Анизотропия излучения ионов эрбия, тулия и хрома в стеклообразных матрицах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Рохмин Алексей Сергеевич

АНИЗОТРОПИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ИОНОВ ЭРБИЯ, ТУЛИЯ И ХРОМА В СТЕКЛООБРАЗНЫХ МАТРИЦАХ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

005558899

Санкт-Петербург - 2014

005558899

Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Никоноров Николай Валентинович

Официальные оппоненты: Дымшиц Ольга Сергеевна

кандидат химических на}«, ОАО НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова», старший научный сотрудник

Бочарова Татьяна Викторовна

доктор физико-математических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, профессор

Ведущая организация: Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе

Российской академии наук (ФТИ им. А.Ф. Иоффе)

Защита состоится 25 декабря 2014 г. в 16— часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.02 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49., ауд. 285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fppo.ifmo.ru.

Автореферат разослан «17» ноября 2014 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.227.02 ¿¿^

доктор физико-математических наук, ¡¡¿^

профессор Денисюк И.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Одной из основных задач развития современных оптических телекоммуникационных систем является увеличение пропускной способности волоконно-оптических линий связи. Это достигается за счет увеличения ширины пропускания, как оптического волокна, так и оптического волоконного усилителя, который используется для усиления сигналов в определенном спектральном диапазоне в магистральных оптических линиях связи. В качестве активной среды для оптических усилителей широкое распространение получили лазерные стекла, активированные ионами редкоземельных элементов: эрбием (переход 41ц>2 —» 4! 15/2. АХ= 1400 - 1700 нм) или тулием (переход 3Н4 -> 3Р4, АХ = 1350 - 1550 нм).

Другой важной задачей является разработка перестраиваемых по частоте волоконных лазеров и сверхширокополосных усилителей (ЛА.~100 нм). В этом случае используются лазерные среды, активированные ионами переходных металлов, которые имеют широкие спектры вынужденного излучения. Так, например, в качестве перспективных лазерных сред можно рассматривать стекла и стеклокристаллические материалы, активированные четырехвалентным хромом. По сравнению с редкоземельными ионами, ионы четырехвалентного хрома имеют рекордно широкие полосы излучения (переход 3А2^>3Т2, АХ = 1050 - 1650 нм) и высокие сечения вынужденного излучения (а = 2x10"19 см2) в ближней ИК области спектра.

При разработке оптических усилителей особое внимание уделяется поляризационным эффектам, которые могут влиять на их работу. Одним из них является поляризованная люминесценция, состоящая в анизотропии излучения и поглощения индивидуальных редкоземельных центров, распределенных в стеклообразной матрице. Эффект поляризованной люминесценции может существенным образом влиять на работу волоконных усилителей света, т.е. приводить к "выжиганию поляризационных провалов" или "поляризационно-зависимому усилению", что ведёт к ухудшению отношения сигнал/шум в усилителе [1].

Впервые поляризованная люминесценция молекул и кристаллов была открыта и исследована Феофиловым П.П. в 1959 году [2] и было выполнено большое число экспериментальных исследований по определению анизотропии и мультипольности оптических переходов в 60-70 годы. Использовавшиеся методики базировались на симметрии структуры кристаллов, поэтому были неприменимы к стёклам. Данные по мультипольностям переходов в спектрах стёкол активированных ионами были получены в 70е-80е годы в результате распространения на стёкла метода поляризованной люминесценции [3]. В частности, в работе [4] была предложена оригинальная методика, позволившая по отдельности исследовать свойства спектров электрических и магнит?

переходов для стёкол с европием. Однако повышенный интерес к этому эффекту в стеклах стал проявляться только с созданием волоконных эрбиевых волоконных усилителей в середине 90-х годов. В настоящее время в мире существует небольшое количество работ посвященных исследованию поляризованной люминесценции редкоземельных активаторов в стеклообразных матрицах. В основном эти работы посвящены исследованию эффектов "выжигания поляризационных провалов" (на примере неодимовых стекол [3]) и "поляризационно-зависимого усиления" непосредственно в активированном эрбиевом волокне [1]. Работы же по изучению анизотропии поглощения и излучения хрома в стеклах и стеклокристаллических материалах отсутствуют. Поэтому изучение эффектов поляризованной люминесценции ионов редких земель и переходных металлов в стеклообразных матрицах является актуальной физической задачей, решение которой позволит учитывать поляризационные эффекты при проектировании и создании волоконных лазеров и оптических усилителей света.

Цель работы: исследование эффекта поляризованной люминесценции ионов эрбия, тулия и хрома в стеклах и стеклокерамиках для оптических усилителей света и лазеров. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• Разработка методики измерения спектров поляризованной люминесценции эрбиевых и тулиевых стекол при возбуждения линейно-поляризованным светом и определение степени поляризации.

• Исследование спектральной зависимости поляризованной люминесценции лазерных стекол, легированных эрбием и тулием, от длины волны возбуждающего излучения, концентрации активатора и состава стеклообразной матрицы и геометрии накачки.

• Разработка методики определения скорости миграции возбуждений и радиусов Ферстера на основе экспериментальных спектров поляризованной люминесценции эрбиевых и тулиевых стекол.

• Исследование поляризованной люминесценции ионов трех- и четырехвалентного хрома в стеклах и стеклокерамиках.

• Разработка методики определения валентного состояния хрома на основе экспериментальных спектров поглощения и поляризованной люминесценции.

Научая новизна работы заключается в том, что в ней впервые: 1. Экспериментально обнаружена частичная поляризация люминесценции

эрбия в области 1400 - 1700 нм для силикатных и фосфатных стекол при

нерезонансном возбуждении линейно-поляризованным светом.

2. Экспериментально обнаружена частичная поляризация люминесценции тулия в области 1350 - 1550 нм мкм для сурьмяно-силикатных, германатных и теллуритных стекол при нерезонаносном возбуждении линейно-поляризованным светом.

3. Экспериментально обнаружена частичная поляризация люминесценции трех- и четырехвалентного хрома в области 650-1400 нм при нерезонансном возбуждении.

4. Экспериментально показано, что степень поляризации люминесценции эрбия и тулия зависит от спектральных диапазонов возбуждения и регистрации, от концентрации активатора, состава матрицы стекла и геометрии накачки.

5. Экспериментально определены значения степени поляризации, которые достигают максимального значения Р ~ 1% и 10% для эрбиевых и тулиевых стекол, соответственно.

6. Обнаружен эффект уменьшения степени поляризации при увеличении концентрации ионов эрбия и тулия и показано, что эта концентрационная деполяризация обусловлена увеличением скорости миграции возбуждений при увеличении концентрации активаторных центров.

7. Предложена методика определения фундаментальных микропараметров лазерной среды - радиуса Ферстера для миграции возбуждений и ап-конверсии.

8. Обнаружена поляризованная люминесценция четырёхвалентного хрома в стекле и форстеритовой стеклокерамике на его основе. Показано, что степень поляризации, наведённой светом поляризованной люминесценцией, может служить дискриминатором валентного состояния ионов хрома в стеклообразной матрице.

Практическое знамение работы состоит в следующем:

1. Результаты исследований поляризованной люминесценции редкоземельных элементов (эрбий и тулий) и переходных металлов (хром) в стеклах и стеклокерамике могут быть использованы для расчета поляризационно-зависимого усиления при проектировании оптических усилителей и оптимизации их характеристик.

2. Предложенный метод измерения поляризованной люминесценции переходных металлов позволяет определять валентные состояния хрома в стеклах и стеклокерамиках.

3. Предложенный метод измерения поляризованной люминесценции эрбия позволяет определить микропараметры - скорость миграции возбуждений и радиусы Ферстера, и на их основе определить макропараметр - коэффициент ап-конверсии, который характеризует лазерную среду и используется при проектировании оптических усилителей и лазеров.

Защищаемые положения:

1. Ионы эрбия в силикатных и фосфатных стеклах демонстрируют частичную поляризацию люминесценции с максимальной степенью поляризации Р ~ 1% в области 1,5 мкм при нерезонансном возбуждении линейно-поляризованным светом.

2. Ионы тулия в сурьмяно-силикатных, германатных и теллуритных стеклах демонстрируют частичную поляризацию люминесценции с максимальной степенью поляризации Р ~ 10% в области 1,4 мкм при нерезонансном возбуждении линейно-поляризованным светом.

3. Увеличение концентрации эрбия в силикатных и фосфатных стеклах и тулия в сурьмяно-силикатных, германатных и теллуритных стеклах приводит к увеличению скорости миграции возбуждений, что приводит к уменьшению степени поляризации.

4. Измерение концентрационной деполяризации эрбия и тулия позволяет определить фундаментальные микропараметры - Ферстеровские радиусы для миграции и ап-конверсии в лазерных средах.

5. Ионы трехвалентного хрома в стеклах и стеклокерамиках демонстрируют частичную поляризацию люминесценции в спектральной области 600-800 нм, а четырехвалентного хрома в области 650-1400 нм при возбуждении линейно-поляризованным светом.

6. Степень поляризации, наведённой светом поляризованной люминесценцией, может служить дискриминатором валентного состояния ионов хрома в стеклообразной матрице.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях: 5th International workshop on photoluminescence in Rare-Earth: Photonic materials and devices, PRE'2014 (San-Sebastian, Spain, 2014), The 8th International Conference on Borate Glasses, Crystals and Melts and The International Conference on Phosphate Glasses (Pardubice, Czech Republic, 2014), The international conference Nanomaterials: Applications and Properties (Alushta, The Crimea, Ukraine, 2013), XIIIth International Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions (Irkutsk, Russia, 2007), International Conference "Laser Optics-2006" (Санкт-Петербург, Россия, 2006), International Symposium "Photonics West" (San Jose, USA, 2003).

Личный вклад автора: содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора. Автор участвовал в постановке целей и задач исследований, в разработке методики и проведении эксперимента, при анализе результатов и формировании выводов. Подготовка к публикации результатов проводилась совместно с научным руководителем и соавторами.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 9 статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 17 наименований. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка из 52 наименований, содержит 118 страниц текста, 52 рисунка и 6 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные задачи исследования, кратко охарактеризовано содержание работы по главам, перечислены основные положения, выносимые на защиту, даны сведения о публикациях, в которых изложено основное содержание работы.

Первая глава носит обзорный характер.

В этой главе рассматриваются общие представления о природе оптических центров, вводится понятие поляризованной люминесценции. Проведен литературный обзор современного состояния исследований в области исследований поляризованной люминесценции в кристаллах и стеклах, и, лазерных материалов активированных ионами четырехвалентного хрома. Также рассмотрены вопросы, связанные с особенностями учета анизотропии поглощения и излучения света редкоземельными ионами в реальных волоконно-оптических усилителях

Во второй главе рассмотрены составы исследованных стекол и наностеклокерамик, а также методы их исследования.

В работе были исследованы следующие составы стекол и стеклокерамик. Были исследованы 2 ряда стекол, активированных эрбием: первый - фосфатный в системе K1O-AI2O3-P2O5 и второй - силикатный ряд в системе Ыа^О-А^Оз-ЗЮг. Для этих рядов содержание эрбия в образцах варьировалось в диапазоне ЕьСЬ = 0.1 - 0.8 мол.%. Образцы стёкол разработаны и синтезированы в ОАО «НИТИОМ ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова» (НИТИОМ). Также были проведены исследования для 3 рядов стекол, активированных тулием: первый-германатный в системе йегОз - Ga20?-Ca0 -BaO- К20- Rb20, второй -сурьмяно-силикатный в системе SiCb -Sb:07 -A12F6 -A12Oi и третий теллуритный ряд в системе TcOi-WOj-PbO. Содержание тулия в образцах изменялось в диапазоне Тт:03 = 0.01 - 0.3 мол.%. Образцы германатного и сурьмяно-силикатного рядя разработаны и синтезированны в фирме Corning, а телуритного в НИТИОМ. Хромсодержащие стекла и стеклокерамики в системе Si02 - MgO - AI2O3 - К20 - Ti02. Содержание Сг:03 в образцах составляло 0,85 и 1,6 вес.%. Образцы разработаны и синтезированы в фирме Corning. Стеклокерамики были получены путем вторичной двухстадийной термообработки. На первой стадии при температуре 700°С создавались центры

нуклеации, затем при температурах от 800 до 900 °С происходил рост кристаллической фазы. Длительность первой фазы для всех стеклокерамик составила 8 часов второй - 2 часа.

Выбор активаторов связан с тем, что материалы, активированные ионами тулия, хрома и эрбия, находят свое практическое применение в волоконных лазерах и усилителях света ближнего ИК диапазона, а большие протяженности активной среды (десятки метров) и относительно низкие концентрации ионов активаторов приводят к заметному влиянию эффектов, связанные с анизотропией поглощения и испускания на выходные характеристики. Силикатные и фосфатные стекла наиболее распространены в качестве активной среды для эрбиевых лазеров и оптических усилителей. В случае тулия наиболее перспективными являются высокопреломляющие стекла, например сурьмяно-силикатные, германатные и теллуритные. Для таких стекол высокочастотная граница колебательного спектра имеет существенно меньшее значение, чем для силикатных и фосфатных стёкол. Это обстоятельство приводит к уменьшению вероятностей внутрицентровых безызлучательных переходов, что способствует увеличению квантового выхода люминесценции. Алюмомагниевосиликатные стекла при термообработке которых выделяется кристаллическая фаза М§28Ю4 в которую входят хрома были выбраны поскольку стеклокерамики объединяют достоинства кристаллов (относительно высокий квантовый выход) и стекол (технологию вытяжки волокна) в одном материале, а монокристаллы форстерита (М§28Ю4) являются одними из наиболее эффективных матриц для ионов четырехвалентного хрома.

Также в главе представлены методика регистрации поляризованной люминесценции эрбия, тулии и хрома в стеклах и стеклокерамиках, также спектрально-люминесцентных параметров стекол и стеклокерамик с хромом. Принцип регистрации поляризованной люминесценции представлен на рисунке 1.

Накачка II /

У

/

Люминесценция

1,1

/,,-/х> о

Накачка 1

—►

Люминесценция

Ш Г-

1ц

1,1 - 1± = 0

Рисунок 1. Принцип возбуждения поляризованной люминесценции.

Сигнал поляризованной люминесценции ( 1ц , 1± , А1(Х) ) может иметь место только в случае возбуждения осцилляторов, расположенных перпендикулярно направлению наблюдения (рисунок 1а). Если же возбуждаются осцилляторы, направление которых параллельно направлению наблюдения, то сигнал поляризованной люминесценции отсутствует (¿1/(А.) = 0 ) (рисунок 16).

Для повышения чувствительности установки свет люминесценции модулировался путём использования комбинации из вращающейся полуволновой пластинки и закреплённого плёночного поляризатора. Интенсивность света люминесценции при этом становилась промодулирована на учетверённой частоте вращения пластинки А./2, а амплитуда модуляции пропорциональна величине дифференциального спектра А1(к) = /ц(А.) - /ДА.), где /ц(А.) - интенсивность света люминесценции, поляризованного параллельно поляризации возбуждающего света, а /±(А) - интенсивность света люминесценции, поляризованного перпендикулярно поляризации возбуждающего света. Результаты измерений 1\\(к) и А1(к) позволяли определить степень поляризации Р = Д1(Х) / [/ц(А,) + /]_(А.)] = А1(к) / 2 [/ц(А.) -

мт

Третья глава посвящена исследованиям анизотропии люминесценции эрбиевых стекол при нерезонансном поляризованном возбуждении.

В ходе экспериментов исследовалась поляризованная люминесценция эрбия в районе основного лазерного перехода между энергетическими уровнями 41 ц/2 —> 41п/2 в фосфатных и силикатных стеклах с различной концентрацией ионов эрбия. При возбуждении образцов линейно поляризованным светом с электрическим вектором, перпендикулярным плоскости, содержащей направление возбуждения и направление наблюдения, была обнаружена частичная поляризация штарковской структуры полосы ^¡13/2—> ^15/2 в спектрах люминесценции эрбия. Данный эффект наблюдался как для силикатных, так и для фосфатных стекол, активированных ионами эрбия. При этом форма контура дифференциального спектра Д1(Х) зависела от длины волны возбуждающего лазерного света (рисунок 2).

5 2

1)

Г

о

г°

1500 1550 1600 Длина волны, нм

Л2...

\ ! 1.1,1,1,1 \1 , 1.1.

1460 1480 1500 1520 1540 1560 1580 1600 Длина волны,нм

Рисунок 2. Дифференциальные спектры поляризованной люминесценции эрбия (Ег203 = 0.1 мол. %) для силикатного (1) и фосфатного (2) стекол, полученные при возбуждении а.) - 532 нм б.) 795 нм.

Также особое внимание уделялось концентрационной зависимости степени поляризации люминесценции. Как для фосфатных, так и для силикатных стекол с различной концентрацией ионов активатора были измерены значения интенсивности люминесценции /,„„, и дифференциальные значения поляризованной люминесценции Д/, на основе которых была посчитана степень поляризации люминесценции. На рисунке 3 показаны значения величины Р, определенные в точке 1500 нм, для концентрационного ряда силикатных и фосфатных стекол.

а

5 З

га

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

0,0

Ч 1

# \

2

-

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Концентрация Ег203 , мол. %

0,9

Рисунок 3. Концентрационная деполяризация люминесценции Ег3+ для силикатного (1) и фосфатного (2) стекол. Накачка Хвозб = 532 нм.

Увеличение концентрации ионов эрбия приводит к уменьшению степени поляризации Р уменьшается, что может быть связано с эффектом концентрационной деполяризации. То есть, миграция возбуждений по метастабильному уровню сопровождается потерей информации об

ориентации осциллятора первоначально возбуждённого светом. Четвертая глава посвящена исследованиям анизотропии люминесценции тулиевых стекол при нерезонансном поляризованном возбуждении.

Для стёкол всех исследовавшихся составов наблюдался эффект частичной поляризации полоса люминесценции 3Н4 —» при возбуждении образцов линейно поляризованным светом в спектрах стёкол, активированных тулием, приобретает. Степень поляризации менялась немонотонным образом так, что форма контура дифференциального спектра АДА.) = /ц(А.) - 1х(к) существенно отличалась от обычного спектра люминесценции (рисунок 4).

Рисунок 4. Спектры поляризованной люминесценции тулия (Тт20з = 0.3 мол. %) в теллуритном стекле, полученные при возбуждении в разные области полосы поглощения 3Н6 - 3Н4: Авоз = 768 нм (кривая 1), Х,в03 = 791 нм (2) и А.воз = 812 нм (3) и спектр обычной люминесценции тулия (4).

Степень поляризации уменьшается с ростом содержания тулия в образце (Рисунок 5). Как и в случае с эрбиевыми стеклами это объясняется миграцией возбуждений по ансамблю оптических центров, так как при этом теряется информация о направлении поглощающего осциллятора в оптическом центре, исходно возбуждённом светом. Для германатных, так и для сурьмяно-силикатных стёкол максимальные значения степени поляризации (~ 0.1) наблюдались для образцов с наименьшей концентрацией тулия 0.1 мол %.

о

О

0,0

0,1 0,2 0,3 0,4

Содержание Ттг03, мол%

Рисунок 5. Концентрационная деполяризация люминесценции тулия для сурьмяно-силикатного (кривая 1) и германатного (2) стекол, измеренная при накачке Хеоз = 791 нм.

Пятая глава посвящена анализу результатов полученных для стекол активированных тулием и эрбием. Также были рассчитаны фундаментальные параметры лазерных стекол - радиусы Фёрстера. Радиус Фёрстера это такое расстояние между оптическими центрами, при котором скорость передачи равна скорости излучательного распада.

Степень поляризации у Тт",+ значительно выше чем у и Ег3+, что можно объяснить с использованием линейной модели оптических осцилляторов, У иона тулия четное количество электронов на внешнем электронном f - уровне. Поэтому вырождения в электрическом поле снимается полностью, а анизотропии излучения и поглощения каждого индивидуального центра может быть сопоставлена определенному линейному осциллятору (рисунок ба).

Рисунок 6. Модель взаимодействия поляризованного света с оптическими осцилляторами

Ансамбль линеИныхосцилляторов (чистые диполи)

Поляризованная люминесценция

Ансамбль 3-осных эллиптических осцилляторов (анизотропные осцилляторы)

Напротив, ион эрбия имеет нечетное количество электронов на внешнем электронном /- уровне и в этом случае картина усложняется. Благодаря низкой симметрии оптических центров в стекле, каждый энергетический уровень является дважды вырожденным, то есть уровни представляют собой крамерсовы дуплеты. В результате анизотропия излучения и поглощения каждого индивидуального центра характеризуется осцилляторами в форме эллипсоида, основного случая анизотропных осцилляторов (рисунок 66). В итоге для системы, состоящей из линейных осцилляторов степень поляризации выше, чем для системы, состоящей из осцилляторов в виде трехосных эллипсоидов.

Радиус Ферстера для миграции рассчитан для силикатных и фосфатных стекол из результатов эксперимента по концентрационной деполяризации люминесценции, активированных ионами эрбия, а также для германатных стекол, активированных ионами тулия. Значения радиуса Ферстера составили для ионов эрбия в силикатном стекле 1,3 А, в фосфатном- 1,5 А, для тулия в германатном стекле 1,1 А. Полученные данные для стекол хорошо совпадают с результатами экспериментов и численного моделирования методом Монте-Карло [5] коэффициентов ап-конверсионного нелинейного тушения.

В шестой главе представлены результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств и анизотропии люминесценции стекол и стеклоксрамик, активированных хромом.

В первой части главы приведены результаты спектроскопических и рентгенографических исследований стекол и стеклокерамик активированных хромом. Показано, что в процессе термообработки выделяется кристаллическая фаза, которая представляет собой соединение состава М§28Ю4 (форстерит), в которую входят ионы хрома. Исследования спектров поглощения и люминесценции позволили сделать вывод о том, что при термообработке трехи четырехвалентные ионы хрома входят в форстеритовую кристаллическую фазу. Следует также отметить, что при термообработке не все ионы хрома переходят в кристаллическую фазу, часть из них остается в стеклообразной фазе, но увеличение длительности термообработки приводит к росту количества ионов хрома, вошедших в кристаллическую фазу.

Во второй части исследовалась поляризованная люминесценция хрома в области 800-1500 нм. В данной области находятся как полосы люминесценции Сг3+ (800-1000 нм) и Сг4+ (1100-1500 нм). Поэтому были проведены исследования зависимости степени поляризации люминесценции от длины волны регистрации при одновременной накачке полос трех- и четырехвалентного хрома и влияние перекрытия на величину степени поляризации рисунок 7.

Длина волны, нм

а)

Длина волны, нм б)

Рисунок 7. Спектральная зависимость степени поляризации люминесценции стекла и стеклокерамик от термообработки, Авозб=532 нм: а.) Т=300К, б.) Т=77К.

Величина степени поляризации сильно меняется в зависимости от длины волны регистрации и имеет место различие зависимости степени поляризации от термообработки. Степень поляризации полосы Сг3+ на порядок меньше степени поляризации полосы Сг4+. Это объясняется тем, что в этом районе начинает люминесцировать четырехвалентный ион хрома, который, как ранее было сказано, является некрамерсовым ионом и для него сильно выражена анизотропия

Основные результаты и выводы работы:

1. Разработана методика измерения поляризованной люминесценции редкоземельных ионов и переходных металлов в разнообразных стеклообразных матрицах при нерезонансном возбуждении.

2. Обнаружена частичная поляризация люминесценции эрбия в фосфатных и силикатных стёклах для основного лазерного перехода 4113/2 —>41|5/2 (ХЛ]0М =1.55 мкм) при нерезонансном возбуждении линейно-поляризованным лазерным светом с длинами волн (А.вотД = 532нм, Хп01д = 790-813 нм и Хвозб = 960-990 нм).

3. Обнаружена частичная поляризация люминесценции тулия в сурьмяно-силикатных, германатных и теллуритных стеклах для основного лазерного перехода 3Я4 -» V4 (Я,лю„ =1.47 мкм) при нерезонансном возбуждении линейно-поляризованным лазерным светом с длинами волн (790-813 нм).

4. Показано, что форма спектра поляризованной люминесценции для эрбия и тулия зависит от длины волны возбуждающего света, состава матрицы стекла и геометрии возбуждения.

5. Показано, что степень поляризации зависит как от спектрального диапазона возбуждения, так и от спектрального диапазона регистрации, и достигает максимального значения Р ~ 1% для эрбия и Р -10% для тулия при нерезонансном возбуждении.

6. Показано, что увеличение концентрации эрбия и тулия приводит к увеличению скорости миграции возбуждения между ионами-активаторами и уменьшению степени поляризации, т.е к деполяризации. Наблюдаемая концентрационная деполяризация объяснена на основе модели, согласно которой при оптическом переходе между парой штарковских подуровней анизотропия поглощения и излучения света соответствует модели линейного осциллятора.

7. Предложена методика определения фундаментальных микропараметров лазерной среды - радиуса Ферстера для миграции возбуждений и ап-конверсии.

8. Обнаружена частичная поляризация люминесценции в стекле и стеклокерамике для основных переходов у трехвалентного хрома (~Т4Т2,2Е -VA2) и четырехвалентного хрома (3Л2 —> 3Т2) при нерезонансном возбуждении линейно-поляризованным лазерным светом с длинами волн (532 и 1000 нм).

9. Показано, что степень поляризации, наведённой светом поляризованной люминесценцией, может служить дискриминатором валентного состояния ионов хрома в стеклообразной матрице.

СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Desurvire Е., Erbium-Doped Fiber Amplifiers Principles and Applications (Wiley, New York, 1994).

2. Феофилов П.П. Поляризованная люминесценция атомов, молекул и кристаллов. М.: ГИФМЛ. 1959, 288 с.

3. Holl D.W. and Weber M.J., Polarized fluorescence line narrowing measurements of Nd laser glasses: Evidence of stimulated emission cross section anisotropy, Appl. Phys. Lett., 42(2), 15 January, 1983

4. Лебедев В.П., Пржевуский А.К. Определение мультипольности. оптических переходов в спектрах стёкол, активированных ионами Еи3+ методом поляризованной люминесценции. Оптика и спектроскопия, 1980, т. 48, №5, 932-935.

5. Nikonorov N.V., Przhevuskii А.К., Chukharev A.V., Characterization of nonlinear upconversion quenching in Er-doped glasses: modeling and experiment. J. of Non-Crystalline Solids. 2003. V. 324. P.92-108

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Из списка ВАК:

1. Rokhmin A.S., Nikonorov N.V., Przhevuskii А.К., Chukharev A.V. Polarized fluorescence of Er3+ in laser glasses // Proc. SPIE. - 2003. - Vol. 4990, iss. Rare-Earth-Doped Materials and Devices VII. - P. 55-61.

2. Rokhmin A.S., Nikonorov N.V., Przhevuskii A.K., Chukharev A.V., Aseev V.A. Measuring of gain/loss spectra in high ytterbium-erbium doped glasses // Proc. SPIE. - 2003. - Vol. 4990, iss. Rare-Earth-Doped Materials and Devices VII. - P. 143-149.

3. Рохмин A.C., Никоноров H.B., Пржевуский A.K., Арсентьева Е.М., Овчаренко Н.В., Чухарев А.В. Спектрально-люминесцентные свойства лазерных высокопреломляющих стекол, активированных тулием. Оптический журнал, 2003. Т. 70, № 11. С. 23-30.

4. Рохмин А.С., Никоноров Н.В., Пржевуский А.К., Асеев В.А., Чухарев А.В. Измерение спектров усиления/потерь в высококонцентрированных лазерных стеклах, активированных иттербий-эрбием. Оптический журнал, 2003. Т. 70, № 11. С. 18-22.

5. Рохмин А.С., Никоноров Н.В., Пржевуский А.К., Чухарев А.В., Ульяшенко A.M. Исследование поляризованной люминесценции в лазерных стеклах, активированных эрбием. Оптика и спектроскопия, 2004. Т. 96, № 2. С. 203209.

6. Рохмин А.С., Никоноров Н.В., Пржевуский А.К. Анизотропия поглощения и люминесценции оптических центров в тулиевых стеклах для оптических усилителей. Оптика и спектроскопия, 2005. Т. 98, № 4. С. 618-623.

7. Веденеев А.В., Ионина Н.В., Орлов В.В., Рохмин А.С., Седых Е.А., Ходзицкий М.К., Козлов С.А. Система накачки инфракрасным излучением для источника непрерывного терагерцового излучения с программным управлением. Научно-технический вестник ИТМО, 2012, №4 (80), с. 23-27.

8. Асеев В.А., Колобкова Е.В., Некрасова Я.А., Никоноров Н.В., Рохмин А.С. Люминесценция марганца во фторфосфатных стеклах. Научно-технический вестник ИТМО, 2012. №6 (82). С. 36-39.

9. Асеев В.А., Жуков С.Н., Кулешов Н.В., Курильчик С.В., Мудрый А.В., Никоноров Н.В., Рохмин А.С., Ясюкевич А.С. Спектрально-люминесцентные свойства ионов хрома в наностеклокерамиках на основе форстерита. Научно-технический вестник ИТМО, 2014. №4 (92). С. 57-61.

Другие публикации:

10. Никоноров Н.В., Пржевуский А.К., Асеев В.А., Рохмин А.С., Ульяшенко A.M. Анизотропия излучения и поглощения оптических центров в стеклах для волноводных лазеров и усилителей света. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2006. Вып. №30. С.142-175.

11. Асеев В.А., Колобкова Е.В., Некрасова Я.А., Никоноров Н.В., Рохмин А.С. Оксифторидные стекла для красных люминофоров // Физика и Механика Материалов.-2013.-Т. 17.-№2.-С. 135-141.

12. Рохмин А.С. Анизотропия поглощения и излучения в лазерных стеклах, активированных тулием // Вестник II межвузовской конференции молодых ученых СПбГУ ИТМО. - Санкт-Петербург: СПбГУ ИТМО, 2005. - Т. 2. - С. 245-250.

13. Rokhmin A.S., Nikonorov N.V., Przhevuskii А.К. Anisotropy of absorption and emisson of erbium and thulium ions in laser glasses for optical amplifiers // Proceedings of International Conference "Laser 0ptics-2006". - 2006. - P. 50.

14. Rokhmin A.S., Nikonorov N.V., Przhevuskii A.K., Aseev V.A. Absorption and fluorescence anisotropy of of optical center in erbium and thulium laser glasses // Books of abstracts XIII Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped by rare earth and transition metal ions. - Irkutsk, 2007. - P. 86.

15. Aseev V., Kolobkova E., Nekrasova Y., Nikonorov N., Nuryev R., Rokhmin A. Up-conversion and IR Luminescence of Ytterbium-Erbium Oxyfluoride Silicate Glassceramics // Proceedings of The international conference Nanomaterials: Applications and Properties. - 2013. - Vol. 2. - N 4. - P. 04NEA14.

16. Rokhmin A., Aseev V., Nikonorov N., Przhevuskii A. Erbium and thulium ions polarized luminescence in glasses // 5th International workshop on photoluminescence in Rare-Earth: Photonic materials and devices (PRE'2014). -13-16 May 2014, San-Scbastian, Spain. - P. 53.

17. Aseev V.A., Kolobkova E.V., Nikonorov N.V., Rokhmin A.S., Fedorov Y.K. Ytterbium metaphosphate glass doped with erbium for microchip laser // International Conference Borate-Phosphate 2014 (The 8th International Conference on Borate Glasses, Crystals and Melts and The International Conference on Phosphate Glasses): Book of Abstracts. - 30 June-4 July 2014, Pardubice, Czech Republic. - P. 202.

Подписано в печать: 25.10.14г. Формат: 60x84 1/16 Печать офсетная. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Тираж: ЮОэкз. Заказ: 387 Отпечатано: Учреждение «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., д.14 +7(812) 9151454, zakaz@tibir.ru, www.tibir.ru