, длина элемента с Yb-Er парой составляет 15 мм, изготовление элемента из неодимового стекла длиной 9 мм позволит лучше оценить пассивные потери АЭ на требуемой длине. Поскольку у неодима отсутствует поглощение в области генерации - 1064 нм, увеличение длины элемента не должно существенно сказаться на характеристиках, а перепоглощения на длине волны излучения можно не опасаться.

Определение пассивных потерь стекла проводилось с использованием метода Caird plot [128]. Данный метод предполагает получение генерации с двумя различными выходными зеркалами. В работе пропускание выходных зеркал было выбрано равным 0.5% и 1%. Схема резонатора представлена на рисунке 54. В качестве источника накачки использовался диодный лазер с волоконным выводом (600 мкм) с максимальной выходной мощностью в 8 Вт. Источник был стабилизирован по температуре и току. В процессе настройки была установлена длина волны накачки в 806 нм, т.к. именно данная длина волны обладает максимальным поглощением в ФТР стекле, активированном неодимом. Для фокусировки излучения накачки в активный элемент использовалась телескопическая система, состоящая из двух линз. Такая система переносит изображение источника (волоконный вывод) на торец активного элемента. К сожалению, увеличение телескопической системы составило 2.5, а значит пятно накачки в активном элементе имело диаметр 1.2 мм. Стоит отметить, что относительно большой диаметр пятна накачки негативно сказывается на порогах генерации и модовом составе излучения лазера.

Для снижения средней мощности и уменьшения тепловых нагрузок на активный элемент использовался модулятор, который устанавливался в разрез между фокусирующей и коллимирующей линзой, частота модуляции составила 100 Гц (длительность импульса 0,83 мс, скважность – 2,5 мс). Активный элемент закреплялся в медном основании, к которому было подведено водное охлаждение. Для улучшения теплового контакта между медным основанием и элементом помещалась прослойка из индиевой фольги.

Резонатор, образованный зеркалами 6 и 10, является плоско вогнутым. Сферическое выходное зеркало было использовано для снижения порогов генерации с расчетом на наличие тепловой линзы в АЭ при работе лазера. Радиус кривизны выходного зеркала был выбран равным 200 мм. Расстояние между входным зеркалом (6) и входной поверхностью активного элемента составило 5 мм, что было обусловлено особенностями фокусирующей системы накачки. Расстояние до выходного зеркала варьировалось при оптимизации резонатора в процессе генерации. Все зеркала устанавливались на пяти-координатные подвижки для обеспечения возможности точной настройки. Юстировка резонатора проводилась с помощью внешнего диодного лазера, база составляла – 3 метра. Измерение мощности накачки проводились за входным зеркалом и за элементом для оценки поглощенной мощности накачки в активном элементе. Также, было проведено измерение накачки с выключенным модулятором для оценки коэффициента ослабления средней мощности модулятором. Измерения показали, что модулятор ослабляет падающее излучение в 4,31 раз, а элемент поглощает 99% падающего излучения.

Ниже приведены графики зависимости выходной мощности лазера от поглощенной мощности накачки для выходных зеркал с различным пропусканием стекле от поглощенной мощности накачки для выходных зеркал с пропусканием 0.5% и 1%

Полученные зависимости хорошо аппроксимируются линейной функцией и обладают точкой пересечения, что позволяет использовать их для оценки пассивных потерь в стекле. Наклонный КПД в случае зеркала с пропусканием 0.5% составил 13,4%, а для зеркала с пропусканием 1% - 16,8%. Таким образом используя метод Caird plot

Согласно приведенным выше расчетам, величина потерь в стекле за два прохода L составляет 0,34%, что является довольно низким значением и сопоставимо с коммерчески производимыми АЭ на основе кристаллов Nd:YAG.

Измерение спектра генерации показало, что лазер работает на длине волны 1057 нм (Рисунок 57).

Во всем диапазоне мощностей накачки лазер работал в одномодовом режиме и смены длины волны генерации или появления дополнительных полос в спектре излучения не наблюдалось.