Поглощение многокомпонентных церийсодержащих стекол повышенной чистоты для волн в условиях воздействия температуры и гамма радиации тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

■ ^ '; '''

КЛУт-И0-"СС.Я"дСБЛТ5ЛЬСК:К и ТЕДГОЛСТИЧЕГКЖ ИНСТИТУТ

ОЕ1«СЧЕСКОГО МАТЕРШОРЕДНЧЙЯ БСВСОЮеЯОГО НАУЧНОГО 1ХНГРА -гсатирст&ашзш СОТЧЕСКЙЙ ЖТИТУТ ИМЕНИ С.И.

псглоетив шогсщиш&тшх цбржодвкших стекол

■ ПОЕУПЕКНОЯ ЧКСГОТЬ: ДЛЯ ЗОЛС в' УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЭЯЕРАТУРЫ И 7-РДДАЩС1 ^

01.04.10 - Физика аолугтроводайков и диэлектриков

Автореферат-' диссертации на сокехаияе учвноЗ-степени кандидата фюико-ма*гвмата,адских наук

Нп правах рукописи

АНАНЬЕВ Анатолий Владимирович

• САЖГ-ПЕПЖТГ 1Ь92

Работа выполнена в научно-исследовательском и технологическом институте оптического материаловедения Всесоюзного научного центра "Государственный оптический институт жмени С.И.Вавилова"

Научный руководитель: ■ доктор технических наук

СТЕПАНОВ С.А.

Официальные оппоненты: док-тор физико-математических наук

ГЛЕБОВ Л.Б., -

Кандидат физико-математических наук девятко ю.н.

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

технического стекла, г. Москва,

Защита состоится " СХ^^Лл^ 1992 г. в 1f час. на заседании специализированного совета К 105.01.01 в ВИД ■"Государственный оптический институт имени С.И.Вавилова" по адресу: 199034, Санкт-Петербург.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан "2-0" М-сугге»- 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета ^

кандидат физ.-мат. наук ..' / / И.Н.Абрамова

(с) ВНЦ "Государственный оптический институт ни. С. 11. Вавилова ",1992.

.ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность рзбс-тк. Одним из перспективных направлений развития физики диэлектриков на современном этапе является разработка новых материалов для волоконной оптики. Среди оптических сред, применяемых в волоконно-оптических линиях связи (В0.1С) и системах передачи и обработки данных, наиболее часто используются.материалы на основе неорганических стекой. К такого класса объектам предъявляются жесткие требования по таким, в частности, характеристикам, как низкие потери на поглощение ЦЮ~й см"1), механическая прочность и химическая стойкость, высокое значение числовой апертуры.

Наряду с проблемой повышения прозрачности стекол для волоконной оптики з настоящее время актуальным является вопрос о последующем поведении волоконно-оптических'элементов в процессе эксплуатация при воздействии различных ывшх факторов, К такого рода факторам относятся, в частности, ионийфую'дая радиация и повышенная температура. Ка практике часто реализуется ситуация, когда действие этих факторов происходит как раздельно, так и соБкестно. Исследование последнего. случая представляет собой достаточно сложную задачу,; решение которой можно осуществить только после того, как будет прояснено влияние указанных' воздействий' в отдельности. Что касается многокомпонентных . стекол повышенной чкстоты для высокоапертуршх радацкокно стойких световодов, то данных по радиационному окрашиванию подобных материалов крайне мало и в ■ основном они относятся к исследованиям натриевокальциевосидикатных стекол, не-нашедших практического "применения для ЕОЛС. Сведения же. по температурной зависимости поглощения в ближней МК области спектра стекол высокой чистоты в литературе отсутствуют. •

Несмотря на то, что 'измерение', оптических потерь на уровне ~1СГ4 см-1 в волоконных световодах, не представляет серьезных экспериментальных трудностей, разделение вкладов, з потери, обусловленные поглощением сбета .материалом волокна и технологией вытяжки волокна, крайне затруднительно. Количественное, же определение изменения оптических параметров материала жилы' и оболочки .'в отдельности по измерениям пропускания-световода в условиях'радиационного облучения и повышенной ,тешературы не. представляется во.змогашм; Вследствие этого целесообразно- прободать' исследования непосредственно на материалах, из которых изготавливается-волоконный световод.

Здесь однако возникает 'ряд сложностей, связанных с измерением

малых величин оптического поглощения ¿объемных образцах стеколI Экспериментальная реализация многих методов определения слабого поглощения либо очень сложна, либо требует значительной энергии возбуждающего лазерного излучения, что сильно увеличивает вероятность разрушения исследуемого материала последним. Кроме того, большинство из них не позволяет проводить измерения в процессе воздействия температуры на исследуемый образец. Поэтому актуальным является разработка метода, свободного от указанных недостатков.

Исследования поглощения и его температурного хода непосредственно "на рабочей длит волны многих ВОЛС, процессов образования и термостимулированного обесцвечивания радиационных центров окраски в зависимости от чистоты материалов жилы и оболочки светоЕода и' от содержания в них протекторных добавок поможет ответить на многие практически важные вопроси использования Еысокоапертурнкх световодов из многокомпонентных стекол, прогнозирования их характеристик и свойств.

Таким образом, актуальной является задача изучения влияния протекторных добавок и чистоты материала на - спектральное поглощение и поглощение в ближней ИК части спектра многокомпонентных стекол для ВОЛС в условиях воздействия температуры и ионизирующей радиации, а также разработка соответствующих методов и методик исследования.

Цель и задачи работы. Цель настоящей работы заключается в установлении закономерности изменозшя поглощения б видимой и ближней ЙК областях спектра многокомпонентных церийссдержащих стекол повышенной чистоты для ВОЛС в зависимости от концентрации церия и микроприме сей в стеклах в условиях воздействия температуры и у-радна-шж. Для достижения поетегленаог целя требовалось решить следующие задачи.

1. Разработка метода измерении слабого поглощения в стеклах, позволяющего не только определять величину поглощения на уровне Ю-5 см-1 в образцах стекол различного оптического качества, но и проводить исследования температурной зависимости поглощения в них.

2. Создание экспериментальной установки, реализующей этот метод, методики проведения экспериментов.

3. Определение величины поглояежа в области длин волн 1 мкм многокомпонентных стеклах повышенной чистота, содержада церий, предназначенных для исгояьзовонвя & качестве сердцевины и оболочки ь ьолоко-жх Еысокоапертурных е£«т>ьодах. Установление закономер-

ности изменения поглощения в зависимости от концентрации церия и шкропришсей з них.

4. Определение температурного поведения показателя поглощения в области 1 мкк указаниях стекол я установление закономерности его. изменен:?.-'' з' зависимости, от состэва стекол я концентрации церия и мккропримвоей г, них.

3. Исследование влияния тг-издучения на спектр оптического поглощения н псгло®.~яив ъ олгакне? ИК части спектра указанных стекол в зашсиюсти от концентрации церия к примесей железа в них,

в. Определение влияния температурь; Н5 спектр ^-наведенного поглощения ¡1 новедекное лс-глстаняв з области 1 юм и условий отжига рвдяэдшшх понтров окраска указанных- стекол в зависимости от концентрации церия и мккроври«*сек з стеклах.

Научная ко^пг-а - работы заключается з' том, что -впервые были проведешг исследования исходного к т-кзЕэдедасго погложенлп в УФ, еидиюй и &ш»ей' КК частях спектр:? мяегоношонэнтншс церкйсодержа-езк стекол поптеойзол чигтот'.' для волс г условиях воздействия температуры. Разработан ьисоко'СуЕстеительниг метод определения слабого поглощения з области 1.37 эЁ, позволяй»® проводить измерения з широком те^леротурпс«- интзрвал*.-Не основе .полученных результатов установлены сакономерпости изменения величины поглощения при 1.17 эВ и видимой области в гктирировашщх цер»к стеклах. Определена закономерность температурного язменэйия веязиявн поглощения при 1.17 з£. Доказано, что изменение- поглощения б Зли.кней КК части спектра о концентрацией церия к температурой обусловлено соответствующим поведением обнаруженной полоса поглощения с максимумом вблизи 2.5 эВ. Проведен анализ процесса термостимулироЕачкого .обесцвечивания радиационных центров окраски. Показано, что при введении церия в стекла происходит возЕгквовеше термос'сзбияьних.цочтров окраски.

Практическое значение. а виде экспер1й»нтальн6й установки реализован разработанный метод определения слабого поглощения. На созданной установке возможно "Проводит?- измерения в стеклах• невысокого оптического качества"лабораторных варок б широком диапазоне температур.

Получена колктесгвеншв _ данные об исходном и ^-наведенном поглощении церйгеодержащ.ю: многокомгшенишх сгакоя для ВОЛС и о зави-симсстч; этого поглощения от температуры, концентрации церия и мяк-рспрнмесей а от дозы.облучения. Это'позволяет прогнозировать спек-тралпШ» свойства исслбдовйивнх • стекол в условиях воздействия тем-

пературы и ионизирующей радиации и дать рекомендации по применению их для изготовления термо- и рздиацшнкостойкнх инфракрасных волоконных световодов.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 статьи и 2 тезиса докладов.

Личный вклад соискателя заключается в теоретической разработке и экспериментальной реализации тляризашганно-модуляшганного метода определения слабого поглощения в стеклах; создании соответствующих методик исследования; экспериментальном исследовании оптического поглощения при воздействии температур« к ионизирующей радиации; анализе и обработке полученных результатов.

Объем и структура работы. Объем.работы составляет 182 страница, в том числе 140 страниц машинописного текста, 42 рисунка, 4 таблицы, библиография-из 176 названий. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность постановки данного исследования, внбора метода, формулируется цель работы, а также приводятся защищаемые положения.

Первая глава представляет собой обзор исследований, касающихся оптических диэлектрических волнободов, физических основ оптических потерь в световодах и связи потерь со свойствами исходных материалов. Особое ¡внимание уделено обзору исследований по високоапертур-ным оптическим волокнам и материалам для них, а также физическим механизмам поглощения света в стеклообразных диэлектриках. В этой главе также приведены результаты исследований по влиянию температуры и у-радаации на спектральные свойства стекол к дан критический анализ методов определения малых величин поглощения в оптических материалах. Б конце главы сформулированы задачи исследования.

В главе 2 проводятся теоретический анализ и обсуждение полярн-зационно-модуляционюго метода определения слабого поглощения в широком диапазоне температур, описывается его йкспериментальная реализация и методика проведения измерений этим методом.

За основу был взят поляризационный калориметрический метод ,

1 -Глебов Л.Б., Докучаев В.Г., Петровский Г.Т.// Кеэнт. электрон. 1987. Т.- 14, Л 6. С. 1284-1289.

как наиболее простой и удобный в экспериментальной реализации и икещай больше потеншгашдае возможности для своего развитая.

Основные принципы определения величины поглощения следующие. Непрерывное Бозбувдэще* лазерное излучение с длиной волны, на которой необходимо определить поглощенке, фокусируется в образец исследуемого материала. Тертескае напряжения, обусловленные безыз-лучателъкой релаксацией поглощенной образцом энергии возбуждающего излучен~лк, приводят к возвикиовенкю оптической анизотропии в локальной области нагрева. Для регистрации кинетики изменения термо-йндущрозанногб двулучепреломлекгя в нагреваемую область параллельно возбуждающему пучку направляется лянейно поляризованное зондиру--»4 излучение He-Jfe лазера, которое затем проходит через фазовый модулятор и скребенный анализатор ка фотозтрие.мнкк. Амплитуда первой гармоники фототока, выделяешь еяехрэннш детектором, пропорциональна величине показателя поглощения материала исследуемого образца.

Термически наведешгкй сдеиг фаз между ортогональными компонентами поляризации зондирукдего света в случае воздействия осесиумет-ричннм пучкоя Еозбухдакаего излучения описывается выражением

т

в{г,г)=?|!2;Гр(гД)-^тГ1,(г1Пгйг], (1)

г а

где T(r,t) - кинетика распределения температуры в образце, X - длина волна зондирующего сиета, Q - термооптаческая постоянная материала исследуемого образца, L - толзина образца.

Распределение T(r,t) находилось путем решения неоднородного уравнения теплопроводности с осесиммэтрнчным распределением■ источников-тепла в приближении бесконечной среды-. Выражение (1) после вычислений приобретает вид

где е,.р, а' - теплоемкость, плотность и. показатель поглощения материала образца; V - мощность возбуждающего излучения; F(r,R,t,т) -функция, зависящая■от временных и геометрических параметров эксперимента .

С целью поБцшеняя чувствительности измерений бил применен метод фазовой модуляции йоидирущбго света, широко распространенный в зллвпеометрии. Фазовый сдвиг между ортогональными компонента?«! поляризации" зондирунщего света модулируется по синусоидальному закону. Из Фурье-спектра сигнала фотоприишшса наделяется первая гзрмо-

нкка, амплитуда которой' пропорциональна величина поглощения образца. Чувствительность метода увеличивается при этом более, чем ь 20 раз, к составляет без использования оптических элементов высокого качества и оптико-механической системы высокой стабильности величину -0.2 дБ/км.

Нами била выбрана геометрия зондирования пучком счта малого диаметра Ы0*30 ш) в об пасть максимума разности главных значений тензора напряжений ¡0^-а | в точку с азимутальной коордакагой ср=тс/4 (рис.1), имеющая, ряд преимуществ и особенностей по сравнению с применяемой б поляризационном методе: 1) существенно упрощаются аналитические выражения для нахождения величины поглощения и увеличивается, „ чувствительность метода; 2) отпадает необходимость в учете конкретного профиля -зондирующего излучения'и тем самым устраняются дополш-тельные погреаиосщ, связанные, с аппроксимацией реального 'профиля дучкь той или -иной математической модель» и с флуктуа-

луЧ

•Рис.1. Схема зондирования.

циями интенсивности света.по сечению пучка; 3) облегчается поиск ь исследуемом образце областей, 'свободных .от технологических двфвк-тов, и областей о минимальными • величинами естественного двойного лучепреломления» Это обстоятельство становится важным при определении поглощения в образцах стекол-с невысоким оптическим качеством, синтезированных в лабораторных условиях; 4) зондирование пучком света малого диаметра позволяет' пренебречь изменением Ееличшш дву-лучепраломления в-образце■ по сечению пучка,- к становится возможным скомпенсировать исходно присутствуадзе двулучепреломлеше. с помощью компенсатора. Теоретически покззэно, что это возможно в случае'малых. фазовых сдвигов (5«. 1),. обусловленных начальным и наведенным двулучепреломлением.

Последняя особенность открывает возможность проведения температурит измерений величины поглощения и поэтому имеет принципиальное значение. Внешний нагрев образца неизбежно приводит к возникновению в нем двулучепреломлешя, которое можно' скомпенсировать.

Экспериментальная установка - построена по двухканальной схеме. Во второй канал направляются пучки возбуждающего и зондирующего излучений, отраженные от делительной пластинки. Сигналы с 'синхронных детекторов оцифровываются аналогоцифровыми преобразователями и об-

- Э -

расшиваются микроэвм. Для исследования температур-юй зависимости поглощения образец помещается в термоэлектрическую печь о окнами из кварцевого стекла. В процессе измерения учитываются температурные изменения величины С/'со; и пропускания образца "а длине волны зондирующего света.

S третьей глава оСоснсвыгается выбор объектов исследования, описывается методик» проведения экспежеятоз и представлены экспериментальные результаты.

Нами были исследованы стекла натриевоборооиликаткой системы двух составов с переменной концентрацией диоксида церия и различном количеством примесей (табл. 1). Стекла первых двух рядов по концентрация церия (ряды I и II) предназначен!: для использования в качестве сердцевины волокна, содержат также оксида Ьа, Ба и Zr к отличаются мвкду собой степень» чистоты исходных материалов (главным образом по количеству примесей железа).- Для изготовления оболочки оптического волокна предназначены стекла ряда III, содержащие А1203. Стекла сердцевины и оболочки представляю' собой согласованную пару по температурному'Ходу вязкости и КТР, разности показателей преломления и обеспечиваю? числовое значение апертура волокна 0.5.

Таблица i. Концентрация церия и железа в стеклах, мае. % (сверх. 100 %)

ряд ! ' ряд П ' ' ряд III*

СеОа Ре2°а (примесь) 0.2*1 Л 0.5-10~л 0*1.5 МСГ1, - 0*1.2

* В стекло без церия введена,добавка осветлителя Аэ203.

Синтез стекол2 осуществлялся в платиновых.трехлитровых тиглях в окислительной атмосфере. Для варок ЯспользоЕались материалы квалификации "осч11 и "Для- волоконной оптики". Количество-й»леза, вносимого с СеОг, не превосходило 3 % от общего содержания Рег03-

Спектры поглощения измерялись на спектрофотометрах БресогЙ. М40 и СФ-26 в образцах стекол оптического качества толщиной 0.03+10 см.

Определение температурного хода величины показателя поглощения

Стекла были' разработаны и- синтезированы. в КЮТОМ ВКЦ ТОЙ им.

С.И.Вавилова" З.И.Скороспеловой с сотрудниками. .

на Ли=1.17 эВ с^ производилось в диапазоне от комнатной до нижней граница температуры отжита стекол («5ьо°с) б режиме линейного нагрева образца со скоростью 0.13 К/с.

7-облучение образцов стекол осуществлялось изотопом Со60 при Т=20°С дозами 104-М07 Р. Все' измерения проводились спустя сутки после окончания облучения.

Четвертая глава, состоящая из шести разделов, посвящена обсуждению экспериментальных данных. Рассматриваются спектральное поглощение стекол; связь поглощения стекол и его температурного' хода в ближней ИХ области с поглощением в видимой' части спектра и содержанием церия и кикропркмесей в стеклах; обсуждаются возможные причины появления поглощения в видимом спектральном диапазоне; анализируются закономерности поведения поглощения при радиационном и последующем термическое воздействиях в зависимости от концентрации церия и микропримосей в стеклах и дозы 7-облученид.

УФ спектра поглощения формируются коротковолновым краем фундаментального поглощения (при 7гг>>б зВ)' и полосами поглощения ионов Се4+ и Се"+. для уточнения параметров последних полос производилось разложение разностных спектров стекол II и III рядов, полученных путем вычитания спектров стеколс' 0.1 мае.% СеОг и неактивированных церием, на два гауссовых контура (поглощением ионов пренебре-галось). Соотношение интенсквностей-полос Се4+ и Се3+ в стеклах ряда II превосходило таковое в стеклах III ряда в два раза при приблизительно одинаковых параметрах спектрального положения и полуширины.

Вследствие больших величин УФ поглощения в стеклах с более высокими концентрациями диоксида церия (ССе0 ) анализ' соотношения

СеА+/Сз3+ проводился по длинноволновому краю УФ поглощения. Все полученные зависимости а' при hv=conэt от СГе0 носили 'качественно

одинаковый линейный характер, что свидетельствует о постоянстве соотношения Сел+/Се3+ в каждом из рядов стекол во всем диапазоне кон-' центрацкй СеОг."

В-области 2.3-г3.3 эБ" (рис.2) в стеклах рядов I и II наблюдается 'хорошо выраженный урбаховеккй край широкой полосы поглощения ионов Се4+. В стеклах ряда III в ' силу меньшего- соотношения Се^/Се3* на дяшноволновое крыло менее интенсивной, чем в стеклах I и II ряда, полосы Се'н накладывается край полосы поглощения ионов Се3+, что и приводит к нелинейному ходу логарифма спектрального поглощения.

В интервале энергий кванта 1.6+ +2.8 эВ в стеклах с концентрациям церия, преввшсщими 0.4 мае.2, отмечается достаточно выраженное отклонение от линейности. Особенно это хорошо видно на спектрах поглощения стекол рядов I и II.

Характер спектральной зависимости в области 1.6+2.8 эЗ естественно связать с присутсвием•з этом интервале некоторой полосы поглощения. Если провести экстраполяцию урбахозского края полосы Сее стеклах I и II рядов в низкоэнергетическую область, то эту полосу поглощения можно получить в явном видз. Разность экспериментально измеренного и экстраполированного спектров (прямая в интервале 3.0-3.5 эЗ в полулогарифмических координа-та:с) дает искомое спектральное поглощение. Полученный таким образом для стекол ряда II разностный спектр представляет собой полосу поглощения с максимумом вблизи 2.5 зВ и шириной на полувысоте 0.8-1,0 эВ. Более -точные параметры полосы определить не удается вследствие достаточно высокой погрешности определения разностного спектра особенно в области 2.5+3.0 эВ.

Интенсивность полосы нелинейно зависит от 0СеО и сильно возрастает, начиная приблизительно с 0.8 мае.Я СеОг, и при одинаковом содержании церия увеличивается при переходе от- стекол ряда I к стеклам ряда III. Полуширина и спектральное положение полосы в пределах погрешности определения этих параметров остаются неизменными в диапазоне концентраций 0.4+1.5 мае.« СеОг.

Зависимости а^ ) имеют немонотонный характер с мини

мумом при 0.2+0.4 мас.£ СеОг (рис.За). Церий, являясь сильным окислителем, переводит некоторую, часть, присутствующих в стекле ионов Рег+ в форму ?е3+. В результате этого интенсивность полоса поглощения в районе 1.1 эВ ионоз 1ег+ уменьшается. Величина а,'.,? в стеклах с небольшими концентрациями СеОг (до 0.4-0.6 мас.%) достаточно хорошо согласуется о уровнем примесей железа в стеклах. При ССе0 >0.6 мас.% доминирующим фактором становится влияние длинноволнового крыла полосы поглощения с максимумом вблизи 2.5 эВ.

Рис.2. Спектры поглощения некоторых стекол ряда II.

Рис.3. Зависимости а' <7 от концентрации -СеОа в стеклах I-III ряде (а) и от температуры (б) при различных концентрациях Се02•(мас.^.

С увеличением температуры в стеклах с £0.4 мас.% происхс

дет рост величины tïj 17 (рис,36). Установлено, что это связано температурном сдвсом полосы 2.5 эВ ? сторону меньших анергий. Пс скольку'значение а; в стеклах, актированных 0+0.2 мае.'? СеО£ определяемся, главшн образом, гюглодешем юное то всле

кие малого коэффициента- температурного сдезга гтей полосы веди» jî а," 7 веоаечк1«ш«но Меняется с чемпературой.

Природу полоса 2.5 эВ нельзя связать с поглощением кодов, ueps как'по причине значительного отличия спектральных параметров извв! игьж полос поглощения червя-и полосы. 2.5 эВ, так -и вследствие то: что, несмотря на постоянство соотношения- Ce4"VCe'+ в,стеклах д. каждого из концентрационных .рядов,'шигексиЕность- полосы 2.5 ьВ & линей» зависит, от концентрация церия. В силу' первого оОстоятел: стеб полоса 2.5 э& не'можв? быть .-приписана, и другим реякоземельк ионам, входящим■в состав крк«е'си..

ils -примесей переходных■. металлов- наиболее подходякими сне тральнщк параметрами и температурным поь&денкеь'. обладает поло поглощения-.электронных переходов. SZ .ионов-lin3+ и ьнутрице

тровых переходов 6 А, й V, .-» (л?) четырехкоордотпгр

ватах ионов.Fê3*. Показано, однако,. что для-достижения экспернме тально определенной .величина интенсивности полосы 2.5 зВ колкчест этих конов должно более, чем на-'1-2 порядка прэьшать их расчета концентрацию е стеклах.

Нелинейность концентрационных заЕИоидастей интенсивности noj поглощения мокег быть обусловлена не-' .только изменением ьалентяс

или координационного состояния поглощающего иона, чо и взаимодействием иоаов в агрегированных группах — эссоциатах или кластерах. Спектроскопическим проявлением взаимодействия ионов в кластерах является сильное усиление погадательной способности красящих ионов вследствие увеличения силы осциллятора полосы переноса заряда. При этом интенсивность поглощения зависит не только от концентрации в стекле ионов, из которых состоит кластер, но и от соотношения концентраций этих ионов в случае, если в кластер входят разноименные ионы.

Концентрация ионов, необходимая для образования кластеров .и обменного взаимодействия между ионами, может варьироваться в очень широком интервале. Это зэеисят от многих обстоятельств: природа взаимодействующих ионов, типов стеклообразователя и модификатора, содержания щелочи, окислительно-восстановительных условий синтеза и т. п.

В данном случае, по-видимому, можно предположить образование микрсгруппироЕок типа кластеров, состоят« из ионов церия и примеси, взаимодействующих между собой, что, вероятно, и приводит к появлению полосы поглощения в области 2.5 зВ. Однако более детальное рассмотрение вопроса о природе полосы 2.5■ эВ требует проведения дальнейших систематических исследований.

В спектрах у-наве денного поглощения стекол II ряда с 0.1 мае.% СеО обнаруживаются максимумы при 2.0+2.2 эВ и около 3.75 эВ и просветление в районе 5.0+5.2 эВ. Первые две полосы дополнительного поглощения (ДП) характерны для всех щелочноборосиликатшх стекол и обусловлены дырочными центрами окраски. Показано, что полоса ДП при 2.0-2.2 эВ является неэлементарной; просветление в высокоэнергетической часта спектра ДП связано с радиационным восстановлением трехвалентного железа по схеме Ге3+ (?е3+)- и четырехвалентного церия с образованием центров (Се4+Г.

ДП при Ьу=1.1? эВ (Да; 17) определяется центрами (Ге3+)" и длинноволновым крылом полосы ДП при 2.0-2.2 эВ. При анализе спектра ДП в области 1.5+2.5 эВ вследствие его сложности не удалось установить характер радиационного поведения полосы 2.5 эВ.

Воздействие -температура на у-оОлученкыэ стекла приводит к изменению ЛП по всему спектру. При этом достаточно четко определяются две стадии термостимулированного обесцвечивания (ТОО): изменение УФ спектров ДП и ДП при 1.17 эВ наблюдаются при температурах 100+200 С и около 550аС, интенсивное обесцвечивание в области 2.0+2.2 эВ про-

исходи-г при 100т-200"с.

Установлено, что ТОО при 1СЮ-г200°С связано с релаксацией дырочных радиационных центров окраски (?Ц0), поглощающих при 2.0+2.2 аВ; ТСО при Ьи=1Д7 зВ помимо выцветания полосы 2.0+2,3 эВ обусловлено термическим разрушением РЦО, поглощающих при О.ЗЭ эЗ. Показано, что стабильное при 2МСО-500°С поглощение в области 1.17 &В обусловлено центрами (3?е3+")~. Эти центры являются стабильными вплоть до температур, близких к Тv ePs^efe). Зависимость Да,' 17=/(ССе0 ) при Г=300-г550аС является" немонотонной с максимумом

между 0 и" 0.1 мас.% Се02. Выдвинуто-предположение, что это связано с изменением ближайшего - окружения ионов Уе3+ при введении церия в ■ стекло и образованием под действием облучения центров типа (Се3+)+—(Ре3+)~, отличающихся высокой термостабильностью -(энергия активации высокотемпературного процесса ТСО при ?iv=1.17 вВ по оценкам составляет 1.6-1.7 аВ). С повышением содержания церия ионы СеА+, являясь акцепторами, уменьшают количество центров и'е3+)~.

Спектры ДП в УФ области- термообрабогенных при Т=300-г500"с стекол формируются полосами поглощения центров (CeJ+)+ и (Ge'tt)~ и полосами просветления ионов Се3+, Се4+ и Fe3+, а такке поглощением собственных РЦО.

С ростом дозы у-облучешя происходит увеличение числа центров (Ре3+)~ и как.следствие возрастание величины термостабильного ДП при 1,17 вВ. В стеклах с 0,1 мае.% СеОг при дозах-~г-107 Р рост поглощения прекращается. Это объясняется радиационным переходом всех присутствующих -в стекле ионов ?е3+ в состояние (Ре3+

В заключении приводятся основные результаты работы и определяются направления дальнейших исследований по радиационно стойким стеклообразным материалам для волоконной оптики.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ЬьБОДЫ

Основные результаты-, подученные в данной работе, и выводы могут быть сформулированы следущим образом:

. 1. На базе поляризационного-калориметрического метода разработан поляризационно-модуляционный метод -определения слабого поглощения в оптических материалах, в ближней. ИН части спектра. Метод позволяет проведать измерения в диапазоне температур от комнатной до нижней .граница температуры отжиг.а в стеклах невысокого оптического качества, исключая возможность повреждения исследуемых'образцов из-

лучением. Проанализированы источники озгабок, оценена предельная чувствительность метода.

2. Создана экспериментальная установка, реализующая поляриза-ционно-модуляционньй метод.- Установка проста в эксплуатации, использует стандартное оборудование, оптико-механическая схема не тробует высокой термической и механической стабильности.

3. Разработана методика измерения температурной зависимости -поглощения в стеклах и терма стимулировашого обесцвечивания радаа-цкошю окрашенных стекол при 1и>=1.17 эВ (Х=1.06 мкм),

4. В спектрах поглощения стекол с- церием выявлена полоса поглощения с максимумом вблизи 2.5.зВ и полушириной 0.8-1.0 эВ. Исследована зависимость ее интенсивности от концентрации диоксида церия и количества микропркмесей. Показано, что природу полосы нельзя связать ни с поглощением ионов церия и.других редкоземельных элементов, ни с поглощением ионов переходных металлов, входящих в состав микропримеси. Выдвинуто предположение о том, что-Полоса 3.5 эВ мояет быть результатом обменного взаимодействия между ионами церия и микропримеси в образовывающихся микрогруппирозках типа кластеров.

5. Показано, что величина поглощения при.?и/=1.17 зВ стекол с церием определяется двумя факторами: поглощением примесных ионов Рег+, причем с увеличением концентрации СеОг происходит окисление двухвалентного железа, и влиянием длинноволнового края полосы с максимумом 2.5 эВ. •

6. Впервые в стеклах высокой чистоты проведено- определение' температурного хода поглощения в ближней Ж области спектра. Установлено, что рост поглощения при ?м/=1.17 эВ с увеличением температуры в стеклах с церием обусловлен температурным сдвигом длинноволнового края полосы 2.5 зВ в 'низкоэнергетическую сторону. Были разделены вклады в поглощение на 1.17 эВ при г^го'с Полосы поглощения ионов и края полоса 2.5 эВ.

7. Спектрн 7-наведенного поглощения является характерными для натриевоборосиликатшх стекол. Показано, что полоса ДП при 2.0-2.2 зВ является неэлементарной; просветление в области 5.0-5.2 эВ связано с радиационным восстановлением конов Ре3+ и Се4+; ДП при 1.17 эВ определяется электронными прииесннмй центрами (Рб3+Г и длинноволновым крылом ДП при 2.0-2.2 эВ.

8. Воздействие температура на у-облученные стекла приводит к изменению ДП по всему спектру. Были выделены две стадии термостиму-лмрованного обесцвечивания: при Г=1004200°С и 500-ьЬ50°С. Показано,

что при x=100-f200°C ре лансируют собственные дырочные центры окраски, поглощающие при 2.0-2.2 эВ; спектры ДП в УФ области термообра-ботанных при 2,=300*500°С стекол формируются термостабильннми полосами поглощения центров (Се3+)'+ и (CeJ+)~ и полосами просветления ионов Се3+, Сед+ и Те3+, а также поглощением собственных радиационных центров окраски.

9. Установлено, что стабильное при Т=300ч-500СС ДП на 1.1? эВ обусловлено централи (5е3+)~. Выдвинуто предположение о радиационном образовании центров типа (Се3+)+-(Ре3+)", релаксмрувдих в данных стеклах при температурах выше 550C. Произведена, оценка энергии активации процесса обесцвечивания центров окраски, поглощающих при hv=i.17 эВ.

10. Получены зависимости ДП при 1.17 эВ термообработанных при Т=400"с- стекол от концентрации диоксида ■ церия и дозы ^-облучения и дано их объяснение.

11. Даны практические рекомендации . по использованию исследованных стекол для изготовления волоконных световодов; для данных стекол определены" концентрации церия, диапазоны температур и доз Т-радиации, при которых величина изменения поглощения б ближней ИК области■спектра является минимальной. Определены направления дальнейших исследований по многокомпонентным радиащюнно стойким стеклам повышенной чистоты для'ВОЛС.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ананьев A.B. Применение непрерывного излучения в поляризационном методе измерений малых поглощений света// Тезисы III Всес. конф. молодых ученых и специалистов "Теоретическая и тшкладная оптика". Ленинград, 1988. С. 436.

2. Ананьев A.B., Москвин H.A. Поляризационный метод измерения малых поглощений света в случае использования непрерывного излучения// ОМП. 1989. Л 2. С. 2-4.

3. Ананьев A.B., Скороспелова В.И., Степанов. С.А. Исследование тармосгимулированного обесцвечивания у-наведенных центров окраски в особочистых стеклах для ВОЛС, активированных церием// Сборник тезисов докладов на Всес, конф. "Волоконная оптика". Москва,1990,С.332.

4. Ананьев A.B. Особенности измерения малых потерь на поглощение в оптических материалах поляризационно-модуляционшм методом// ОМП. 1991. № 12. С. £>-13._

Подписано к печати •'v-.'yUL . м- 1 .Формат 60x84/16^ Печать офсетная. Усл.печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 0,9. Тираж 100 экз. Заказ . Тип. ГОИ. Бесплатно.