Оптические свойства волоконных световодов с сердцевиной из стеклообразных SiO2 и GeO2, легированных висмутом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Фирстова Елена Георгиевна

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДОВ С СЕРДЦЕВИНОЙ ИЗ СТЕКЛООБРАЗНЫХ 8Ю2 И Се02, ЛЕГИРОВАННЫХ ВИСМУТОМ

01.04.21 — Лазерная физика

2 5 ПАР 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва —2015

005561115

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Научном центре волоконной оптики Российской академии наук

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, НЦВО РАН, г. Москва

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией волоконной оптики, Институт автоматики и электрометрии СО РАН

Горелик Владимир Семенович доктор физико-математических наук,

профессор, заведующий лабораторией комбинационного рассеяния света, Физический институт им. П.Н Лебедева РАН

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт спектроскопии Российской академии наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: Буфетов Игорь Алексеевич

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Бабин Сергей Алексеевич

Защита диссертации состоится 18 мая 2015 года в 15:00 на заседании диссертационного совета Д002.063.03 при ИОФ РАН по адресу г. Москва 119991, ул. Вавилова, 38, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН.

Автореферат разослан " ¡(э " марта 2015 г.

Ученый секретарь р^

диссертационного совета — /7 ¡5 воляк/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования

Прогресс в области лазерных технологий привел к тому, что лазеры стали активно применяться в самых различных отраслях науки и техники (наукоемкие и военные технологии, телекоммуникации, медицина, промышленность). Перспективы развития лазерных технологий связаны в первую очередь с проведением непрерывных исследований в области лазерной физики, фотоники, прикладной оптики, материаловедения. Одним из важнейших этапов таких исследований является поиск новых типов активных сред с уникальными свойствами.

В зависимости от специфики области применения возникает необходимость получения лазеров с определенными параметрами: высокой стабильностью, компактностью, качеством пучка и высокой мощностью выходного излучения и т.п. Именно это послужило причиной, особенно в последнее время, активного внедрения волоконных лазеров, которые находят новые области применения, постепенно вытесняя другие виды лазеров. Волоконные лазеры получили свое название из-за особенностей лазерной среды, которая представляет собой оптическое волокно, состоящее из стеклянной оболочки и светововедущей сердцевины с активными ионами. До настоящего времени для создания волоконных лазеров, также как и для объемных твердотельных лазеров, использовались, главным образом, редкоземельные ионы. На Рис. 1 представлены области генерации эффективных волоконных лазеров на редкоземельных ионах. Видно, что,

УЬ3 +

Ег3 + Тт3+ Но3*"

800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 Д.7ппа волны, нм

Рис. 1. Области генерации волоконных лазеров на световодах из кварцевого стекла, содержащего редкоземельные ионы [1].

несмотря на обширную область возможной генерации редкоземельных лазеров, существуют не доступные для их использования диапазоны 11501530 нм и 1625-1775 нм. В 2005 г. был создан первый волоконный лазер

3

- 1 □ 1 - .......... □; пи .................;..........................-................ 1 «

1..........1 1 • 1 • 1

(висмутовый лазер), не имеющей аналога среди объемных твердотельных лазеров [2, 3]. Первый висмутовый лазер излучал в области 1140-1215 нм и был реализован с использованием волоконного световода с сердцевиной из алюмосиликатного стекла, легированного висмутом.

Это стало первым шагом к освоению волоконными лазерами новых спектральных областей, в которых не работают лазеры на редкоземельных ионах. Позже было показано, что изменением химического состава стеклянной матрицы, можно сдвигать полосу усиления висмутовых световодов. Это позволило разработать волоконные висмутовые лазеры, которые могут излучать в спектральной области от 1140 до 1550 нм [4-7]. Недавно на висмутовых световодах была получена лазерная генерация в новой области 1625-1775 нм [8]. КПД висмутовых лазеров обычно находится в пределах 10-50 % в зависимости от спектральной области генерации. Столь широкий спектральный диапазон, в котором могут работать устройства на основе световодов с висмутом, открывает большие перспективы применения.

В качестве потенциально возможных применений висмутовых лазеров можно выделить следующие: в телекоммуникациях — широкополосные усилители; в астрономии — генерация желтого света путем удвоения частоты висмутовых лазеров (например, [9]); в медицине — источники излучения с определенной длиной волны для дерматологии, косметологии, офтальмологии и др. [10]; в нефтегазовой промышленности — для создания газоанализаторов (в частности, обнаружения метана СН4 в воздухе).

Основным недостатком существующих в настоящее время содержащих висмут эффективных лазерных сред является то, что рабочие концентрации висмута не превышают 0.02 ат.% (повышение концентрации висмута приводит к снижению КПД лазеров вплоть до невозможности получения генерации), а следовательно коэффициент поглощения накачки в сердцевине эффективного световода находится на уровне от десятых долей до ~ 1 дБ/м (по этой причине висмутовые лазеры с высоким КПД являются чрезмерно длинными — до 200 м). Это не позволяет использовать схему ввода излучения накачки в световод через первую оболочку, и для эффективного поглощения (получения высокого КПД) вынуждает использовать ввод накачки в сердцевину с соответствующими высокими требованиями к качеству излучения накачки. Отсутствие одномодовых полупроводниковых источников излучения с высокой выходной мощностью (более 2 Вт) приводит к значительному усложнению систем накачки висмутовых лазеров. Схема накачки экспериментальных образцов обычно имеет вид: многомодовый полупроводниковый лазерный диод —* иттербиевый лазер —» рамановский лазер —* висмутовый лазер.

4

Основным препятствием для оптимизации конструкции висмутовых лазеров является несовершенство активной среды, одной из причин которого является недостаточно изученная физическая природа ИК висмутовых активных центров (ВАЦ). Ситуация осложняется тем, что ионы висмута в стекле могут иметь разные степени окисления, полосы поглощения и люминесценции которых в неоднородных стеклообразных средах сложного химического состава имеют большую ширину полос и взаимно перекрываются. Использование дискретного набора длин волн возбуждения и люминесценции для изучения таких стекол не позволяло получать полную информацию о свойствах ВАЦ, что привело к появлению многочисленных гипотез о структуре ВАЦ.

Трудности, связанные с интерпретацией полученных результатов, могли быть преодолены получением экспериментальных данных по изучению оптических свойств стекол простого состава, которые позволили бы существенно продвинуться в понимании физической природы ВАЦ. Однако таких детальных исследований проведено не было.

Поэтому проведение детального экспериментального исследования оптических свойств висмутовых волоконных световодов с простым составом стекла сердцевин является актуальной задачей. Решение данной задачи позволит расширить объем имеющихся знаний о ВАЦ, а также получить информацию о возможности усовершенствования существующих висмутовых лазеров.

Цели и задачи работы

Целью данной работы являлось подробное исследование оптических свойств волоконных световодов с сердцевиной из стеклообразных ЭЮ2 (V-8Ю2) и 0е02 (у-0е02), легированных висмутом, в широком спектральном диапазоне длин волн возбуждения и люминесценции от 220 до 2000 нм, определение энергетических уровней висмутовых активных центров, люминесцирующих в ИК-области и участвующих в получении лазерной генерации.

Для достижения поставленной цели ставились и решались следующие задачи:

• Исследование оптических свойств волоконных световодов различного состава с висмутом в широкой спектральной (УФ, видимой и ближней ИК) области.

• Проведение низкотемпературных измерений (Г= 77 К) спектрально-люминесцентных свойств ВАЦ и их сравнение с результатами, полученными при комнатной температуре.

• Анализ графиков возбуждения-эмиссии люминесценции с целью определения положений энергетических уровней ВАЦ.

• Исследование влияния состава стекла сердцевин висмутовых световодов на положение энергетических уровней ВАЦ.

• Изучение антистоксовой люминесценции ВАЦ при последовательном двухквантовом возбуждении.

• Исследование возможностей получения лазерной генерации на ВАЦ в исследуемых световодах.

Научная новизна

1. Проведено подробное исследование люминесцентных свойств ВАЦ в световодах, легированных висмутом, в широком спектральном диапазоне длин волн возбуждения и люминесценции 220-1600 нм; построены спектры возбуждения-эмиссии люминесценции для световодов из кварцевого и германатного стекол с висмутом, а также световодов на основе кварцевого стекла с добавками оксидов алюминия/фосфора/германия.

2. Идентифицированы и построены схемы энергетических уровней ВАЦ, образующихся в световодах из германатного и кварцевого стекла с висмутом, энергия возбуждения которых (уровней) не превосходит 5.2 эВ. Определены времена жизни люминесценции для большинства наблюдаемых оптических переходов в ВАЦ.

3. Наблюдалось оптическое усиление в световоде из чистого 8Ю2, легированного висмутом.

4. Создан лазер на световоде из чистого ЭЮг, легированного висмутом. Длина волны генерации лазера была 1460 нм. Лазерная генерация получена на активных центрах, образующихся в чисто кварцевом стекле с висмутом.

5. Проведено исследование антистоксовой люминесценции ВАЦ в световодах из стеклообразного ЭЮг и 0е02 при ступенчатом двухквантовом возбуждении. Получены спектры возбуждения люминесценции на 830 нм (v-ЗЮ2) и 950 нм (у-0е02) от длины волны одного из двух возбуждающих квантов при фиксированной длине волны (или энергии) второго.

Практическая значимость работы

Полученные результаты могут быть использованы для построения адекватной модели висмутовых активных центров в исследованных стеклах, при оценке возможности создания висмутовых лазеров и волоконных оптических усилителей для различных спектральных диапазонов, а также для создания новых разновидностей оптических материалов, легированных

висмутом, с лучшими оптическими свойствами по сравнению с имеющимися в настоящее время.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Трехмерные спектры возбуждения-эмиссии люминесценции в широком спектральном диапазоне позволяют определить энергии уровней и основных излучательных переходов, принадлежащих активным центрам в висмутовых волоконных световодах на основе кварцевого и германатного стекол.

2. Схемы энергетических уровней висмутовых активных центров, ассоциированных с кремнием (ВАЦ-Si) и германием (ВАЦ-Ge) являются подобными друг другу, при этом каждый уровень ВАЦ-Ge лежит на 10-16% по энергии ниже по сравнению с соответствующим ему уровнем в ВАЦ-Si.

3. Оптическое усиление в диапазоне длин волн 1410-1470 нм и лазерная генерация на 1460 нм реализуются на излучательном переходе между основным и первым возбужденным уровнями активного центра, формирующегося в волоконном световоде с висмутсодержащей сердцевиной из v-Si02.

4. Экспериментальные результаты по ступенчатому двухквантовому возбуждению подтверждают предложенные схемы энергетических уровней для висмутовых активных центров в v-SiOj и v-Ge02, легированных висмутом.

Личный вклад диссертанта

Основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии.

Апробация работы

Основные полученные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях и научных школах: XIV всероссийская конференция и VI школа молодых ученых "Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ, применение" (Н.Новгород, Россия, 2011); 5th European Physical Society Quantum Electronics and Optics Division (EPS-QEOD) Europhoton Conference (Стокгольм, Швеция, 2012); 11-я Всероссийская (с международным участием) конференция с элементами научной школы для молодежи "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение" (г. Саранск, Россия, 2012), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics / The Lasers,

Applications, and Technologies Conference (ICONO/LAT) (Москва, Россия, 2013). Основные результаты неоднократно докладывались на семинарах (НЦВО РАН и ИОФ РАН) и были представлены на конкурсе молодых сотрудников НЦВО РАН.

Публикации

Основные результаты опубликованы в 4 статьях в журналах из Перечня ВАК и в 4 сборниках трудов всероссийских и международных конференций, а также 1 электронном препринте. Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 138 страниц машинописного текста, содержит 61 рисунок и 12 таблиц. Список литературы содержит 157 наименований. В конце каждой главы представлены основные полученные в ней результаты.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи диссертации, научная новизна, защищаемые положения и практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора, излагается структура диссертации и благодарности.

В первой главе представлен обзор опубликованных другими авторами результатов, касающихся спектрально-люминесцентных свойств объемных стекол, кристаллов и волоконных световодов, легированных висмутом. Подробно рассмотрены основные опубликованные данные по механизмам появления полос видимой люминесценции в оптических средах с висмутом. Приводится описание влияния основных факторов (состава стекла, температуры, атмосферы, концентрации активатора) на оптические свойства центров ИК-люминесценции.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных образцов, технологии их изготовления, основных схем проведения экспериментов, в частности, измерения спектров поглощения, трехмерных спектров возбуждения-эмиссии люминесценции висмутовых активных центров, времен затухания люминесценции и спектров антистоксовой люминесценции при ступенчатом возбуждении.

В третьей главе представлены экспериментальные результаты, касающиеся исследования оптических свойств легированных висмутом световодов из у-БЮг (8В1), а также из у-БЮг с добавкой алюминия (А8В1) или фосфора (РБВО.

Показано, что спектр поглощения световода с сердцевиной из чистого кварцевого стекла с висмутом содержит отчетливые полосы поглощения с максимумами на длинах волн 1400, 830, 420 и 375 нм. При введении оксида алюминия или оксида фосфора в сердцевину световода из кварцевого стекла с висмутом происходит существенное усложнение спектра поглощения, обусловленное уширением и взаимным перекрытием полос поглощения. В обоих случаях происходит сдвиг максимумов полос поглощения в коротковолновую сторону по сравнению с аналогичными максимумами для 8Вь

В пункте 3.2 представлены результаты исследования люминесцентных свойств световода из у-8Ю2 методом построения трехмерных спектров возбуждения-эмиссии люминесценции в широком спектральном диапазоне при Т= 300 и 77 К. На Рис. 2а представлен трехмерный спектр 8В1-образца, полученный при Т= 300 К.

з1000-

I

-• ,А

2 L

ДЁг, д ЩШ

300 400 500 600 ГО0 800 900 1000 11001200130014 Длина волны люминесценции, t

Рис.

а б

2. а) Трехмерный спектр возбуждения-эмиссии люминесценции SBi-

световода легированного висмутом при Т = 300 К. Цветом указана интенсивность люминесценции в относительных единицах, б) Схема энергетических уровней ВАЦ-81. На схемах сплошными линиями со стрелками, направленными вниз, обозначены наблюдаемые переходы при Г=300К. Пунктиром обозначены переходы, люминесценция которых не наблюдалась. Справа указаны измеренные времена жизни первых трех возбужденных уровней.

Сравнивая спектры возбуждения люминесценции и оптических потерь (Рис. За), можно констатировать, что полосы возбуждения основных пиков люминесценции совпадают с полосами поглощения. Совпадение спектров возбуждения люминесценции на 830 нм и 1410 нм доказывает их принадлежность единому ВАЦ (далее ВАЦ-81). Серия же пиков С значительно отличается от серий пиков А и В тем, что длины волн возбуждения пиков этой серии не совпадают с длинами волн пиков ИК-люминесценции. Это указывает на отсутствие связи между источником этой люминесценции и ИК висмутовыми активными центрами в 8Вьобразце.

Длина волны, нм Длина волны возбуждения, нм

а б

Рис. 3. а) Спектры возбуждения люминесценции на 1410 и 830 нм (1, 2) и спектр поглощения (3) световода с сердцевиной из чисто кварцевого стекла с висмутом; б) спектры возбуждения красной люминесценции: SBi-световод (1), в кристаллах SrB6Oi0:Bi2+ (2) и SrB407:Bi2+ (3) [11]

Было проведено сравнение полученных нами спектров возбуждения люминесценции 8В1-световода на длине волны 600 нм со спектрами возбуждения люминесценции ионов В12+ в кристаллах [11]. Наблюдаемое качественное и количественное подобие спектров люминесценции и возбуждения является подтверждением принадлежности пиков люминесценции С ионам В12т в сетке кварцевого стекла (Рис. 36). И, следовательно, ионы В12+ не связаны, по-видимому, с ИК висмутовыми активными центрами.

Таким образом, на основании полученных спектров возбуждения-эмиссии люминесценции была получена структура энергетических уровней ИК ВАЦ в 8Ю2 световоде (Рис. 26).

В пункте 3.3 приводятся экспериментальные данные (временные зависимости затухания люминесценции) по определению времен жизни люминесценции основных излучательных переходов ВАЦ в вВк Длины волн возбуждения выбирались исходя из значений длин волн поглощения,

соответствующих переходам БЕо—^Е], 8Е0—>8Ег и 8Е0—>8Е3 (Рис. 26). В результате были определены времена жизни люминесценции переходов 8Е1->8Е2, 8Е2—^Ео и БЕз-^Ез, которые составили 640, 40 и 3 мкс соответственно. На Рис. 26 приведены полученные времена жизни излучательных переходов с соответствующих уровней возбужденного состояния в основное состояние.

В пункте 3.4 рассмотрена возможность получения оптического усиления и непрерывной лазерной генерации в волоконном световоде с сердцевиной из стеклообразного 8Ю2, легированного висмутом, без других легирующих добавок. Для этого использовался переход 8Е|—>8Е0 с большим временем жизни, значительную заселенность которого можно получить при сравнительно низких интенсивностях излучения накачки.

Для получения лазерной генерации был создан висмутовый волоконный лазер (ВВЛ) (Рис. 4). Резонатор лазера состоял из активного 8В¡-световода длиной 8 м и волоконных брэгговских решеток (БР) на длину волны ЯВ]= 1460нм, приваренных к концам световода. Одна из решеток (БР100) имела коэффициент отражения, близкий к 100%, а другая (БР30), являющаяся выходным зеркалом резонатора, 30%.

Рис. 4. Схема висмутового волоконного лазера, работающего в непрерывном режиме. ИН — источник накачки (л„ = 1340 нм); БР — брэгговская решетка (справа указан коэффициент отражения). Точками обозначены места сварки световодов.

Таким образом, впервые была продемонстрирована лазерная генерация в ближней ИК-области на световоде из чисто кварцевого стекла, легированного висмутом. Зависимость выходной мощности ВВЛ от поглощенной мощности накачки (на длине волны 1340 нм) показана на Рис. 5а. Показано, что лазерная генерация на ВАЦ-81 может быть получена в диапазоне длин волн от 1410 до 1470 нм, где коэффициент усиления превосходит оптические потери. Спектр оптического усиления 8В1 световода представлен на Рис. 56. Максимальное значение оптического усиления при накачке на длине волны 1340 нм при мощности 340 мВт достигало около 8 дБ в максимуме на 1440 нм.

*

ИН

В пункте 3.5 рассмотрено влияние легирования оксидов алюминия и фосфора на спектрально-люминесцентные свойства ВАЦ в широкой спектральной области возбуждения и люминесценции.

а б

Рис. 5. а) Зависимость мощности выходного излучения ВВЛ на длине волны 1460 нм от мощности поглощенного излучения накачки на длине волны 1340 нм; б) спектр усиления ЗВьсветовода при мощности накачки 340 мВт.

а б

Рис. 6. Трехмерные спектры возбуждения-эмиссии люминесценции a) ASBi-образца; б) PSBi-образца при возбуждении в области длин волн от 250 до 1600 нм; в) схема энергетических уровней ВАЦ-Р. Сплошной линией со стрелкой обозначены наблюдаемые излучательные переходы, пунктирной — ненаблюдаемые. Уровень РЕ5 изображен пунктирной линией, поскольку его достоверное положение в эксперименте не было установлено.

На Рис. 6а,б представлены трехмерные спектры возбуждения-эмиссии люминесценции для ASBi- и PSBi-образцов, соответственно. Характерным отличием трехмерных графиков ASBi и PSBi от SBi-стекла является сложный вид контуров распределения интенсивности люминесценции. Данное обстоятельство указывает на сложную структуру (нескольких близко расположенных взаимно перекрывающихся максимумов люминесценции)

этих максимумов (в частности, 1-13 для РЗЕН и 0-02 для А8В1). Тем не менее, на полученных трехмерных графиках Р8В1-стекла наблюдается серия пиков люминесценции Р-Р2, которая по своему положению подобна серии В-ВЗ, принадлежащая ВАЦ-8к В предположении подобия структур ВАЦ-Р и ВАЦ-81, по положению пиков Р-Р2 (по длинам волн возбуждения) были оценены энергии 2-ого, 3-ого и 4-ого возбужденных состояний ВАЦ-Р (Рис. бв). Оценка положения первого возбужденного состояния ВАЦ-Р осуществлялось как по положению полосы I (Рис. 66), так и по спектральному диапазону длин волн генерации, полученному на ВАЦ-Р. Построенная таким образом схема уровней ВАЦ-Р, приведенная на Рис. 6в, подобна схеме уровней ВАЦ-81, но каждый уровень ВАЦ-Р расположен выше соответствующего уровня ВАЦ-8ь

В случае АБВЬобразца полученных экспериментальных данных было недостаточно для построения даже приближенной схемы энергетических уровней.

Четвертая глава была посвящена рассмотрению оптических свойств ВАЦ в германатном стекле (ВАЦ-Ое). Технология, используемая для изготовления исследуемых образцов, не позволяет получать световоды с сердцевиной, состоящей из чистого у-0е02. Как правило, в сердцевине таких световодов содержится не менее 5 мол.% 8Ю2, присутствие которого обусловлено диффузией материала оболочки. Наличие примеси БЮ2 приводит к формированию типичных центров люминесценции (ВАЦ-81), характерные полосы которых можно наблюдать в спектре поглощения (пункт 4.1 диссертационной работы) и на трехмерном спектре возбуждения-эмиссии люминесценции (серии А и В) (Рис. 7а) (пункт 4.2). Также была обнаружена серия максимумов люминесценции АО (Хщ^бОО нм; Хет=1670 нм) и Вв (Хех~925 нм; Хет=955 нм), подобные сериям пиков А и В, но смещенные в ИК-область. Появление этих максимумов обусловлено формированием ВАЦ-Ое. В пункте 4.3 была представлена соответствующая схема уровней ВАЦ-Ое с указанными излучательными переходами в УФ, видимой и ближней ИК-области (Рис. 76). Показано, что схема уровней ВАЦ-Ое является подобной схеме уровней ВАЦ-81, но каждый уровень расположен (по энергии) ниже, чем соответствующий уровень ВАЦ-81. Таким образом, в германосиликатном стекле с висмутом сосуществуют два типа висмутовых активных центров (ВАЦ-81 и ВАЦ-Ое) с подобной структурой энергетических уровней. Отметим, что на обнаруженном переходе ОЕ1—<-ОЕ0 в ОВ1 световоде,

подобном лазерному переходу SE]—>SE0 в SBi световоде, недавно была получена лазерная генерация в области 1625-1775 нм [8].

.......GE,(250hm)

......, (340 мм)

Ige,

(390 нм) -GE,(463 нм)

——GE, (925нм) ---GE.(1650нм)

SS --ge,

б а

Рис. 7. а) Трехмерный спектр возбуждения-эмиссии люминесценции GSBi образца. Стрелками указаны положения двух максимумов (AG и AGI), которые не наблюдались в эксперименте из-за низкой интенсивности люминесценции; б) схема энергетических уровней ВАЦ-Ge. Сплошные линии со стрелкой указывают оптические переходы, в результате которых наблюдается люминесценция, штриховые линии со стрелкой — ненаблюдаемые переходы. Штриховыми линиями обозначены уровни, положение которых искажено из-за присутствия в стекле германиевых кислородно-дефицитных центров.

Кроме того, в германосиликатных стеклах происходит формирование германиевых кислородно-дефицитных центров, ответственных за появление синей люминесценции (серия максимумов Т-Т2). Наличие интенсивных УФ-полос поглощения, принадлежащих германиевым кислородно-дефицитным центрам, стало причиной искажения положений GE4 и GE5 уровней ВАЦ-Ge (показаны на Рис. 76 штриховыми линиями).

В пятой главе (пункт 5.1) изложены результаты исследований УФ-поглощения и возбуждения ВАЦ для различных типов световодов. Обнаружено подобие спектров поглощения и возбуждения ИК-люминесценции в УФ-области для SBi- и PSBi-образцов. В пункте 5.2 приведены результаты экспериментов по получению характерной антистоксовой люминесценции, возникающей при ступенчатом двухквантовом возбуждении (двумя длинами волн), на примере световодов из германатного и кварцевого стекол, легированных висмутом. На Рис. 8 показаны зависимости изменения интенсивности люминесценции (спектры возбуждения антистоксовой люминесценции) на 830 нм (переход со второго

возбужденного на основной уровень — Е2-»Е0) для SBi-образца и 950 нм для GBi-образца от длины волны возбуждения лех2 в случае ступенчатого возбуждения. Как и следовало ожидать, эти зависимости носят резонансный характер и соответствуют переходам между уровнями Е0—»Ei и Ei—>Е2.

2.0 1.8 Щ |.б

р 1.4

0

1

1 1.0 й

5 0.8 | 0.6 1 0.4 0.2 0,0

поо 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Длина волны нм

Рис. 8. Зависимости интенсивностей люминесценции на длине волны Л^т=830 нм (SBi) и 950 нм (GBi) от длины волны возбуждения Яех2 при постоянном значении длины волны возбуждения лех].

Если для SBi образца в качестве излучения с неизменным значением энергии (Aexi) фотонов выбрать излучение с длиной волны 1900 нм, то максимальное значение интенсивности люминесценции на 830 нм достигалось на длине волны Яех2 = 1380 нм (переход Е0—>Е,) (Рис. 8, кривая 1). В другом эксперименте максимум интенсивности люминесценции на 830 нм с ЯеХ1 = 1350 нм был расположен на длине волны Яех2= 1900 нм (переход Ei-»E2) (Рис. 8, кривая 2). Кривые 3 и 4, приведенные на Рис. 8, относятся к световоду из германатного стекла с висмутом. Таким образом, были определены энергии переходов Е0—>Ei и Ei—>Е2 для германатного и кварцевого стекол, легированных висмутом.

Особенностью расположения энергетических уровней ВАЦ в кварцевом и германатном стеклах является то, что второй Е2 и третий Е3 возбужденные уровни расположены таким образом, что энергии переходов Е0—»Е2 и Е2—>Е3 приблизительно равны. В этом случае для ступенчатого возбуждения на уровень Е3 достаточно излучения с одной длиной волны (через возбужденный уровень Е2): ЯеХ1 = Яех2« 830 нм для SBi и «945 нм для GBi-образца. В качестве примера на Рис. 9 представлен спектр антистоксовой

1:?. =830 нм: X ,"1900нм 3: л =950 нм: Л„,=2000 нм

cm ex 1 cm exi

2:>. "830 нм; ^ .=1350 им 4: л. -950 нм; \ .= 1650 им

люминесценции легированного висмутом германатного световода при возбуждении на 925 нм, полученного при температуре 77 К.

1,5

5

X р

° 1,0 Л Н О о X 09

о 0.5 X и н

X

к

0.0

400 500 600 700 800 ООО 1000 Длина волны,нм

Рис. 9. Спектр люминесценции ОЕН-световода при возбуждении на 950 нм (линия 1) и 450 нм (линия 2). Измерения выполнены при температуре световода Т= 77 К.

Спектр антистоксовой люминесценции состоит из узких полос на длинах волн 480 и 655 нм, возникающих в результате соответствующих переходов Е3—>Ео и Е3—>Еь Аналогичные полосы люминесценции наблюдались при возбуждении на 460 нм (переход Е0-»Е3). В данном пункте была получена антистоксовая люминесценция с уровня Е3 при возбуждении двумя квантами с длинами волн 1568 и 657 нм (через промежуточный уровень Е,). Таким образом, регистрация характерной антистоксовой люминесценции при ступенчатом двухквантовом возбуждении являлась независимым доказательством, указывающим на справедливость построенных схем энергетических уровней ВАЦ-81 и ВАЦ-Ое.

В пункте 5.3 обсуждается физическая природа висмутового активного центра, ответственного за лазерную генерацию в волоконных световодах с сердцевиной из стеклообразных 8Ю2 и Се02, легированных висмутом. Результаты данной диссертационной работы стали основанием проведения теоретических расчетов. В.О. Соколов с соавторами [12] представили полученные расчетным путем положения энергетических уровней центров люминесценции, формирующихся в кварцевом и германатном стекле в присутствии висмута. Экспериментальные, полученные в настоящей работе, и теоретические результаты показаны на Рис. 10. Хорошее совпадение теории и эксперимента получалось только для модели, в которой висмутовый активный центр состоит из нейтрального атома В1°, находящегося вблизи нейтральной кислородной вакансии, или иона В Г с отрицательно заряженной вакансией.

О») (Ь)

Рис. 10. Экспериментальные (слева) и расчетные (справа) схемы уровней и энергии переходов, принадлежащих висмутовым активным центрам: а) у-8Ю2, Ь) у-Се02. Значения энергии уровней представлены в 103 см4, а длины волн - в мкм [12].

В заключении работы сформулированы основные выводы по результатам проведенных исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе исследованы оптические свойства висмутовых активных центров в стеклообразных 8Ю2 и 0е02 и получены следующие результаты:

1. Впервые для световодов с сердцевиной из у-8Ю2 и у-0е02, легированных висмутом, получены спектры эмиссии и возбуждения люминесценции в широком диапазоне длин волн 240-1600 нм со спектральным разрешением 10 нм при Т= 77 и 300 К. Исходя из полученных данных, были определены положения пяти возбужденных энергетических уровней и основные излучательные переходы, принадлежащие висмутовым активным центрам. Для основных излучательных переходов ВАЦ определены времена жизни люминесценции. Установлено, что схемы энергетических уровней висмутовых активных центров, ассоциированных с кремнием (ВАЦ-81) и германием (ВАЦ-Ое), подобны друг другу, но с более

низкими значениями энергии уровней ВАЦ-Ge: каждый уровень ВАЦ-Ge лежит на 10-16% по энергии ниже по сравнению с соответствующим ему уровнем в ВАЦ-Si.

2. Впервые показано, что в германосиликатных и фосфоросиликатных световодах, легированных висмутом, происходит формирование нескольких типов центров: ВАЦ-Si, ВАЦ-Ge и ВАЦ-Si, ВАЦ-Р соответственно.

3. Впервые продемонстрировано оптическое усиление и лазерная генерация в волоконном световоде из чистого SiOi, легированного висмутом, на излучательном переходе SE,—>SE0, принадлежащем ВАЦ-Si. Оптическое усиление наблюдалось в диапазоне длин волн 1410-1470 нм, лазерная генерация получена на длине волны 1460 нм при накачке на длине волны 1340 нм, КПД лазера составил 3%.

4. Впервые измерены спектры возбуждения люминесценции на переходе между вторым возбужденным уровнем и основным уровнем энергии в висмутовых активных центрах в v-Si02 и v-Ge02 при ступенчатом двухквантовом возбуждении в ИК области (1100-2000 нм).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи

1. Firstov S.V., Khopin V.F, Bufetov I.A., Firstova E.G., Guryanov A.N., Dianov E.M. Combined excitation-emission spectroscopy of bismuth active centers in optical fibers // Optics Express. - 2011. - Vol. 19. - Issue 20. - P. 19551-19561

2. Bufetov I.A., Melkumov M.A., Firstov S.V., Shubin A.V., Semenov S.L., Velmiskin V.V., Levchenko A.E., Firstova E.G., and Dianov E.M. Optical gain and laser generation in bismuth-doped silica fibers free of other dopants // Optics Letters.-2011.-Vol. 36.-Issue 2.-P. 166-168

3. Firstov S.V., Khopin V.F., Velmiskin V.V., Firstova E.G., Bufetov I.A., Guryanov A.N., Dianov E.M. Anti-Stokes luminescence in bismuth-doped silica and germania-based fibers // Optics Express. - 2013. - Vol.21. - Issue 15.-P. 18408-18413

4. Фирстова Е.Г., Буфетов И.А., Хопин В.Ф., Вельмискин В.В., Фирстов C.B., Буфетова Г.А., Нищев К.Н., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Люминесцентные свойства висмутовых активных ИК центров в стеклах на основе Si02 в диапазоне от УФ до ближнего ИК // Квантовая электроника. - 2015. - Т.45. -№1. - С. 59-65.

Электронный препринт

5. Фирстов C.B., Хопин В.Ф., Буфетов И.А., Фнрстова Е.Г., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М., Спектры возбуждения-эмиссии люминесценции ИК висмутовых активных центров в волоконных световодах [электронный препринт] - Режим доступа: http://arxiv.org/flp/arxiv/papers/1106/1106. 2969.pdf

Доклады на конференциях

6. Фирстов C.B., Хопин В.Ф., Мелькумов М.А., Шубин A.B., Фнрстова Е.Г., Денкер Б.И., Галаган Б.И., Сверчков С.Е., Буфетов И.А., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М. Оптические свойства ИК висмутовых центров в германатных и германосиликатных волоконных световодах // Труды XIV Всероссийской конференции: Высокочистые вещества и материалы. Получение, анализ и применение, Нижний Новгород, 30 мая -01 июня 2011, С.13

7. Bufetov I.A., Firstova E.G., Khopin V.F., Velmiskin V.V., Firstov S.V., Nischev K.N., Guryanov A.N., and Dianov E.M., UV energy levels of Bismuth luminescent centers in Bi-doped v-Si02 and v-Ge02 optical fibers // Proc. Europhoton Conference, Stockholm, Sweden, 26-31 August 2012, Paper ThP.25

8. Фирстов C.B., Алагашев Г.К., Фнрстова Е.Г., Хопин В.Ф., Буфетов И.А., Гурьянов А.Н., Дианов Е.М., Люминесцентные свойства висмутовых активных центров в световодах из v-S102 и v-GE02 стекол при каскадном двухквантовом возбуждении // Сборник тезисов 11-ой Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодежи "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение", Саранск, 02-05 октября 2012, С.137

9. Firstova E.G., Bufetov I.A., Khopin V.F., Firstov S.V., Vel'miskin V.V., Galagan B.I., Denker B.I., Guryanov A.N., Dianov E.M., Luminescent properties of the bismuth-related emitting centers using UV excitation// Proc. International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (The Lasers, Applications, and Technologies), Moscow, 18-22 June 2013, Paper LWL8

ЛИТЕРАТУРА

1 Rare Earth Doped Fibre Lasers and Amplifiers // Ed. by M.J.F. Diggonet, Marcel Dekker: New York. - 1993. - P.795

2 Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Dianov E.M., Umnikov A.A., Yashkov M.V., Guryanov A.N. Absorption, fluorescence and optical amplification in MCVD bismuth-doped silica glass optical fibres // Proc. ECOC, Glasgow, Scotland, 25-29 September 2005, Th. 3.3.5

3 Dianov E.M., Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Umnikov A.A., Yashkov M.V., Guryanov A.N. CW bismuth fiber laser // Quantum Electronics. - 2005. - T.35. -№12.-P. 1083

4 Dianov E.M., Shubin A.V., Melkumov M.A., Medvedkov O.I., Bufetov I.A. High-power cw bismuth fiber lasers // J. Opt. Soc. Am. B. - 2007. - T.24. -P. 1749

5 Дианов E.M., Фирстов C.B., Хопин В.Ф., Медведков О.И., Гурьянов А.Н., Буфетов И.А. Висмутовые волоконные лазеры и усилители, работающие в области 1.3 мкм // Квантовая электроника. - 2008. - Т.38. -№7. - С.615

6 Bufetov I.A., Firstov S.V., Khopin V.F., Medvedkov O.I., Guryanov A.N., Dianov E.M. Bi-doped fiber lasers and amplifiers for a spectral region of 13001470 nm // Opt. Lett. - 2008. - Issue 33. - P.2227

7 Дианов E.M., Фирстов С.В., Хопин В.Ф., Медведков О.И., Гурьянов А.Н., Буфетов И.А. Висмутовые волоконные лазеры, генерирующие в диапазоне 1470-1550 нм// Квантовая электроника. - 2009. -Т.39. -№4. - С.299

8 Дианов Е.М., Фирстов С.В., Алышев С.В., Рюмкин К.Е., Шубин А.В., Хопин В.Ф., Гурьянов А.Н., Медведков О.И., Мелькумов М.А. Новый висмутовый волоконный лазер, излучающий в диапазоне 1625-1775 нм// Квантовая электроника. - 2014. - Т.44 — №6. - С.503

9 Dianov Е.М., Dvoyrin V.V., Mashinsky V.M., Medvedkov O.I. Yellow frequency-doubled bismuth fibre laser // Proc. ECOC, Cannes, France, 24-28 September 2006, Paper Th2.3.1

10 Blodi C.F., Russell S.R., Pudilo J.S. and Folk J.C. Direct and feeder vessel photocoagulation of retinal angiomas with die yellow laser // Ophthalmology. -1990.-97.-P.791

11 Peng M. and Wondraczek L. Orange-to-Red Emission from Bi2+ and Alkaline Earth Codoped Strontium Borate Phosphors for White Light Emitting Diodes // J. Am. Ceram. Soc. - 2010. - Vol. 93. - Issue 5. - P. 1437

12 Sokolov V.O., Plotnichenko V.G., Dianov E.M. The origin of near-IR luminescence in bismuth-doped silica and germania glasses free of other dopants: First-principle study // Optical Material Express. - 2013. - Vol.3. - Issue 8. -P.1059

Подписано в печать:

10.03.2015

Заказ № 10613 Тираж - 100 экз. Печать трафаретная. Типография «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 115230, Москва, Варшавское ш., 36 (499) 788-78-56 www.autoreferat.ru