Спектроскопические проявления центров окраски, наведенных в процессе формирования решеток квадратичной восприимчивости Х (2) в алюмосиликатных световодах, легированных редкоземельными ионами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА_

Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В.Скобельцина

На правах рукописи УДК 535.34;535.37;530.182

ГЕРАСИМОВА Василиса Игоревна

СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ЦЕНТРОВ ОКРАСКИ, НАВЕДЕННЫХ В ПРОЦЕССЕ ФОРМИРОВАНИЯ РЕШЕТОК КВАДРАТИЧНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ х{2) В АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ИОНАМИ

01.04.05-оптика

Диссертация на соискание ученой степени Кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

доктор физико-математических наук

профессор Л.С.КОРНИЕНКО

кандидат физико-математических наук с.н.с. П.В.ЧЕРНОВ

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.......................................12

§1.1 Физические модели фотоиндуцированной генерации второй

гармоники (ГВГ) в центросимметричных средах...........................12

§1.2 Роль ЦО в процессе записи решеток квадратичной нелинейной

восприимчивости^.........................................................20

§1.3 Явление фотоиндуцированной ГВГ в стеклянных волоконных

световодах, легированных редкоземельными ионами...............22

§ 1.4 Спектроскопические исследования стеклянных волоконных

световодов после записи в них решеток $2)........................27

ГЛАВА 2. СПЕКТРОСКОПИЯ ЦЕНТРОВ ОКРАСКИ (ЦО) В АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ ИОНАМИ (РЗИ). . . 29

§2.1 Расчет концентраций РЗИ в исходных алюмосиликатных

световодах...............................................................30

§2.2 ЦО, обусловленные рентгеновским облучением..................36

Основные результаты .........................................................63

ГЛАВА 3. РОЛЬ ЦО ПРИ ФОРМИРОВАНИИ РЕШЕТОК НЕЛИНЕЙНОЙ ВОСПРИИМЧИ ВОСТИ в АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ РЗИ.......................................65

§3.1 Методика проведения эксперимента.................................66

§3.2 Спектроскопические проявления ЦО алюмосиликатных световодов,

легированных РЗИ, при формировании решеток ^...............71

§3.3 Влияние предварительного рентгеновского облучения и насыщения водородом световодов на спектроскопические

проявления ЦО в процессе записи решеток ^.....................80

§3.4 Установление зависимости параметров решеток от

концентрации фотовольтаических ЦО..............................87

Основные результаты.........................................................93

ГЛАВА 4. МИКРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ФОТОИНДУЦИРОВАННОЙ ГВГ В АЛЮМОСИЛИКАТНЫХ СВЕТОВОДАХ, ЛЕГИРОВАННЫХ РЗИ.......................................95

§4.1 Эффективность разрушения ЦО под воздействием лазерного

излучения ...............................................................95

§4.2 Микроскопический механизм образования решеток ^ в чистых и

легированных РЗИ алюмосиликатных световодах..................107

Основные результаты.........................................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ............................................................117

ЛИТЕРАТУРА ............................................................120

Введение

Настоящая диссертационная работа посвящена изучению спектральными методами поведения центров окраски (ЦО) в процессе формирования решеток квадратичной нелинейной восприимчивости в чистых и легированных редкоземельными ионами (РЗИ) алюмосиликатных световодах.

В центросимметричных средах генерация второй гармоники (ГВГ) запрещена в дипольном приближении. Несмотря на это, в 1986 году Остерберг и Маргулис обнаружили эффективную ГВГ в германосиликатном световоде при длительном облучении (12 часов) световода излучением Ш:УАО лазера [1]. Открытие этого явления поставило вопрос о физических механизмах, приводящих к снятию данного запрета. Помимо фундаментального, решение проблемы фотоиндуцированной ГВГ имеет огромное прикладное значения. Появляется возможность создания дешевых и компактных источников сине-зеленого излучения для записи информации на основе лазерных диодов и стеклянных волоконных световодов. Кроме того, перспективным является хранение информации с возможностью перезаписи на основе фотоиндуцированной ГВГ в объемных стеклах [2]. Таким образом, открытие этого явления вызвало большой интерес, и на сегодня в литературе насчитывается более 200 статей, посвященных данному явлению.

Несмотря на большой накопленный экспериментальный и теоретический материал по данной тематике, на сегодня нет ясной картины в понимании микроскопического механизма явления фотоиндуцированной ГВГ в центросимметричных средах. Существенную роль в выяснении характера микроскопических фотоиндуцированных изменений в структуре стекла, отвечающих за "запись" решеток может сыграть исследование природы ЦО, возникающих под воздействием излучения. Поэтому основное внимание в диссертации уделено детальному исследованию поведения и свойств различных типов ЦО, участвующих в создании решетки а также

возникающих под воздействием рентгеновского и лазерного излучения при

разных внешних условиях (низкая (77 К) и комнатная (300 К) температура, пропитка образцов в атмосфере водорода).

Важной проблемой, решение которой позволит существенно улучшить характеристики устройств на основе эффекта фотоиндуцированной ГВГ является улучшение характеристик стекол и волоконных световодов, используемых для "записи" решеток квадратичной нелинейной восприимчивости Как известно, фотоиндуцированная ГВГ, в обычных волоконных световодах, требует очень высоких (10 - 20 кВт) пиковых мощностей записывающего излучения [1,3-4]. В результате ГВГ в таких световодах возможна лишь в режиме, близком к оптическому разрушению. Поэтому, в связи с перспективой создания новых, более эффективных материалов для фотоиндуцированной ГВГ, понимание микроскопических изменений в структуре стекла приобретает особую значимость.

Таким образом, актуальность диссертационной работы связана с необходимостью выяснения природы ЦО, участвующих в создании решеток квадратичной нелинейной восприимчивости в волоконных оптических световодах и с большим интересом, проявляемым к возможности улучшения параметров решеток (эффективность преобразования, время записи, стойкость по отношению к стиранию). Для этого была создана новая автоматизированная экспериментальная установка для снятия оптических спектров в процессе записи решеток

Согласно фотовольтаической модели [5,6], которая на данный момент наилучшим образом объясняет явление ГВГ в центросимметричных средах, процесс создания решетки квадратичной нелинейной восприимчивости вызван избирательным и направленным выбиванием электронов из одних (фотовольтаических) центров сетки стекла и переносом их на другие центры, выполняющие в данном случае роль ловушек. В результате разделения зарядов в среде возникает сильное (104-105 В/см) электростатическое поле объемного заряда:

ЕспГ-]ф1сГ, (0-1)

где - плотность когерентного фототока; сг - фотопроводимость, которая зависит от Я и от концентрации дефектов. Это поле, в свою очередь, приведет к появлению решетки квадратичной восприимчивости

Х{1) = Х0)Ест, (0.2)

где « 10"22 м2/В2 - кубическая восприимчивость. На сегодняшний день экспериментально установлено, что такого рода центрами окраски (ЦО) могут быть Ое(К) центры [7-10], а также РЗИ [11-12].

Поэтому в данной работе исследовались алюмосиликатные световоды, легированные трехзарядными РЗИ, которые могут переходить в двухзарядное (КЕ2+) состояние в результате облучения светом ртутной лампы (а также у-лучами) [13] или рентгеновским излучением [14]. В свою очередь ионы ЯЕ2+ имеют слабо связанные добавочные 4/ - электроны [15], поэтому могут претендовать на роль фотовольтаических центров. С другой стороны, среди алюминиевых радиационных центров окраски (РЦО) есть электронные Е' (А1) центры [16], которые, аналогично ЯЕ , могут быть источниками фотоэлектронов под воздействием лазерного излучения. Эксперименты по предварительному гамма - облучению световодов [17,18] показали увеличение эффективности преобразования излучения накачки в излучение ВГ по сравнению с необлученными образцами. Принимая во внимание данный результат, были проведены дополнительные исследования по влиянию внешних факторов (облучение рентгеновским излучением, насыщение образцов в атмосфере водорода) на параметры записи решеток

Цель диссертационной работы заключалась в исследовании спектроскопических проявлений ЦО алюмосиликатных световодов, легированных РЗИ, во время записи в них решеток а также выяснения роли конкретных типов ЦО в процессе формирования решеток ^ в исследуемых образцах. Вследствие этого была разработана методика исследования спектров наведенного поглощения (НП) и фотолюминесценции (ФЛ) в процессе записи решеток Представлены методики, необходимые для исследования кинетики спектров НП в широком спектральном диапазоне,

а также спектров ФЛ ионов КЕ3+, которые позволяют судить об изменениях концентраций РЗИ и алюминиевых ЦО, непосредственно участвующих в исследуемых процессах. На основании полученных экспериментальных результатов предложен микроскопический механизм записи решеток в чистом и легированных РЗИ алюмосиликатных световодах.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе представлен обзор литературы, касающейся различных моделей, объясняющих явление фотоиндуцированной ГВГ. Рассмотрена роль ЦО в процессе записи решеток нелинейной квадратичной восприимчивости ¿¿г\ а также имеющаяся на сегодня информация об исследованиях, проведенных в стеклянных волоконных световодах, легированных РЗИ, и связанных с этим характерных особенностях записи. Отдельно дан обзор единичных работ по спектроскопическим исследованиям стеклянных волоконных световодов после записи в них решеток

Вторая глава посвящена спектроскопическим исследованиям ЦО в алюмосиликатных световодах, легированных РЗИ. Здесь представлены основные экспериментальные результаты, позволяющие определить, какие именно ЦО присутствуют в рассматриваемых образцах до и после воздействия рентгеновского и лазерного (УФ) излучения, установить их природу и поведение под действием вышеупомянутых внешних факторов. Для этого были проведены серии экспериментов на образцах, облученных разными дозами и при двух температурах (300 К, 77 К), без и с предварительной пропиткой их в атмосфере водорода. На основании проведенной серии экспериментов было установлено присутствие в исходных образцах Е'(А1) центров, а также ионов ТЬ3+, ТЬ4+, Бт3+, Бт24", Ег3+ и Ег24 . В работе сделаны оценки для их концентраций. Экспериментальные исследования полученных спектров НП позволили разобраться в процессах перезарядки РЗИ и выяснить поведение различных типов алюминиевых ЦО под воздействием явления рентгеновского облучения. Полученные результаты необходимы для

исследования фотоиндуцированной ГВГ в данных образцах и установления природы ЦО, принимающих участие в процессе записи решеток £2\

В третьей главе представлены результаты по выяснению роли ЦО в формировании решеток в алюмосиликатных световодах, легированных РЗИ. Для решения этого вопроса разработана новая экспериментальная методика. Приведено описание установки для получения и интерпретации спектров НП и ФЛ в процессе "записи" решеток ^2). На основании полученного экспериментального материала удалось установить связь между параметрами решетки (эффективность преобразования, время записи) и концентрационными и спектральными характеристиками ЦО, принимающих участие в исследуемых процессах. На роль фотовольтаических центров предложены Е'(А1) центры, ионы Бш и Ег24. Исследовано влияние предварительного рентгеновского облучения на параметры записываемых решеток и определены оптимальные дозы облучения, при которых данное внешнее воздействие положительно влияет на эффект фотоиндуцированной ГВГ в исследуемых световодах. Исследовано влияние водорода на процесс формирования решеток в алюмосиликатном световоде, легированном тербием, при этом экспериментально обнаружено уменьшение эффективности преобразования и скорости записи решеток

В четвертой главе предложена модель, описывающая микроскопические изменения, происходящие в процессе записи решеток в алюмосиликатных световодах, легированных РЗИ. Для этого представлен экспериментальный материал по воздействию на ЦО лазерного излучения отдельно взятых гармоник (основной и второй), а также даны оценки эффективностей фоторазрушения ЦО под этим воздействием. Показано, что при одновременном воздействии основной и второй гармоник лазерного излучения (то есть в процессе сидинга) эффективность разрушения увеличивается более, чем на порядок, по сравнению с действием гармоник по отдельности. Представлены теоретические обоснования того, что фотовольтаическими ЦО в данных образцах могут быть Е'(А1) центры и ионы Бш и Ег24 . На основании

всех экспериментальных и теоретических исследований в конце главы даны рекомендации по выбору состава стекла и легирующих примесей, а также способов их обработки, для оптимизации параметров решеток (эффективности преобразования, скорости записи, стойкости по отношению к стиранию).

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

В конце каждой главы представлены основные результаты, полученные в данной главе. Нумерация рисунков и формул в работе принята поглавная.

Научная новизна диссертационной работы:

- Впервые разработана оригинальная методика для получения и исследования спектров наведенного поглощения и фотолюминесценции в процессе записи решеток в стеклянных волоконных световодах.

- Впервые получены спектры фотолюминесценции и поглощения, наведенного лазерным излучением, в процессе записи решеток ^ в стеклянных волоконных световодах.

- Экспериментально исследована корреляция между динамикой записи решеток и концентрацией отдельно взятых ЦО.

- Представлена модель, описывающая микроскопические изменения, происходящие в процессе записи решеток в аюомосиликатных световодах, легированных РЗИ.

Научная значимость и практическая ценность диссертационной работы.

Полученные в диссертации результаты важны для понимания микроскопических механизмов явления фотоиндуцированной ГВГ в центросимметричных средах. Предложенная методика спектроскопических исследований может быть использована при изучении различных фотоиндуцированных микроскопических изменений под воздействием лазерного излучения в волоконных световодах, изготовленных на основе различных матриц стекла с широким спектром легирующих добавок.

Практическая значимость работы состоит в том, что в ней установлена природа ЦО, участвующих в процессе записи решеток ^2) . На основе полученных результатов и их интерпретации предложены практические рекомендации по выбору состава стекла и легирующих примесей, а также способов их обработки, для оптимизации параметров решеток ^ (эффективности преобразования, скорости записи, стоикости по отношению к стиранию).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанна и реализована методика регистрации спектров люминесценции и поглощения, наведенного в процессе записи решеток

в стеклянных волоконных световодах. Для этих целей создана экспериментальная установка, позволяющая получать вышеуказанные спектры без каких-либо механических воздействий (перемещение, сколы) на образцы в процессе сидинга.

2. Экспериментально установлено присутствие в исходных образцах Е'(А1) центров, ионов ТЬ4+, 8т2+ и Ег2+ помимо изначально введенных трехзарядных РЗИ. Сделаны оценки для их концентраций.

3. Экспериметально исследовано влияние рентгеновского облучения на исследуемые образцы. Установлено, что рентгеновское излучение вызывает образование Е'(А1), ОНС1,2 центров и процессы перезарядки ТЬ3+->ТЬ4+ и 8т3+-»8т2+ в алюмосиликатных световодах, чистых и легированных тербием и самарием.

4. Впервые экспериментально обнаружена корреляция между концентрациями ЦО, предполагаемых на роль фотовольтаических, а именно Е'(А1) центров и ионов 8т2+, Ег24" и эффективностью преобразования решеток

5. Исследовано влияние предварительного рентгеновского облучения и насыщения световодов водородом на параметры записываемых решеток

Обнаружено положительное влияние предварительного рентгеновского облучения на процесс записи решеток ¿¿г) в

исследуемых образцах и установлении оптимальные дозы облучения. Экспериментально установлено отрицательное влияние водорода на эффективность преобразования и скорость записи решеток в алюмосиликатном световоде, легированном тербием.

6. В качестве обобщения всех полученных экспериментальных и теоретических результатов представлена модель, описывающая микроскопические изменения, происходящие в процессе записи решеток в алюмосиликатных световодах, чистых и легированных самарием, тербием и эрбием.

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры оптики и спектроскопии физического факультета МГУ, Центр�