Спектрально-люминесцентные свойства высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол и наноструктурированных стеклокерамик

Асеев, Владимир Анатольевич

Спектрально-люминесцентные свойства высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол и наноструктурированных стеклокерамик тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Асеев, Владимир Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Спектрально-люминесцентные свойства высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол и наноструктурированных стеклокерамик»

Автореферат диссертации на тему "Спектрально-люминесцентные свойства высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол и наноструктурированных стеклокерамик"

005009786

/о .

Асеев Владимир Анатольевич

СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ВЫСОКОКОНЦЕНТРИРОВАННЫХ ИТТЕРБИЙ-ЭРБИЕВЫХ СТЕКОЛ И НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СТЕКЛОКЕРАМИК

01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 С 0ЕЗ 2Е2

Санкт-Петербург

2012

005009786

Работа выполнена на кафедре оптоинформационных технологий и материалов Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор

Ведущая организация - УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ИНСТИТУТ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ им. А.М. ПРОХОРОВА РАН

Защита диссертации состоится “6” марта 2012 г. в 15 ч. 50 мин. на заседании диссертационного совета Д212.227.02 в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., 49, ауд. 285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан «--75Т января 2012 г.

Ученый секретарь

Н.В. НИКОНОРОВ

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

В.Ю. ХРАМОВ

- доктор физико-математических наук, профессор

Т.В. БОЧАРОВА

Козлов С.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Важным направлением развития современной фотоники является миниатюризация и интеграция элементной базы волоконно- и интегрально-оптических систем (например, создание мини- и микрочип лазеров и оптических усилителей). Уменьшение веса и габаритов таких устройств возможно путем разработки и создания новых лазерных материалов, например, лазерных сред с высокой концентрацией ионов активаторов, полифункциональных лазерных материалов, наноструктурированных стеклокристаллических материалов и т.д.

Сегодня итгербий-эрбиевые стекла и кристаллы широко используются в качестве активной среды в лазерах и оптических усилителях. Это связано, с тем, что длина волны генерации иона эрбия (1,5 мкм) является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн. Ион иттербия дополнительно вводится в матриц)' для повышения эффективности накачки, поскольку является сенсибилизатором для иона эрбия, а также имеет интенсивную полосу поглощения в области 1 мкм, что позволяет использовать для накачки мощные полупроводниковые лазерные диоды. Типичные концентрации ионов иттербия, например, в коммерческих иттербий-эрбиевых лазерных фосфатных стеклах составляют (19-21)хЮ20 см'3. Такие концентрации ионов иттербия позволяют осуществлять эффективную накачку и передачу возбуждения для концентраций ионов эрбия вплоть до 1 х Ю20 см'3 . Дальнейшее увеличение концентрации ионов эрбия приводит к снижению эффективности безызлучателыюго переноса от иттербия к эрбию, что наряду с другими факторами, например ап-конверсией, концентрационным тушением, снижает эффективность лазера. Увеличение же концентрации иттербия может снизить пороги генерации, увеличить предельные концентрации ионов эрбия и улучшить генерационные свойства лазеров работающих в режиме модулированной добротности. Однако, работы по созданию и исследованию спектральнолюминесцентных и генерационных характеристик материалов с высокими (более 21x1020 см'3) концентрациями ионов иттербия практически отсутствуют. Особый же интерес представляют среды с предельными содержаниями активаторов. Например, метафосфат иттербия - среда, где ион иттербия входит основную структуру стеклообразующей сетки. Поэтому разработка и

исследование высококонцентрированных лазерных материалов на сегодняшний день представляет важную научно-практическую задачу.

Полифункциональные лазерные материалы - это новый класс оптических сред, которые объединяют в себе характеристики нескольких оптических материалов и проводят разные функциональные операции со светом (генерацию, усиление, удвоение частоты, модуляцию, отклонение световых потоков, передачу, запись, обработку и хранение информационных потоков и т.д.). На основе этих сред возможно создание разных функциональных оптических элементов и устройств, а также осуществлять их интеграцию в одном материале и миниатюризацию. Несмотря на большие перспективы использования полифункциональных материалов в интегральной оптике, на практике номенклатура таких материалов мала. На сегодняшний день можно выделить только два оптических материала, которые можно отнести к полифункционапьным: ниобат лития, активированный редкоземельными ионами (электро-оптический, нелинейный и одновременно лазерный кристалл) и халькогенидные стекла, активированные редкоземельными ионами (фоторефрактивные лазерные среды). Поэтому разработка и исследование новых полифункциональных материалов представляет собой чрезвычайно актуальную задачу, как в интегральной оптике, так и в фотонике в целом.

В настоящее время прозрачные стекло кристаллические материалы представляют большой интерес для современной элементной базы фотоники. Занимая промежуточное положение между кристаллическими материалами и стеклами, они объединяют в себе лучшие свойства кристаллов (высокая механическая и термическая прочность) и стекол (возможность прессования и формования, возможность вытяжки оптического волокна и проведения ионного обмена для создания волноводных структур). Если активатор (например, эрбий, неодим и т.д.) входит в кристаллическую фазу, то спектрально-люминесцентные и лазерные характеристики стеклокерамики могут быть близки к характеристикам лазерных кристаллов-аналогов. Стеклокристаллические материалы (стеклокерамики) - это гетерофазные структуры, которые формируются при отжиге стекла за счет роста кристаллической фазы в стеклообразной матрице. Одним из основных недостатков таких материалов

• является высокое светорассеяние на границе кристаллической фазы и стеклофазы. Поэтому ключевым направлением при разработке оптических стеклокристаллических лазерных материалов является уменьшение

светорассеяния за счет роста наноразмерных кристаллов в матрице стекла. Таким образом, разработка и исследование новых наноструктурированных лазерных стеклокерамик представляет перспективное направление в оптическом материаловедении и спектроскопии конденсированных сред.

Актуальность диссертационной работы состоит в том, что она посвящена исследованию новых лазерных материалов, ориентированных на миниатюризацию и интеграцию элементной базы фотоники: лазерных сред с высокой концентрацией ионов активаторов, полифункциональных лазерных материалов и наноструктурированных стеклокристаллических материалов.

Важной характеристикой диссертационной работы является проведение комплексных спектрально-люминесцентных исследований новых лазерных материалов, а также проведение сравнительного анализа их свойств и оценка перспективности их применения в лазерной технике нового поколения.

Цель работы: проведение комплексных исследований спектрально-

люминесцентных свойств высококонцентрированных лазерных иттербий-эрбиевых стекол и наностеклокерамик. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• разработка методики экспериментального определения спектров

усиления/потерь при разных населенностях метаетабнльного уровня;

• проведение комплексных исследований спектрально-люминесцентных свойств высококонцентрированных иттербий-эрбисвых метафосфатных стекол, а также метафосфатов иттербия аютвированных эрбием;

• проведение комплексных исследований и сравнительного анализа

спектралыю-люмиаесцентных свойств полифункциональных иттербий-эрбиевых фото-термо-рсфрактивных стекол и наностеклокерамик на их основе;

• проведение комплексных исследований и сравнительного анализа

спектрально-люминесцентных свойств свинцово-фторидных стекол и наноструктурированных стеклокерамик, активированных иттербием и эрбием.

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

1. Разработан экспресс-метод экспериментального определения спектров усиления/потерь при разных населенностях метаетабнльного уровня '11ц,2 иона эрбия.

2. Разработана методика определения нагрева активной среды по изменению формы контуров люминесценции иона эрбия при накачке.

3. Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств высококонцентрированных иттербий-эрбиевых метафосфатных стекол с переменными концентрациями ионов активаторов, которые включают в себя определение сил осцилляторов, квантового выхода люминесценции, вероятности переноса возбуждения, сечений поглощения и вынужденного излучения, населенностей метастабильного уровня и спектров усиления/потерь.

4. Определены оптимальные концентрации иона активатора в метафосфате иттербия для получения максимального коэффициента усиления на переходе иона эрбия ' 1]з.'2—^115'7 ■

5. Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств полифункциональных иттербий-эрбиевых фото-термо-рефрактивных наностеклокерамик с переменной концентрацией ионов эрбия

6. Показано что при фото-термо-индуцированной кристаллизации фото-термо-рефрактивного стекла ионы иттербия и эрбия остаются в стеклообразной фазе.

7. Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств иттербий-эрбиевых свинцово-фторидных стекол с переменной концентрацией ионов эрбия и наноструктурированных сгеклокерамик на их основе.

8. Установлен механизм формирования кристаллической фазы в процессе спонтанной кристаллизации свинцово-фторидного стекла, а также показано, что ионы иттербия и эрбия входят в кристаллическую фазу РЬУГО4.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1. Предложенный и реализованный экспресс-метод определения спектров усиления/потерь при разных населенностях метастабильного уровня позволяет производить измерения в образцах, синтезированных в лабораторных условиях, малых размеров и не требующих специальных дополнительных обработок поверхности после ее обычной полировки. Данный метод применим для широкого класса оптических стеклообразных и кристаллических материалов и позволяет проводить их оперативную селекцию на стадии разработки.

2. Предложенная методика определения температуры по изменению формы контуров люминесценции иона эрбия позволяет определять нагрев лазерной среды при накачке. Предложенная методика может быть использована также

для создания люминесцентных датчиков температуры, в том числе волоконных.

3. Результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств иттербий-эрбиевых стекол и стеклокерамик могут служить основой при разработке новых лазерных материалов для высокоэффективных волоконных лазеров и усилителей света, а также малогабаритных интегрально-оптических лазерных устройств.

4. Результаты исследований спектрально-люминесцентных свойств иттербий-эрбиевых стеклокерамик позволят расширить номенклатуру оптических полифункциональных материалов, используемых для передачи и обработки информации в телекоммуникационных системах.

Защищаемые положения:

1. Разработанный экспресс-метод позволяет производить измерения коэффициентов усиления в абсолютных единицах и контур спектров усиления/потерь при различных населенностях метастабильного уровня эрбия в зависимости от мощности возбуждающего излучения. Метод позволяет проводить измерения на образцах, синтезированных в лабораторных условиях, малых размеров (вплоть до I *1*0.2 мм), имеющих невысокое оптическое качество (например, свили, пузыри) и не требующих специальной обработки поверхности.

2. Определены оптимальные концентрации эрбия и иттербия в фосфатных стеклах, при которых достигнут максимальный коэффициент усиления. В бариевофосфатных стеклах, активированных иттербием и эрбием, оптимальная концентрация ионов эрбия, при которой достигнут максимальный коэффициент усиления 0.18 см'1 при инверсной населенности 55%, составляет 1><1020 см'3. В метафосфатных стеклах, активированных иттербием и эрбием, оптимальная концентрация ионов иттербия, при которой достигнут максимальный коэффициент усиления 0.1 см"1 при инверсной населенности эрбия 76%, составляет 41.7><1020 см'3.

3. Полифункциональное фото-термо-рефрактивное силикатное стекло, активированное иттербием и эрбием, демонстрирует высокие значения сечений поглощения (5,2х10‘21 см2) и вынужденного излучения (5,54*10'лсм2), квантовый выход люминесценции (до 92%) и коэффициент усиления (0,014 см'1), которые сопоставимы с монофункциональными аналогами -промышленными силикатными стеклами.

4. При спонтанной кристаллизации свинцово-фторидных стекол эрбий и иттербий входят в состав кристаллической фазы PbYF03, что приводит к изменению спектров поглощения и люминесценции по сравнению с исходным стеклом.

5. При фото-термо-индуцированной кристаллизации ФТР стекла, ионы иттербия и эрбия не входят в кристаллическую фазу NaF-AgBr и остаются в стеклообразной матрице. Введение ионов эрбия и иттербия не изменяет фоточувствительность ФТР стекол, что позволяет использовать это стекло для записи высокоэффективных объемных фазовых голограмм.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих Всероссийских и международных конференциях: XIVth International Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions (Россия, 2010), 10A International Conference on Fiber Optics and Photonics (Индия, 2010), 10th International Conference on Laser and Fiber-optical Networks Modeling (Украина, 2010), 1st International Conference on Luminescence of Lanthanides (Украина, 2010), 1st, 2nd and 5th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers (Украина, 2003, 2005, 2010), 7th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication (Japan, 2010), 12th, 13th, 14th International Conference "Laser Optics " (Россия, 2006, 2008, 2010), International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Россия, ICONO/LAT-2005, 2007, 2010), 2nd International Conference on Optical Instrument and Technology (Китай, 2009), 15th International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter (Франция, 2008), XXXII-XXXIX Научная и учебнометодическая конференция СПбГУ ИТМО (Россия, 2003, 2004, 2005,2006, 2007,

2008, 2009, 2010), Международный оптический конгресс «Оптика - XXI век» (Россия, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010),International Symposium “Photonics West” (США, 2003).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 статьях, входящих в список ВАК. Полный список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата и составляет 28 наименований.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, библиографического списка из 124 наименований, содержит 195 страниц текста, 125 рисунков и 17 таблиц.

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 и состоит из двух разделов.

В первом разделе рассматриваются общие представления о спектрах редкоземельных активаторов. Во втором разделе проведен литературный обзор современного состояния исследований в области высококонцентрированных материалов, активированных ионами иттербия и эрбия на примере стекол, полифункциональных материалов и наностеклокерамик.

В конце главы сформулирована цель и задачи исследования.

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

В первом разделе приведены составы стекол и условия их синтеза:

1. Бариевофосфатный ряд в системе !ОВаО-1 2К20-8УЬ20з-5 1м203-65Р205 (мол. %). Варьируя концентрациями эрбия и иттербия, были получены два концентрационных ряда стекол. В первом - при постоянной концентрации иттербия (19х Ю20 см'3) изменялось содержание эрбия от 0 до 8,5x10‘° см-3. Во втором - постоянной была концентрация эрбия (1хЮ20 см'3) и концентрация иттербия менялась от 0 до 19x1020 см'3 (стекла синтезированы в НИТИОМ).

2. Метафосфатный ряд в системе 75Р202 - 251.а203. Замещая ионы лантана на ионы иттербия, были получены следующие концентрационные ряды метафосфатных стекол: первый - 75Р20г(25-х)Ьа202-хУЬ203, где .*=2,5; 5; 15; 25 (мол.%) и второй 75Р20г(25-х)1м20ухУЬ^)з (мол.%), в который сверх 100 % было добавлено 0,25 Еь03 (мол.%), где*=0; 5; 10; 15; 20; 25 (мол.%). Концентрация ионов иттербия изменялась от нуля до максимально возможной 52,4хЮ20 см'3 за счет замещения ионов лантана при постоянной концентрации ионов эрбия (Ле, = 0,29x10‘ см'). Т.о., первое стекло в этом ряду представляло собой метафосфат лантана, а последнее -метафосфат иттербия (стекла синтезированы в НИТИОМ).

3. Полифункциональные фото-термо-рефрактивные стекла представляли собой натриевосиликатные стекла с постоянной концентраций ионов иттербия 17,8x1020 см'3 и переменным содержанием эрбия 0 - 2,26x1020 см'3. Для подготовки наностеклокерамик активированные ФТР стекла подвергались

УФ облучению (325 нм) и последующей термообработке при Т=520°С в течение 2 часов (стекла синтезированы в СПбГУ ИТМО).

4. Ряд свинцово-фторидных стекол. Использовалась система 30Si02-18PbP2-15AI203-5ZnF2-29CdF2-5YFi (мол %). Далее за счет замещения иттрия были получены следующие ряды: при постоянной концентрации фторида иттербия 5 мол %, концентрация ErF3 менялась от 0 до 0.4 мол %. (стекла синтезированы в СПбГТУ).

Во втором разделе представлен комплекс классических методик определения спектрально-люминесцентных параметров иттербий-эрбиевых стекол: методики определения спектров поглощения и люминесценции, времени затухания люминесценции, Также приведено описание методик расчета сечений поглощения и вынужденного излучения, коэффициента усиления, вероятностей переноса возбуждения с иттербия на эрбий, квантового выхода люминесценции.

Во втором разделе также представлены разработанные оригинальные методики определения населенности метастабильного уровня и спектров усиления/потерь. Так, населенность иона эрбия находилась через измерения изменения поглощения из основного состояния и поглощения из возбужденного состояния. Она основана на регистрации прошедшего света через накаченную область. Для чего в образце диафрагмой выделялся микроскопический объем, через который одновременно проходило сфокусированное излучение вольфрамовой лампы (Амнд= 450-550 нм) и возбуждающее излучение титан-сапфирового или полупроводникового лазера (X,,ака,,ки ~ 975 нм). Такая схема позволяет производить зондирование и накачку в малых объемах и ее можно использовать для измерения населенности метастабильного уровня N2 в образцах, приготовленных в лабораторных условиях. Экспериментальные спектры усиления/потерь также измерялись через регистрацию прошедшего через накаченную область образца зондирующего излучения (Лзонд= 1400 - 1700 нм). В зависимости от мощности накачки зондирующее излучение либо ослабляется (и регистрируется спектр ослабления), либо усиливается (и регистрируется спектр усиления).

В работе были исследованы изменения спектров люминесценции образца при различных температурах. Для этого была создана термоячейка, позволяющая изменять температуру в пределах 25-300° С. Люминесценция эрбия возбуждалась излучением полупроводникового лазера с длиной волны

А.=975 нм. Сигнал люминесценции образца, находящегося в термоячейке, регистрировался при помощи монохроматора в диапазоне 1400-1700 нм.

Методика измерений состояла в следующем. Измерялся исходный спектр люминесценции при температуре 25°С, который брался за эталон - /(к)3. Далее в термоячейке были измерены спектры люминесценции при более высоких температурах - /(л)т (50-300°С). Построенные разностные спектры А/(1) =/(Х)1 -/(Х)э отображают изменения формы контуров при разных температурах. Такие же, были записаны спектры в термоячейке при температуре 25°С, но при различных мощностях накачки (0,05-1 Вт). Далее, для оценки нагрева образцов при накачке сопоставлялись спектры, полученные при различных температурах и мощностях накачки.

Третья глава посвящена комплексным исследованиям спектральнолюминесцентных и лазерных характеристик высококонцентрированных бариевофосфатных стекол.

В первом разделе для всех исследованных стекол определены следующие величины: параметры Джадда-Офельта, сечения поглощения из основного

состояния, сечения вынужденного излучения, времена затухания люминесценции ионов эрбия для перехода 41п7->41]5д (1535 нм), квантовый выход люминесценции ионов ЕЛ вероятность передачи возбуждения с иттербия на эрбий. Дан анализ полученных зависимостей.

Во втором разделе исследовались лазерные характеристики бариевофосфатных стекол. Для этого проведены прямые измерения спектров усиления/потерь основного перехода ионов эрбия 41на~^Ь^2 Для различных уровней населенности метастабилького уровня (ЛуЫ&).

Для образцов с концентрациями ионов эрбия (0,5 и 1 хЮ20 см'3) получена инверсия населенности (рис. 1). При более высоких концентрациях значительный вклад в снижение инверсии населенности вносит нелинейное ап-конверсионное тушение.

Рис. 1. Зависимость отношения Лг/Л^г Рис. 2. Сравнение спектров усиления/потерь от концентрации ионов эрбия расчетного (сплошная линия) и

экспериментального (штрихпунктирная).

Сравнение экспериментальных и расчетных спектров усиления приведено на рис. 2. С ростом накачки спектр поглощения трансформируются в спектр усиления. При увеличении концентрации ионов эрбия от 0,5 до 1хЮ20 см'3 коэффициент усиления £ возрастает с 0,05 до 0,18 см'1.

Дальнейшее увеличение

концентрации ведет к уменьшению коэффициента усиления (рис. 3). Предельная концентрация ионов эрбия, при которой наблюдается усиление, составила 1x1020 см'3 при концентрации иттербия 19хЮ20 см'1.

В третьем разделе рассмотрено Рис.З. Зависимость коэффициента влияние температуры и мощности

усиления для перехода иона эрбия на излучения накачки на форму контура

1,5 мкм от концентрации эрбия; люминесценции иона эрбия с

максимумом на 1,5 мкм. Получены зависимости нагрева образцов под действием излучения лазера накачки с различной мощностью. Показано что, при мощности накачки 590 мВт образец с концентрацией эрбия 9,5х1020 см'3 нагревается до 250°С.

Б четвертой главе представлены результаты исследований спектральнолюминесцентных и лазерных свойств метафосфатных стекол.

В первом разделе приведены параметры Джадда-Офельта, сечения

поглощения и вынужденного излучения, времена затухания люминесценции ионов эрбия для перехода 41 ¡¡7 (1535 им), квантовый выход

Ыег , х1020 см'3

люминесценции ионов Ег3+, вероятность передачи возбуждения с иттербия на эрбий Дан анализ полученных зависимостей.

Во втором разделе исследоваиы зависимости инверсной населенности метастабильного уровня 7/№2 и коэффициента усиления в зависимости от концентрации ионов иттербия при разных мощностях накачки (рис. 4).

Для всех концентраций, кроме предельной (52,4хЮ20 см'3), с увеличением мощности накачки инверсия населенности метастабильного уровня растет, а затем выходит на насыщение. Для метафосфата иттербия, активироваиного эрбием, при мощностях выше 400 мВт происходит уменьшение населенности.

Сравнение расчетных и экспериментальных спектров показывает (рис. 5), что эти спектры хорошо совпадают в области малых накачек (<50%), при увеличении накачки сильное влияние на коэффициент усиления оказывают нелинейные процессы (миграция возбуждения, ап-конверсия и т.д).

•в-

Р, мВт

1520 1560

Длина волны, нм

1600

Рис. 4. Влияние мощности накачки Рис. 5. Сравнение спектров на инверсную населенность (АУЛУ усиления/потерь расчетного (сплошная метастабильного уровня ионов линия) и экспериментального эрбия при переходах "7,м -> *Ов,?. (штрихпунктирная).

Причиной снижения коэффициента усиления и населенности

метастабильного уровня при сверхвысоких концентрациях иттербия (для метафосфата иттербия) и высоких мощностях накачки является нагрев образца за счет увеличения концентрации активатора, а также увеличение обратного переноса с эрбия на иттербий.

Влияние температуры и мощности излучения накачки на форму контура люминесценции иона с максимумом на 1,5 мкм при различных концентрациях концентрации ионов иттербия рассматривается в третьем разделе. При мощности 590 мВт для метафосфата иттербия максимальный нагрев образца достигает 330° С.

Пятая глава посвящена рассмотрению результатов исследований спектрально-люминесцентных и лазерных свойств полифункциональных фото-термо-рефрактивных стекол.

В первом разделе были определены следующие характеристики: параметры Джадда-Офельта, сечения поглощения из основного состояния, сечения вынужденного излучения, времена затухания люминесценции ионов эрбия для перехода 41¡¡а-*1'1ц,г (1535 нм), квантовый выход люминесценции ионов Ег3+ вероятность передачи возбуждения с итгербия на эрбий. Дан анализ полученных зависимостей.

Далее, во втором разделе были исследованы зависимости инверсной населенности метастабильного уровня 41ш в зависимости от концентрации ионов эрбия при разных мощностях накачки (рис. 6).

Для ФТР стекол получена максимальная инверсная

населенность 52% (для образца с концентрацией N^0,26x1020 см°).

Расчетные и экспериментальные спектры усиления/потерь хорошо совпадают (рис 7). Положительное усиление достигнуто на образцах с концентрациями эрбия 0,26x1020 и

0,56x1020 см'3, соответственно,

g=0,014 см'1 и §=0,006 см"'(рис. 8).

,-20,

ИЕг,х10 ‘

Рис. 6. Влияние концентрации эрбия на населенность метастабильного уровня 41т

Рис, ; 7. Сравнение спектров Рис. 8. Зависимость коэффициента

усиления/потерь расчетного (сплошная усиления для перехода иона эрбия на линия) и экспериментального 1,5 мкм от концентрации эрбия (штрихпунктирная).

Проведенные в третьем разделе исследования влияния температуры и мощности на спектр люминесценции ионов эрбия показали, что увеличение мощности накачки и температуры приводит к значительному искажению спектров люминесценции. При мощности накачки 590 мВт температура образца достигает 200° С для образца с максимальной концентрацией эрбия 2,26x1020 см'3.

Шестая глава посвящена исследованию спектрально-люминесцентных свойств свинцово-фторидных стекол и стеклокерамик на их основе.

В первом разделе исследованы физико-химические и структурные характеристики стекол и стеклокерамик. Определены температуры стеклования и начала первого пика кристаллизации. Эти данные использовались для выбора температур вторичной термообработки (т.е. формирования кристаллической фазы). Данные ргнтгенофазового анализа позволяют сделать следующие выводы: при термообработке свинцово-фторидных стекол, содержащих оксиды иттрия и лантаноидов, в том числе, и при совместном введении различных лантаноидов и иттрия, выделяется кристаллическая фаза - кубическая, гранецентрированная, пространственная группа РшЗш. Размеры элементарной ячейки в случае фторида эрбия составляют 5.725 А и для фторида иттербия - 5.7 Á. Объем кристаллических фаз определяется количеством введенных фторидов лантаноидов или лантаноидов и иттрия. Выделяющиеся в виде наноразмерных кристаллов ряда фазы являются кристаллическими фазами ряда соединений -лантаноидных оксифторидов свинца PbLnOF3 . В зависимости от времени термообработки размер выделяющейся кристаллической фазы составил от 16 нм (2ч) до 40 нм (10 ч). По данным рентгенофазового анализа сделан вывод о том, эрбий и иттербий входят в кристаллическую фазу, образуя соединение состава PbYx.iErxOF3, PbYx.i YbxOF3, а при их совместном введении - PbYi.x.yErxYbyOF3.

Во втором разделе проведены исследования спектрально-люминесцентных свойств стекол и стеклокерамик и проведено их сравнение.

1500 1550 1600

Длина волн* км

Рис.9. Спектры поглощения (а) и люминесценции (б) для перехода 4115:2 -> 41пп стекла, содержащего 0,4 мол % ЕгР3> (кривая 1) и наностеклокерамики, полученной после термообработки (кривая 2).

Показано что термообработка ведет к сильной деформации контура спектра поглощения и люминесценции ионов эрбия (рис. 9а и 96). Такое поведение контуров полос поглощения свидетельствует об изменении окружения активаторов при их переходе из стеклофазы в кристаллическую фазу. На основе рассчитанных сечений поглощения и излучения были получены спектры усиления/потерь. Типичные спектры коэффициента усиления для исходного стекла и стеклокерамики приведены на рис.Ю. Показано, что термообработка приводит к увеличению ширины диапазона усиления с 48 до 64 нм. Также выросли максимальные коэффициенты усиления при одинаковых накачках. Например, при накачке 70 % для исходного стекла коэффициент усиления достигает 0,35 см'1 а для стеклокерамики - 0,42 см-1.

Длина волны, нм

Рис.Ю. Коэффициент усиления а) исходного стекла и б) стеклокерамики, актированных 0.4 мол % ЕгР3 при различных уровнях накачки 1-0%, 2-20%,3-

50%, 4-70%, 5-100%.

Основные результаты и выводы работы:

Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных и лазерных свойств высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол и иапостеклокерамик. Получены следующие основные результаты:

• Разработана методика экспериментального определения спектров усиления/потерь при разных населенностях метастабильного уровня.

• Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных и лазерных свойств высококонцентрированных иттербий-эрбиевых бариевофосфатных и метафосфатных стекол. Показано, что максимальное значение коэффициента усиления составляет £=0.18 см'1, для образца с концентрацией ионов активаторов эрбия -1 хЮ20 см"3 и итгербия - 19x1020 см' 3 при населенности метастабильного уровня эрбия 55%. Увеличение концентрации иттербия, начиная с концентрации Ыуь= 20,9хЮ20 см'3, приводит к снижению порога усиления. Стекло с предельной концентрацией итгербия (метафосфат иттербия) имеет положительный коэффициент усиления при малых мощностях накачки 35 мВт. Показано, что увеличение мощности накачки приводит к немонотонному изменению населенности метастабильного уровня и коэффициента усиления у метафосфата иттербия. Коэффициент усиления 0,1 см'1 получен на образце толщиной 0,5 мм с концентрациями иттербия - 41,7х1020 см'3 и эрбия - 0,29x10го см"'1 при поглощенной мощности накачки 210 мВт. Полученные данные позволяют оптимизировать концентрации ионов эрбия и иттербия и их соотношения для мини- и микролазеров.

• Проведены комплексные исследования спектрально-люминесцентных свойств полифункциональных иттербий-эрбиевых фото-термо-рефрактивных стекол. Увеличение концентрации ионов эрбия приводит к уменьшению населенности метастабильного уровня и коэффициента усиления. Для образца с минимальным содержанием ионов эрбия (Кег=0,26х1020 см'3 , Нуь=17-8хЮ20 см'3) достигнута инверсия населенности 52% при мощности накачки 590 мВт. Коэффициент усиления при таких условиях составил 0,014 см'1 для образца толщиной ~1 мм.

• Проведены комплексные исследования и сравнительный анализ спектральнолюминесцентных свойств свинцово-фторидных стекол и нанострукгурированных стекдокерамик, активированных иттербием и эрбием. Показано, что эрбий и иттербий входят в кристаллическую фазу,

образуя соединения состава PbY1.xLnxOF3 (где Ln Er или Yb) Увеличение времени термообработки приводит к росту размера нанокристаллов. Типичные размеры нанокристаллов составляют не более 40 нм, Исследована зависимость спектрально-люминесцентных свойств ионов эрбия от длительности термообработки. Показано, что подбор режима термообработки позволяет получить спектр люминесценции ионов эрбия различной ширины (полуширина спектра в исходном образце составляет 51 нм, в стеклокерамике - 68 нм). Подбор режима термообработки и концентрации ионов эрбия позволяет получить более широкий и гладкий спектр усиления на 1.5 мкм.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

Из списка ВАК:

1. Асеев В.А., Колобкова Е.В., Некрасова Я.А. Низкотемпературные измерения ап-конверсионной люминесценции в наноструктурированных активированных стеклокерамиках. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2011, №3(73), с.22-25

2. Асеев В.А., Варакса Ю.А., Клементьева A.B., Колобкова Е.В., Никоноров Н.В., Синицын Г.В., Ходасевич М.А. Спектрально-люминесцентные и информационные характеристики прозрачных свинцово-фторидных наностеклокерамик, активированных ионами эрбия. Оптика и спектроскопия, 2010, т.108, №5, с.763-770.

3. Абдршин А.Н., Асеев В.А., Нурыев Р.К. Влияние нагрева на люминесцентные свойства ионов эрбия в стекле. Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО, 2010, №3, с.128.

4. Асеев В.А., Голубков В.В., Клементьева A.B., Колобкова Е.В., Никоноров Н.В. Спектрально-люминесцентные свойства прозрачной свинцовофторидной наностеклокерамики, активированной ионами эрбия. Оптика и спектроскопия,

2009, т.106, №5, с.770-775.

5. Асеев В.А., Никоноров Н.В. Спектрально-люминесцентные свойства фототерморефрактивных наностеклокерамик, активированных ионами иттербия и эрбия. Оптический журнал, 2008. т.75, №10, с.81-88.

6. Асеев В.А., Злагов A.C., Никоноров Н.В., Пржевуский А.К., Федоров Ю.К. Спектры усиления в итгсрбий-эрбиевых метафосфатных стеклах для микролазеров. Оптический журнал, 2008, т.75, №3, с.79-82.

7. Александрова E.J1., Здравков A.B., Асеев В.А., Никоноров Н.В., Химич H.H. Люминесцентные и светочувствительные свойства нанокмпозитов на основе трис(дииминовых) комплексов Ru2+, химически связанных с кремнеземной матрицей. Оптика и спектроскопия, 2007, т.103, №4, с.592-595.

8. Асеев В.А., Жукова М.Н., Златов A.C., Никоноров Н.В., Пржевуский А.К.,

Федоров Ю.К. Влияние концентрации иттербия на инверсию населенности эрбия в фосфатных лазерных стеклах. Оптический журнал, 2007, т.74, №11, с.58-62. '

9. Асеев В.А., Игнатьев А.И., Никоноров Н.В., Пржевуский А.К., Федорова Е.М., Фёдоров Ю.К. Влияние нагрева на люминесцентные свойства высококонцентрированного иттербий-эрбиевого фосфатного стекла. Оптический журнал, 2007, т.74, №11, с.63-65.

10.Асеев В.А., Никоноров Н.В., Пржевуский А.К., Фёдоров Ю.К., Ульяшенко А.М. Спектрально-люминесцентные свойства высококонцентрированных иттербий-эрбиевых фосфатных стекол для микролазеров. Оптический журнал, 2006, т.73, №3. С. 20-25

11.Асеев В. А., Никоноров Н. В., Пржевуский А.К., Чухарев А. В., Рохмин А.С., Измерение спектров усиления/потерь в высококонцентрированных лазерных стеклах, активированных иттербием-эрбием. Оптический журим, 2003, т.70, №11.

Другие публикации:

12.Nikonorov М., Aseev V., Ignatiev A., Zlatov A. New polyfunctional photo-thermo-refracdve glasses for photonics applications. Technical Digest of 7th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication, ODF’IO, 2010, p.209-210.

13.Aseev V., Kolobkova E., Klement’eva A., Korchagin E., Moskaleva K., Nikonorov N. Rare-earth doped lead-fluoride nano-glassceramics for photonic applications. Technical Digest of 7th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication, ODF’IO, p.211-212.

14.Aseev V.A., Nikonorov N.V., Przhevuskii A.K., Fedorov Y.K. Highly concentrated, ytterbium-erbium metaphosphate glass for microchip laser. Proceedings of the 14th International Conference “Laser Optics 2010”, St.Petersburg, 2010, WeWl-p07.

15.Aseev V.A.. Nikonorov N.V., Przhevuskii A.K., Photo-Thermo-Refractive Nanoglassceramics Doped with Ytterbium and Erbium Ions for Microchip Laser. Proceedings of the 14th International Conference “Laser Optics 2010”, St.Petersburg, 2010, WeRl-p38.

16.Aseev V., Abdrshin A., Kolobkova E., Klement’eva A., Nuryev R., Moskaleva K., Nikonorov N. Ytterbium-erbium doped lead-fluoride nano- glassceramics for temperature sensors. Technical Digest of International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. International Conference on Laser, Applications, and Technologies (ICONO/LAT 2010) 2010, LWC3,

17.Aseev V., Kolobkova E., Nikonorov N., Yasykevich A., Kuleshov N., Moskaleva K. Spectral and luminescent properties of erbium and ytterbium-erbium doped nano-glassceramics. Proceedeings of the First International Conference on Luminescence of Lanthanides, ICLL-1, 2010, p.73.

18.Aseev V., Abdrshin A., Kolobkova E., Nuryev R., Moskaleva K., Nikonorov N. Thermal sensor based on ytterbium-erbium doped nano-glassceramics. Proceedings of the 10th International Conference on Laser and Fiber-optical Networks Modeling (LFNM-2010), 2010, p.45-46.

19.Aseev V., Kolobkova E., Nikonorov N., Korchagin E., Golubkov V., Moskaleva K. Spectral and luminescent properties and energy transfer of lead-fluorine nanoglassesramics doped with Erbium and Ytterbium. Book of abstracts XIV International Feofilov symposium on spcctroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions, 2010, p.33.

20.Nikonorov N.V., Aseev V.A., Ignatiev A.I., Kim A.A., Kolobkova E.V., Shershnev P.S., Sidorov A.I., Tsekhomsky V.A. New nanoglassramics doped with rare earth and transition metal ions: optical, spectral and luminescent properties. Book of abstracts XIV International Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions, 2010, p.105-106.

21.Moskaleva K., Aseev V., Kolobkova E., Nikonorov N., Korchagin E., Golubkov V. Upconversion luminiscence in Ytterbium-sensitised Praseodiumium-doped lead-tluorine nanoglasserainics. Book of abstracts XIV International Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions, 2010, p.97.

22.Aseev V., Kolobkova E., Nikonorov N., Yasukevich A., Kuleshov N., Moskaleva K. Spectral and luminescent properties of lead-fluorine nanostructured glasseramics doped with Erbium. Book of abstracts XIV International Feofilov symposium on spectroscopy of crystals doped with rare earth and transition metal ions, 2010, p.34.

23.Aseev V., Kolobkova E., Korchagin E., Moskaleva K., Nikonorov N., Nekrasova Ya. Rare-earth doped transparent nano-glassceramics for photonic applications, Photonics 2010, International Conference on Fiber Optics and Photonics, 2010, p.526.

24. Aseev V., Khodasevich M., Klementeva A.,. Kolobkova E, Nikonorov N., Sinitsyn G.and Varaksa Y.. Erbium-doped nano-glass-ceramics: spectral and informational characteristics. 17th Int. Symp. “Nanostructures: Physics and Technology”, 2009.1-

25. Aseev, V., Kolobkova, E., Klement'eva, A., Moskaleva, K., Nikonorov, N., "Laser lead-fluoride nano-glassceramics for photonic applications" in 2009 International Conference on Optical Instruments and Technology: Optoelectronic Devices and Integration, Proceedings of SPIE 2009, Vol.7509,750918. ppl-10.

26.Khodasevich M., Sinitsyn G., Varaksa Y., Aseev V., Klementeva A., Nikonorov N., Kolobkova E.. Optimal regime of the secondary thermal treatment of nano-glass-ceramics in terms of the spectral and informational characteristics of erbium-doped fiber amplifiers., Proceedings of the International Conference on Nanomeeting 2009 Minsk, Belarus, May 2009, ppl-4.

27.Aseev V.A., Klementeva A.V., Kolobkova E.V., Nikonorov N.V., Spectral and Luminescent Properties of Lead-Fluoride Nanoglassceramics Doped with Ytterbium and Erbium Proceedings of 15th International conference on Luminescence and optical spectroscopy of condensed matter, Lyon France, 2008, p.459.

28.Nikonorov N.V, Chukharev A.V, Aseev V.A, Rokhmin A.S., and Przhevuskii A.K., Measurement of gain/loss spectra in high yttcrbium-erbium doped glasses Rare-Earth-Doped Materials and Devices VII, Proceedings of SPIE, 2003, Vol.4990, ppl43-149.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации», 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14, тел (812)2334669. Объем 1 у.п.л. Тираж 100 экз

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Асеев, Владимир Анатольевич, Санкт-Петербург

61 12-1/638

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

АСЕЕВ ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

Специальность 01.04.05 - Оптика

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Никоноров Николай Валентинович

Санкт-Петербург

2012

Оглавление

Введение.............................................................................................................................................4

Глава 1 Литературный обзор.........................................................................................................10

1.1. Общие представления о спектрах редкоземельных активаторов.........................................10

1.1.1. Оптические спектры активаторных редкоземельных центров. Общие представления о спектрах материалов, активированных иттербием/эрбием..........................................................10

1.1.2. Вероятности оптических переходов внутри (41)к' конфигурации редкоземельных ионов. Общие представления о природе оптических переходов.........................................14

1.1.3. Теория Джадда-Офельта........................................................................................................20

1.1.4. Интенсивности полос в спектрах РЗЭ кристаллов, растворов и стекол. Сверхчувствительные переходы.....................................................................................................22

1.1.5. Кооперативные оптические явления....................................................................................25

1.1.6. Миграция энергии возбуждения. Сенсибилизация люминесценции................................26

1.1.7. Ап-конверсионные процессы...............................................................................................31

1.2. Современные высококонцентрированные лазерные стекла и стеклокерамики,

активированные ионами иттербия и эрбия....................................................................................42

1.2.1 Высококонцентрированные фосфатные лазерные стекла...................................................44

1.2.2. Лазерные полифункциональные материалы.......................................................................50

1.2.3. Прозрачные фторидные наностеклокерамики, активированные ионами редких земель51 Глава 2. Методическая часть.........................................................................................................63

2.1. Синтез и характеристики образцов.........................................................................................63

2.1.1 Бариевофосфатный ряд...........................................................................................................63

2.1.2 Метафосфатный ряд................................................................................................................64

2.1.3 Ряд фото-термо-рефрактивных стекол..................................................................................65

2.1.4 Ряд свинцово-фторидных стекол..........................................................................................65

2.2.Классические методы исследования спектрально-люминесцентных свойств стекол, активированных иттербием и эрбием............................................................................................69

2.2.1. Методика измерения спектров поглощения и определения сечений поглощения из основного состояния и параметров Джадда-Офельта..................................................................69

2.2.2. Методика измерения спектров люминесценции и определения сечений вынужденного излучения по методу МакКамбера.................................................................................................71

2.2.3. Методика расчета спектров усиления/потерь.....................................................................73

2.2.4. Методика определения времени затухания люминесценции, квантового выхода и

эффективности переноса энергии от иттербия к эрбию...............................................................74

2.3.Оригинальные методы исследования лазерных свойств стекол, активированных иттербий-эрбием...............................................................................................................................76

2.3.1. Методики измерения населенности метастабильного уровня эрбия 41ц/2.......................76

2.3.2. Экспериментальная методика измерения спектров усиления/потерь..............................80

2.3.3. Методика измерения влияния мощности накачки на нагрев лазерной среды.................82

Выводы к главе 2..............................................................................................................................84

Глава 3. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства бариевофосфатных иттербий-эрбиевых стекол...............................................................................................................................85

3.1. Спектральные свойства. Сечения поглощения из основного и возбужденного состояния. Параметры Джадда-Офельта...........................................................................................................85

3.2.Люминесцентные характеристики...........................................................................................90

3.3.Населенность на метастабильном уровне 41^/2 иона эрбия. Коэффициент усиления.........95

3.4.Влияние температуры активной среды и мощности накачки на форму спектров

люминесценции..............................................................................................................................101

Выводы к главе 3............................................................................................................................106

Глава 4. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства метафосфатных иттербий-

эрбиевых стекол................................................... ...........................................................................107

4.1.Введение к главе 4....................................................................................................................107

4.2.Спектральные свойства. Сечения поглощения из основного и возбужденного состояния.

Параметры Джадда-Офельта.........................................................................................................107

4.3. Люминесцентные характеристики........................................................................................113

4.4. Населенность на метастабильном уровне 4I 13/2 иона эрбия. Коэффициент усиления......120

4.5. Влияние температуры активной среды и мощности накачки на форму спектров люминесценции..............................................................................................................................129

4.6. Сравнение метафосфатных и бариевофосфатных стекол..................................................133

Выводы к главе 4............................................................................................................................133

Глава 5. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства полифункциональных материалов: фото-термо-рефрактивных стекол, активированных ионами иттербия и эрбия 135 Введение к главе 5..........................................................................................................................135

5.1.Спектральные свойства. Сечения поглощения из основного состояния. Параметры Джадда-Офельта. Сечения поглощения из возбужденного состояния.....................................138

5.2. Люминесцентные характеристики........................................................................................144

5.3. Населенность на метастабильном уровне 41 13/2 иона эрбия. Коэффициент усиления......149

5.4. Влияние температуры активной среды и мощности накачки на форму спектров

люминесценции..............................................................................................................................157

Выводы к главе 5............................................................................................................................162

Глава 6. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства свинцово-фторидных стекол и стеклокерамик активированных ионами иттербия и эрбия.......................................................163

6.1. Физико-химические свойства наностеклокерамик, активированных ионами иттербия и эрбия................................................................................................................................................163

6.2. Спектральные свойства..........................................................................................................167

6.3. Люминесцентные свойства....................................................................................................171

6.4. Лазерные свойства..................................................................................................................180

Выводы к главе 6............................................................................................................................181

Основные результаты и выводы работы................................................................................182

Литература......................................................................................................................................184

Приложение 1.................................................................................................................................194

Введение

наноструктурированных стеклокристаллических материалов и т.д.

Сегодня иттербий-эрбиевые стекла и кристаллы широко используются в качестве активной среды в лазерах и оптических усилителях. Это связано, с тем, что длина волны генерации иона эрбия (1,5 мкм) является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн. Ион иттербия дополнительно вводится в матрицу для повышения эффективности накачки, поскольку является сенсибилизатором для иона эрбия, а также имеет интенсивную полосу поглощения в области 1 мкм, что позволяет использовать для накачки мощные полупроводниковые лазерные диоды. Типичные концентрации ионов иттербия в коммерческих иттербий-эрбиевых лазерных фосфатных стеклах составляют (19-21)хЮ20 см"3. Такие концентрации ионов иттербия позволяют осуществлять эффективную накачку и передачу возбуждения для концентраций ионов эрбия вплоть до 1x1020 см"3 . Дальнейшее увеличение концентрации ионов эрбия приводит к снижению эффективности безызлучательного переноса от иттербия к эрбию, что наряду с другими факторами, например ап-конверсией, концентрационным тушением, снижает эффективность лазера. Увеличение же концентрации иттербия может снизить пороги генерации, увеличить предельные концентрации ионов эрбия и улучшить генерационные свойства лазеров работающих в режиме модулированной добротности. Однако, работы по созданию и исследованию спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик материалов с высокими (более 21x1020 см"3) концентрациями ионов иттербия практически отсутствуют. Особый же интерес представляют среды с предельными содержаниями активаторов. Например, метафосфат иттербия - среда, где ион иттербия входит основную

структуру стеклообразующей сетки. Поэтому разработка и исследование высококонцентрированных лазерных материалов на сегодняшний день представляет важную научно-практическую задачу.

Полифункциональные лазерные материалы - это новый класс оптических сред, которые объединяют в себе характеристики нескольких оптических материалов и проводят разные функциональные операции со светом (генерацию, усиление, удвоение частоты, модуляцию, отклонение световых потоков, передачу, запись, обработку и хранение информационных потоков и т.д.). На основе этих сред возможно создание разных функциональных оптических элементов и устройств, а также осуществлять их интеграцию в одном материале и миниатюризацию. Несмотря на большие перспективы использования полифункциональных материалов в интегральной оптике, на практике номенклатура таких материалов мала. На сегодняшний день можно выделить только два оптических материала, которые можно отнести к полифункциональным: ниобат лития, активированный редкоземельными ионами (электро-оптический, нелинейный и одновременно лазерный кристалл) и халькогенидные стекла, активированные редкоземельными ионами (фоторефрактивные лазерные среды). Поэтому разработка и исследование новых полифункциональных материалов представляет собой чрезвычайно актуальную задачу, как в интегральной оптике, так и в фотонике в целом.

В настоящее время прозрачные стеклокристаллические материалы представляют большой интерес для современной элементной базы фотоники. Занимая промежуточное положение между кристаллическими материалами и стеклами, они объединяют в себе лучшие свойства кристаллов (высокая механическая и термическая прочность) и стекол (возможность прессования и формования, возможность вытяжки оптического волокна и проведения ионного обмена для создания волноводных структур). Если активатор (например, эрбий, неодим и т.д.) входит в кристаллическую фазу, то спектрально-люминесцентные и лазерные характеристики стеклокерамики могут быть близки к характеристикам лазерных кристаллов-аналогов. Стеклокристаллические материалы (стеклокерамики) - это гетерофазные структуры, которые формируются при отжиге стекла за счет роста кристаллической фазы в стеклообразной матрице. Одним из основных недостатков таких материалов является высокое светорассеяние на границе

кристаллической фазы и стеклофазы. Поэтому ключевым направлением при разработке оптических стеклокристаллических лазерных материалов является уменьшение светорассеяния за счет роста наноразмерных кристаллов в матрице стекла. Таким образом, разработка и исследование новых наноструктурированных лазерных стеклокерамик представляет перспективное направление в оптическом материаловедении и спектроскопии конденсированных сред.

Цель работы: проведение комплексных исследований спектрально-люминесцентных свойств высококонцентрированных лазерных иттербий-эрбиевых стекол и наностеклокерамик. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

• разработка методики экспериментального определения спектров усиления/потерь при разных населенностях метастабильного уровня;

• проведение комплексных исследований спектрально-люминесцентных свойств высококонцентрированных иттербий-эрбиевых метафосфатных стекол, а также метафосфатов иттербия активированных эрбием;

• проведение комплексных исследований и сравнительного анализа спектрально-люминесцентных свойств полифункциональных иттербий-эрбиевых фото-термо-рефрактивных стекол и наностеклокерамик на их основе;

проведение комплексных исследований и сравнительного анализа спектрально-люминесцентных свойств свинцово-фторидных стекол и наноструктурированных стеклокерамик, активированных иттербием и эрбием.

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

1. Разработан экспресс-метод экспериментального определения спектров усиления/потерь при разных населенностях метастабильного уровня 41ва иона эрбия.

4. Определены оптимальные концентрации иона активатора в метафосфате иттербия для получения максимального коэффициента усиления на переходе иона эрбия 411з/2~^4 1/5/2 ■

Практическое значение работы состоит в следующем:

2. Предложенная методика определения температуры по изменению формы контуров люминесценции иона эрбия позволяет определять нагрев лазерной среды при