Введение к работе
Актуальность. Важным направлением развития современной фотоники является миниатюризация и интеграция элементной базы волоконно- и интегрально-оптических систем (например, создание мини- и микрочип лазеров и оптических усилителей). Уменьшение веса и габаритов таких устройств возможно путем разработки и создания новых лазерных материалов, например, лазерных сред с высокой концентрацией ионов активаторов, полифункциональных лазерных материалов, наноструктурировапных стеклокристаллических материалов и т.д.
Сегодня иттербий-эрбиевыс стекла и кристаллы широко используются в качестве активной среды в лазерах и оптических усилителях. Это связано, с тем, что длина волны генерации иона эрбия (1,5 мкм) является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн. Ион иттербия дополнительно вводится в матрицу для повышения эффективности накачки, поскольку является сенсибилизатором для иона эрбия, а также имеет интенсивную полосу поглощения в области 1 мкм, что позволяет использовать для накачки мощные полупроводниковые лазерные диоды. Типичные концентрации ионов иттербия, например, в коммерческих иттербий-зрбиевых лазерных фосфатных стеклах составляют (19-21)х1020 см'3. Такие концентрации ионов иттербия позволяют осуществлять эффективную накачку и передачу возбуждения для концентраций ионов эрбия вплоть до 1х1020 см"3 . Дальнейшее увеличение концентрации ионов эрбия приводит к снижению эффективности безызлучателыюго переноса от иттербия к эрбию, что наряду с другими факторами, например ап-конверсией, концентрационным тушением, 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. Однако, работы по созданию и исследованию спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик материалов с высокими (более 21х1020 см"3) концентрациями ионов иттербия практически отсутствуют. Особый же интерес представляют среды с предельными содержаниями активаторов. Например, метафосфат иттербия - среда, где ион иттербия входит основную структуру стеклообразующей сетки. Поэтому разработка и
л'4
исследование высококонцентрированных лазерных материалов на сегодняшний день представляет важную научно-практическую задачу.
Полифункциональные лазерные материалы - это новый класс оптических
сред, которые объединяют в себе характеристики нескольких оптических
материалов и проводят разные функциональные операции со светом (генерацию,
усиление, удвоение частоты, модуляцию, отклонение световых потоков,
передачу, запись, обработку и хранение информационных потоков и т.д.). На
основе этих сред возможно создание разных функциональных оптических
элементов и устройств, а также осуществлять их интеграцию в одном материале
и миниатюризацию. Несмотря на большие перспективы использования
полифункциональных материалов в интегральной оптике, на практике
номенклатура таких материалов мала. На сегодняшний день можно выделить
только два оптических материала, которые можно отнести к
полифункционапьным: ниобат лития, активированный редкоземельными ионами
(электро-оптический, нелинейный и одновременно лазерный кристалл) и
халькогенидные стекла, активированные редкоземельными ионами
(фоторефрактивные лазерные среды). Поэтому разработка и исследование новых полифункциональных материалов представляет собой чрезвычайно актуальную задачу, как в интегральной оптике, так и в фотонике в целом.
В настоящее время прозрачные стекло кристаллические материалы представляют большой интерес для современной элементной базы фотоники. Занимая промежуточное положение между кристаллическими материалами и стеклами, они объединяют в себе лучшие свойства кристаллов (высокая механическая и термическая прочность) и стекол (возможность прессования и формования, возможность вытяжки оптического волокна и проведения ионного обмена для создания волноводных структур). Если активатор (например, эрбий, неодим и т.д.) входит в кристаллическую фазу, то спектрально-люминесцентные и лазерные характеристики стеклокерамики могут быть близки к характеристикам лазерных кристаллов-аналогов. Стеклокристаллические материалы (стеклокерамики) - это гетерофазные структуры, которые формируются при отжиге стекла за счет роста кристаллической фазы в стеклообразной матрице. Одним из основных недостатков таких материалов является высокое светорассеяние на границе кристаллической фазы и стеклофазы. Поэтому ключевым направлением при разработке оптических стеклокристаллических лазерных материалов является уменьшение
светорассеяния за счет роста наноразмерных кристаллов в матрице стекла. Таким образом, разработка и исследование новых наноструктурированных лазерных стеклокерамик представляет перспективное направление в оптическом материаловедении и спектроскопии конденсированных сред.
Актуальность диссертационной работы состоит в том, что она посвящена исследованию новых лазерных материалов, ориентированных на миниатюризацию и интеграцию элементной базы фотоники: лазерных сред с высокой концентрацией ионов активаторов, полифункциональных лазерных материалов и наноструктурированных стеклокристаллических материалов.
Важной характеристикой диссертационной работы является проведение комплексных спектрально-люминесцентных исследований новых лазерных магериалов, а также проведение сравнительного анализа их свойств и оценка перспективности их применения в лазерной технике нового поколения.
Цель работы: проведение комплексных исследований спектрально-люминесцентных свойств высококонцентрированных лазерных иттербий-эрбиевых стекол и наностеклокерамик. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
разработка методики экспериментального определения спектров усиления/потерь при разных населенностях метастабильного уровня;
проведение комплексных исследований спектрально-люминесцентных свойств высококонцентрированных иттербий-эрбисвых метафосфатных стекол, а также метафосфатов иттербия аіггивированньїх эрбием;
проведение комплексных исследований и сравнительного анализа спектрально-люминесцентных свойств полифункциональных иттербий-эрбиевых фото-термо-рсфрактивных стекол и наностеклокерамик на их основе;
проведение комплексных исследований и сравнительного анализа спектрально-люминесцентных свойств свинцово-фторидных стекол и наноструктурированных стеклокерамик, активированных иттербием и эрбием.
Научая новизна работы заключается в том, что в ней впервые: 1. Разработан экспресс-метод экспериментального определения спектров усиления/потерь при разных населенностях метастабильного уровня 113/2 иона эрбия.
-
Разработана методика определения нагрева активной среды по изменению формы контуров люминесценции иона эрбия при накачке.
-
Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств высококонцентрированных иттербий-эрбиевых метафосфатных стекол с переменными концентрациями ионов активаторов, которые включают в себя определение сил осцилляторов, квантового выхода люминесценции, вероятности переноса возбуждения, сечений поглощения и вынужденного излучения, населенностей метастабильного уровня и спектров усиления/потерь.
-
Определены оптимальные концентрации иона активатора в метафосфате иттербия для получения максимального коэффициента усиления на переходе иона эрбия ''lis.?-*'!и,?
-
Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств полифункциональных иттербий-эрбиевых фото-термо-рефрактивных наностеклокерамик с переменной концентрацией ионов эрбия
-
Показано что при фото-термо-индуцированной кристаллизации фото-термо-рефрактивного стекла ионы иттербия и эрбия остаются в стеклообразной фазе.
-
Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств иттербий-эрбиевых свинцово-фторидных стекол с переменной концентрацией ионов эрбия и наноструктурированных стеклокерамик на их основе.
-
Установлен механизм формирования кристаллической фазы в процессе спонтанной кристаллизации свинцово-фторидного стекла, а также показано, что ионы иттербия и эрбия входят в кристаллическую фазу PbYF04.
Практическое значение работы состоит в следующем:
-
Предложенный и реализованный экспресс-метод определения спектров усиления/потерь при разных населенностях метастабильного уровня позволяет производить измерения в образцах, синтезированных в лабораторных условиях, малых размеров и не требующих специальных дополнительных обработок поверхности после ее обычной полировки. Данный метод применим для широкого класса оптических стеклообразных и кристаллических материалов и позволяет проводить их оперативную селекцию на стадии разработки.
-
Предложенная методика определения температуры по изменению формы контуров люминесценции иона эрбия позволяет определять нагрев лазерной среды при накачке. Предложенная методика может быть использована также
для создания люминесцентных датчиков температуры, в том числе волоконных.
-
Результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств иттербий-эрбиевых стекол и стеклокерамик могут служить основой при разработке новых лазерных материалов для высокоэффективных волоконных лазеров и усилителей света, а также малогабаритных интегрально-оптических лазерных устройств.
-
Результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств иттербий-эрбиевых стеклокерамик позволят расширить номенклатуру оптических полифункциональных материалов, используемых для передачи и обработки информации в телекоммуникационных системах.
Защищаемые положения:
1. Разработанный экспресс-метод позволяет производить измерения
коэффициентов усиления в абсолютных единицах и контур спектров
усиления/потерь при различных населенностях метастаоильного уровня эрбия в
зависимости от мощности возбуждающего излучения. Метод позволяет
проводить измерения на образцах, синтезированных в лабораторных условиях,
малых размеров (вплоть до 1x1x0.2 мм), имеющих невысокое оптическое
качество (например, свили, пузыри) и не требующих специальной обработки
поверхности.
2. Определены оптимальные концентрации эрбия и иттербия в фосфатных
стеклах, при которых достигнут максимальный коэффициент усиления. В
барневофосфатиых стеклах, активированных иттербием и эрбием, оптимальная
концентрация ионов эрбия, при которой достигнут максимальный коэффициент
усиления 0.18 см"1 при инверсной населенности 55%, составляет 1><10 см"3. В
метафосфатных стеклах, активированных иттербием и эрбием, оптимальная
концентрация ионов иттербия, при которой достигнут максимальный
коэффициент усиления 0.1 см"1 при инверсной населенности эрбия 76%,
составляет 41.7x1020 см'3.
3. Полифункциональное фото-термо-рефрактивное силикатное стекло,
активированное иттербием и эрбием, демонстрирует высокие значения сечений
поглощения (5,2хЮ"2' см2) и вынужденного излучения (5,54*10"лсм2),
квантовый выход люминесценции (до 92%) и коэффициент усиления (0,014
см"1), которые сопоставимы с монофункциональными аналогами -
промышленными силикатными стеклами.
4. При спонтанной кристаллизации свинцово-фторидных стекол эрбий и
иттербий входят в состав кристаллической фазы PbYF03, что приводит к
изменению спектров поглощения и люминесценции по сравнению с исходным
стеклом.
5. При фото-термо-индуцированной кристаллизации ФТР стекла, ионы иттербия
и эрбия не входят в кристаллическую фазу NaF-AgBr и остаются в
стеклообразной матрице. Введение ионов эрбия и иттербия не изменяет
фоточувствительность ФТР стекол, что позволяет использовать это стекло для
записи высокоэффективных объемных фазовых голограмм.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях: XIVth International Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions (Россия, 2010), 10A International Conference on Fiber Optics and Photonics (Индия, 2010), 10th International Conference on Laser and Fiber-optical Networks Modeling (Украина, 2010), 1st International Conference on Luminescence of Lanthanides (Украина, 2010), 1st, 2nd and 5th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (Украина, 2003, 2005, 2010), 7th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication (Japan, 2010), 12th, 13th, 14th International Conference "Laser Optics " (Россия, 2006, 2008, 2010), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Россия, ICONO/LAT-2005, 2007, 2010), 2nd International Conference on Optical Instrument and Technology (Китай, 2009), 15th International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter (Франция, 2008), XXXII-XXXIX Научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО (Россия, 2003, 2004, 2005,2006, 2007, 2008, 2009, 2010), Международный оптический конгресс «Оптика - XXI век» (Россия, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010),International Symposium "Photonics West" (США, 2003).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 28 наименований.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка из 124 наименований, содержит 195 страниц текста, 125 рисунков и 17 таблиц.
«
