ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ КРИСТАЛЛОВОЛОКОН НА ОСНОВЕ НИОБАТА ЛИТИЯ С ЭРБИЕМ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Физико-технический факультет

Кафедра оптоэлектроники

Допустить к защите в ГАК

_____ . _____ . 2015 г.

Заведующий кафедрой

д-р техн. наук, профессор

_______________Н. А. Яковенко

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА

БАКАЛАВРА

ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ КРИСТАЛЛОВОЛОКОН

НА ОСНОВЕ НИОБАТА ЛИТИЯ С ЭРБИЕМ

Работу выполнил_________________________ Соснов Евгений Константинович

Направление 210700.62 Инфокоммуникационные технологии и системы связи

Научный руководитель

канд. физ.-мат. наук, доцент _____________________________ Е. В. Строганова

Нормоконтролер инженер ____________________________ И. А. Прохорова

Краснодар 2015

РЕФЕРАТ

Выпускная квалификационная работа: 42 с., 20 рис., 3 табл., 14 источников.

ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ, ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ, СПЕКТР ИЗЛУЧЕНИЯ, СПЕКТР ПОГЛОЩЕНИЯ, НИОБАТА ЛИТИЯ

Объектом исследования данной дипломной работы являются различные физические параметры кристалловолокон ниобата лития, легированных Yb3+ и Er3+.

Целью работы является получение спектров мощности излучения ап-конверсии ионов эрбия в зеленой спектральной области, рассчитать эффективность релаксационного энергетического канала ап-конверсионных процессов, приходящегося от доли возбуждения ионов эрбия при накачке в 980 нм.

В результате выполнения дипломной работы получены спектры мощности излучения ап-конверсии ионов эрбия в зеленой спектральной области, рассчитана эффективность релаксационного энергетического канала ап-конверсионных процессов при накачке 980 нм и получено значение 16,6%.

Содержание

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	4
1 Сравнительный анализ кристаллических иттербий – эрбиевых сред для полуторамикронных лазеров. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	5
Пороги генерации сенсибилизированной трехуровневой лазерной среды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	7
Анализ порогов генерации некоторых сенсибилизированных иттербий – эрбиевых лазерных сред . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	10
Пути повышения точности датчиков частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	15
2.1 Метод лазерного разогрева (LHPG) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	17
2.2 Использование технологии микровытягивания. . . . . . . . . . . . . . . . .	18
3 Исследуемые образцы градиентно активированных кристаллов ниобата лития и ап-конверсионные процессы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	21
4 Оптические схемы методики проведения экспериментов. . . . . . . . . . . . .	27
5 Экспериментальные данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	32
Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	40
Список использованных источников . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .	41

ВВЕДЕНИЕ

Для определения наиболее перспективных лазерных кристаллов требуется произвести их сравнительный анализ по основным спектроскопическим и генерационным параметрам. Одним из важных параметров, непосредственно связанным с эффективностью лазерной среды, является плотность энергии порога генерации.

В данной дипломной работе рассмотрены способы выращивания монокристаллов CBFB и YCOB, активированных эрбием и иттербием с эрбием. Рассмотрено более подробно два метода.

Основное внимание уделяется ап-конверсионным процессам в кристаллах ниобата лития легированных эрбием и иттербием и Стоксов сдвиг в них.

Разработана методика получения спектров излучения в абсолютных единицах мощности оптического излучения, мВт.

Получены спектры мощности излучения ап-конверсии ионов эрбия в зеленой спектральной области, а также спектр излучения от лазерного диода.

Рассчитана эффективность релаксационного энергетического канала ап-конверсионных процессов, приходящегося от доли возбуждения ионов эрбия при накачке в 980 нм.

1 Сравнительный анализ кристаллических иттербий – эрбиевых сред

для полуторамикронных лазеров

Для повышения мощности непрерывного лазерного 1.5 мкм -излучения необходимо вместо стеклянных применять кристаллические лазерные среды. Эффективность генерации в большинстве лазерных кристаллах с иттербием и эрбием уступает фосфатным стеклам. Причиной тому есть явление обратного переноса энергии. Могут ли быть найдены кристаллы, которые не уступают по эффективности иттербий эрбиевым фосфатным стеклам?

В настоящее время для решения проблемы обратного переноса энергии в кристаллах выполнен ряд исследований по применению ионов релаксаторов Се 3+ в кристаллах Ca2Al2Si07 с иттербием и эрбием [1]. Установлено [1,2], что для подавления обратного переноса энергии требуется высокое содержание церия. Но церия и иттербий находятся в разных концах лантаноидного ряда. Поэтому предложены такие силикатные кристаллы, у которых большая изоморфная емкость - Yb,Er,Ce: CaGd4Si3O13 (CGСS) [2]. Растворимость ионов Се3+ в этих кристаллах достаточная для того, чтобы обеспечить быструю релаксацию возбуждений на лазерный уровень и предотвратить обратный перенос энергии от Er3+ к ионам-донорам.

Кроме того, предложен ряд кристаллических сред на основе боратных кристаллов с развитым фононным спектром [3-4]. В них нет обратного переноса энергии, быстрая многофононная безызлучательная релаксация шунтирует переход 4I11/2 – 4I13/2 Er3+. Недавно появились новые кристаллы на основе безводных боратов - окси–ортобораты кальция–иттрия Ca4YO(BO3)3 (YCOB) с иттербием [5], показывающие высокий кпд генерации, а также фтор-ортобораты кальция–бария YbEr:Ca BaFBO3 (CBFB), в которых ионы иттербия формируют центры люминесценции с превосходными характеристиками [6].

К сожалению ионы эрбия в YCOB характеризуются высоким параметром трехуровневости [6], поэтому эффективность генерации Er,Yb:YCOB невысокая .

Недавно установлено, что ионы эрбия в кристаллах CBFB обладают выдающимися спектроскопическими параметрами, кроме того установлено, что межу ионами иттербия и эрбия имеет место быстрый перенос энергии электронного возбуждения [7]. Поскольку эффективность сенсибилизированной лазерной среды зависит от совокупности свойств центров Yb и Er и эффективности их взаимодействия, то имеющиеся данные позволяют рассматривать кристаллы CBFB как весьма перспективную матрицу для эффективного полуторно микронного кристаллического лазера.

Для того, чтобы определить наиболее перспективные лазерные кристаллы и ответить на вопрос, поставленный в начале статьи, требуется производить их сравнительный анализ по основным спектроскопическим и генерационным параметрам. Одним из важных параметров, непосредственно связанным с эффективностью лазерной среды, является плотность энергии порога генерации. Если известны спектроскопические параметры активных центров в кристаллах, то порог генерации одноактивированной лазерной среды (в идеализированной модели без пассивных потерь) с трехуровневой или квазичетырехуровневой схемой генерации определяется свойствами активных центров и может быть легко получен при помощи простых формул [8]. Результаты, полученные таким способом, часто применяются для определения предельно достижимых параметров трехуровневых лазерных сред, например, иттербиевых сред, и их сравнительного анализа [8]. Известны расчеты параметров генерации сенсибилизированных сред, в частности иттербий – эрбиевых стекол с ламповой накачкой [9], которые, хотя и могут быть применены для диодной накачки, тем не менее, слишком громоздки для простых оценок и сравнительного анализа. Таким образом ощущается потребность в простых аналитических выражениях, аналогичных [8], для вычисления нижнего предела порога генерации сенсибилизированных двухактивированных лазерных сред с полупроводниковой накачкой.

В данной работе сообщается о выращивании монокристаллов CBFB и YCOB, активированных эрбием и иттербием с эрбием, а также монокристаллов Yb,Er,Ce:CGS. На основе простых выражений для предельных порогов генерации идеализированных сенсибилизированных сред с трехуровневой схемой генерации, полученных в приближении балансных уравнений без учета нелинейных и кумулятивных процессов, проводится сравнительный анализ иттербий - эрбиевых сред для 1,5 мкм лазеров с полупроводниковой накачкой.

Пороги генерации сенсибилизированной трехуровневой лазерной

среды

В приближении уравнений скоростного баланса для идеализированной сенсибилизированной лазерной среды без учета кумулятивных и нелинейных эффектов после достижения равновесия вблизи порога генерации можно записать:

Wp (N1-n1) - Wtrn1 - n1/Yb = 0 (1),

Wtrn1- n2/Er = 0 (2),

a(N2-n2) + ' N2 = en2 (3).

В уравнениях (1-3) применены следующие обозначения: N1 и n1 (N2 и n2) – концентрация невозбужденных и возбужденных доноров Yb3+ (акцепторов Er3+), соответственно, a и e – сечение поглощения и эмиссии акцепторов Er3+ на длине волны генерации, соответственно, s’ = T/(2N2L) и имеет смысл сечения выходных потерь, T – пропускание выходного зеркала, L – длина кристалла.

Wtr – эффективная скорость переноса энергии от доноров Yb3+ к активным центрам Er3+:

Wtr = Wm+ 2 (4),

где - микропараметр переноса энергии электронного возбуждения от доноров к акцепторам:

= 4/33/2(Cda)1/2N2(1-) (5) ,

а Wm – скорость миграции возбуждений донорам:

Wm = (2/3)3/2(CddCda)1/2N1N2 (1-) (6).

При помощи величины b=n2/N2, фигурирующей в выражениях (5) и (6), учитывается снижение скорости переноса энергии за счет эффекта выбывания акцепторов (эффективного снижения концентрации акцепторов в возбужденной среде).

Er, Yb - время затухания люминесценции акцепторов Er3+ и доноров Yb3+, соответственно.

Выражение (3) позволяет выразить относительную населенность акцепторов на пороге генерации сенсибилизированной среды , сохранив привычный для одноактивированной среды коэффициент относительных трехуровневых потерь min (потери на реабсорбцию):

n2/N2 = = min + out = a/(a+e) + T/(2N2L(a+e)) (7),

где

out = T/(2N2L(a+e)) (8)

– относительные выходные потери за полный проход резонатора.

Из выражений (2) и (7) следует, что отношение возбуждений на донорах и акцепторах не зависит от и времени жизни доноров:

n1/n2 = 1/(tErWtr) (9).

Выражая n1 через n2 при помощи (9), подставляя n1=f(n2) в (1) и разделив (1) почленно на N2 и получим:

(10),

где = Wtr/(Wtr+1/Yb) (11) - квантовый выход переноса энергии Yb – Er.

В иттербий эрбиевых средах, как правило, выполняется соотношение (N1/N2ErWtr/) 1, поэтому уравнение (10) существенно упрощается:

Wp=N2/(N1Er) (12)

Принимая во внимание, что плотность мощности на пороге генерации

Ip = Wphc/(lpsp) (13) получим:

где -интенсивностъ сенсибелезированной среды.

Эта величина отличается от интенсивности насыщения одноактивированной среды тем, что в знаменателе вместо сечения поглощения активных центров стоит произведение сечения поглощения доноров на квантовый выход переноса энергии от доноров к акцепторам. Это произведение можно назвать приведенным сечением поглощения накачки сенсибилизированной среды sp*=h sр. Выражение (14), несмотря на внешнее сходство с аналогичным выражением для порога генерации одноактивированной среды, отличается от него тем, что величина h , которая стоит в знаменателе, содержит в себе скорость переноса энергии. h зависит от инверсии населенности b и падает при повышении этого параметра. В результате порог генерации сверхлинейно связан с параметром b. По тем же причинам порог генерации сенсибилизированной среды экстремально зависит от параметра N2 (см. рисунок 1).

Анализ порогов генерации некоторых сенсибилизированных

иттербий – эрбиевых лазерных сред

Генерационные параметры лазерных материалов рассчитаны при помощи выражений (7), (11) и (14) и отображены в таблице 1. На рисунке 1 приведен график зависимости пороговой мощности накачки кристаллов от концентрации акцепторов - ионов Er3+. Из анализа графика следует, что кристаллы CGCS по расчетным значениям порогов генерации превосходят кристаллы LSB и YCOB. Следует учесть, что кристаллы CGCS являются сложной трехактивированной системой, в которой ионы релаксаторы влияют не только на ионы Er, но и на ионы Yb, а также на параметры обратного переноса энергии. Приведенные расчеты выполнены для известных на сегодня параметров кристаллов CGСS, подвергнутых исследованиям в работах [2,12,13,14]. Есть все основания полагать, что на кристаллах CGCS оптимизированного состава можно добиться меньших порогов генерации.

Из рисунка 1 следует также, что кристаллы CBFB по порогам генерации не уступают фосфатным стеклам. В рамках используемой упрощенной модели не учитываются потери, связанные с взаимодействием доноров Yb3+ с возбужденными до уровня 4I11/2 акцепторами Er3+, в результате которого система поднимается до уровня 4S3/2 Er3+. Такие потери имеют место в фосфатных стеклах и проявляются в зеленом свечении, которое сопровождает работу непрерывного лазера. Следует, однако, подчеркнуть, что такие потери прямо связаны с населенностью уровня 4I11/2 Er3+, а она, в свою очередь, прямо зависит от его времени жизни. Поскольку в боратах вследствие сильно выраженной многофононной безызлучательной релаксации время жизни уровня 4I11/2 Er3+ много меньше, чем в фосфатных стеклах, то при прочих равных условиях кумуляция энергии в первых выражена слабее, чем во вторых.

Из (14) следует, что порог непрерывной генерации обратно пропорционален времени жизни накопительного уровня 4I13/2 Er3+. Это время жизни в кристаллах с пониженной симметрией кристаллического строения как правило меньше, чем в фосфатных стеклах. В кристаллах боратов квантовый выход люминесценции с этого уровня меньше единицы, поэтому наблюдаются особенно малые значения времени жизни 4I13/2 Er3+. Например, как следует из таблицы, в кристаллах LSB оно составляет всего 680 ms, что почти в 20 раз ниже чем в фосфатном стекле. По остальным параметрам кристаллы LSB не намного превосходят фосфатные стекла, поэтому и характеризуются намного более высокими порогами непрерывной генерации.

Время жизни лазерного уровня в кристаллах CBFB уступает фосфатным стеклам примерно в 10 раз. Вместе с тем, сечению поглощения на длине волны накачки в CBFB (в одной из поляризаций) превосходят фосфатные стекла более чем в 5 раз. Квантовый выход передачи энергии в CBFB высокий и при низких уровнях возбуждения приближается к 100 % [15]. С ростом уровня возбуждения скорость переноса энергии падает, но, поскольку параметр bmin в CBFB низкий (см.табл.), то, как показывает анализ, приведенное сечение поглощения sp*=h sр остается высоким и в этом случае. Параметр трехуровневости (минимальные трехуровневые потери) bmin в CBFB рекордно низкий среди всех известных кристаллических матриц и составляет 0,2, что более чем в 2,5 раза ниже чем в фосфатных стеклах. В результате совокупного действия указанных факторов пороги генерации кристаллов CBFB с иттербием и эрбием не превосходят порогов генерации фосфатных стекол.

В приближении уравнений скоростного баланса без учета кумулятивных и нелинейных эффектов получено выражение для порога генерации идеализированной сенсибилизированной лазерной среды; введен параметр приведенное сечение накачки, который учитывает эффективность переноса энергии от доноров к акцепторам.

При помощи вычислений в рамках единой методики показано, что по порогам генерации в непрерывном режиме кристаллы Yb,Er,Ce:CGS и CBFB:YbEr приближаются к фосфатным стеклам. Низкое время жизни накопительного уровня компенсируется в этих кристаллах мультиплицированием таких факторов как 1) высокое сечение поглощения энергии накачки 2) низкие трехуровневые потери (низкая инверсия населенности) и 3) высокая эффективность переноса энергии.

Таблица 1 - Спектрально-люминесцентные и лазерные параметры сред для 1,5-мкм лазеров

Параметры	F. Glass	Yb,Er:YCOB	Yb,Er:LSB	Yb,Er,:CGCS	Yb,Er:CBFB
lp, (mm)	0.97	0.90	0.97	0.93	0.92
sp, (10-21cm2)	2.00	4.00	4.00	5.4	11.0
lem, (mm)	1.53	1.54	1.56	1.56	1.59
sa (10-21cm2)	5.2	3.6	4.4	4.0	1.2
se (10-21cm2)	5.0	4.0	5.2	6.5	5.0
bmin	0.51	0.47	0.46	0.38	0.2
tEr 4I11/2 (ms)	1	<0.1	<0.1	0.42	<0.1
tEr 4I13/2(ms)	9.0	1.27	0.68	0.9*	0.98
tYb (ms)	1.15	2.4	2.4	0.420	1.35
N1 (NYb), (1020cm-3)	15	9.4	6.7	7.2	8.0
Cda, (cm6c-1)	2.9.10-40	7.8.10-39	4.16.10-39	7.7.10-38	3.3.10-37
Cdd, (cm6c-1)	2.2.10-39	5.1.10-40	3.5.10-38	1.15.10-39	1.5.10-41*
Isat, (k W/cm2)	11.5	43.9	76	30.8	20.3
bmin . Isat, (k W/cm2)	5.89	20.8	34.9	16.9	4.1
Ip, (k W/cm2) (T=0.03, L=0.2cm)	0.78	2.5	3.1	2.2	0.62
N2 optimal, (1019cm-3)	7	5	2.5	4.5	4

Рисунок 1 – Соотношение между пороговыми значениями интенсивности

накачки оптических сред и концентрацией акцепторных ионов Er

2 Способы получения образцов кристалловолокон на основе ниобата

лития

Монокристаллы в форме волокна (кристалловолокна) стали объектом повышенного интереса благодаря их уникальным свойствам. За счет большого отношения длины к диаметру, наряду с практически идеальной кристаллической структурой и химической однородностью, их механические и физические свойства приближаются к теоретическим значениям, не достижимым для обычных объемных кристаллов. Кристалловолокна за счет вытянутой формы являются идеальными средами для изготовления волноводов (в том числе волноводов ИК-диапазона), перестраиваемых узкополосных фильтров и элементов нелинейной оптики. Они представляют также интерес для применения в микролазерах и лазерных модуляторах, работающих при комнатной температуре, особенно для генерации второй и высших гармоник в зеленой, синей и фиолетовой областях спектра.

Монокристалл ниобата лития () обладает высокими электро- и нелинейнооптическими коэффициентами, что обуславливает его широкое применение в оптоэлектронике для изготовления преобразователей частоты лазерного излучения, параметрических генераторов света, оптических сенсоров, амплитудно-фазовых и фазовых модуляторов световых пучков, дефлекторов и т.д.

В последние годы монокристаллические волокна (кристалловолокна) стали объектом пристального внимания и интенсивного изучения. Это связано с уникальными свойствами волокон. Обычно под волокнами подразумеваются любые материалы вытянутой формы и малого диаметра, порядка 10"6-10~3м. Таким образом, термин волокно описывает все типы материалов, отвечающих этим требованиям, например нить, проволоку, волос. Кристаллические структуры в форме волокон (кристалловолокна) могут быть выращены из расплавов, растворов и паров.

В результате интенсивных исследований профилированных монокристаллов германия и других материалов (исследования были закончены к началу семидесятых годов прошлого века Степановым, Голем и Пастором), было установлено, что одной из необычных характеристик кристалловолокон является их предельно высокая прочность. Так, например, прочность сапфировых волокон, по данным работ Ла Бель и Млавского превышает 1 ГПа. Это особое свойство кристалловолокон обусловлено совершенством их структуры вследствие их малых размеров, что сводит к минимуму количество дефектов, являющихся причиной низкой прочности материалов крупных размеров. Высокая прочность кристалловолокон делает их перспективными материалами для применения в качестве армирующих элементов.

Широкая полоса пропускания (оптическая прозрачность), высокая температура плавления и химическая стойкость многих кристаллических материалов делают их привлекательными для использования в устройствах передачи энергии, особенно в условиях агрессивных сред. Кристалловолокна прекрасно подходят для обеспечения нелинейных оптических взаимодействий, эффективной оптической генерации, для создания оптических квантовых генераторов второй и высших гармоник, для смешения частот, для электрооптической модуляции. Кристалловолокна, в частности , могут использоваться для изготовления фоторефрактивных голографических запоминающих устройств.

Итак, основные способы получения кристалловолокон:

- Выращивание из раствора в расплаве (спонтанная кристаллизация)

- Метод Вернейля

- Метод Бриджмена-Стокбаргера

- Метод Чохральского

- Метод зонной плавки

- Гидротермальное выращивание

- Метод твердофазной рекристаллизации

Для производства волокон диаметром не более 10 мкм применяются главным образом два метода:

- метод LHPG;

- метод .

Поговорим о достоинствах и недостатках представленных методов.

2.1 Метод лазерного разогрева (LHPG)

Нагрев и плавление исходного материала в ней выполняется с помощью инфракрасного (10,06 мкм) -лазера, работающего в стационарном режиме для стабилизации направления и мощности лазерного пучка. Во избежание появления холодных участков в зоне плавления в своих экспериментах Феджер использовал оптическую систему, обеспечивающую фокусировку лазерного луча равномерно по всей окружности заготовки. Мощность нагрева регулировалась компьютером. Процесс выращивания кристалловолокна выполнялся в специальной герметичной камере. Эта камера не позволяла случайным воздушным потокам вызывать изменение диаметра выращиваемого волокна, но допускала использовать химически активную или инертную атмосферу или поддерживать вакуум в процессе синтеза.

Метод LHPG по этому показателю близок к идеальному методу выращивания монокристаллов, Он позволяет легко получать монокристаллы за гораздо меньший промежуток времени, чем стандартные методы, и по более низкой цене. Кроме того, технология LHPG относится к бестигельным технологиям, что положительно сказывается на химической чистоте выращиваемых кристалловолокон (отсутствуют неконтролируемые примеси и загрязнения от тигля).

Рисунок 2 – Схематическая иллюстрация метода лазерного разогрева

2.2 Использование технологии микровытягивания

Метод выращивания кристалловолокон (метод микровытягивания) был разработан в лаборатории профессора Фукуды в Университете Тохоку в Сендае, Япония. Рост волокна происходит при вытягивании расплава из тигля (как правило, платинового или иридиевого) через микроскопическое отверстие в днище. Плавление исходного материала выполняют с помощью резистивного (пропусканием электрического тока через тигель) или высокочастотного индукционного нагрева. Дополнительный нагреватель из платиновой проволоки или из иридиевой трубки уменьшает перепад температуры на выходе из тигля и используется для уменьшения скорости охлаждения выращенного волокна и снятия термических напряжений в нем. В установке имеется возможность двухкоординатного (X-Y) перемещения тигля.

Рисунок 3 – Схематическая иллюстрация метода микровытягивания с резистивным нагревом (а); подготовка затравки (б)

Сравнительные технические характеристики методов получения кристалловолокон приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Сравнение методови LHPD

3 Исследуемые образцы градиентно активированных кристаллов ниобата лития и ап-конверсионные процессы

В градиентном ниобате лития () с увеличением концентрации эрбия (Er3+) и увеличении мощности накачки наблюдается появление зелёного свечения или люминесценции - нетеплового свечения вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Данное свечение становится возможным благодаря явлению ап-конверсия (up-conversion). Ап-конверсия или преобразования частоты вверх - явление возбуждения энергетических уровней редкоземельных ионов (РЗИ) в результате суммирования квантов света существенно меньшей энергии.

Внутри атома вещества электроны могут занимать состояния с разной энергией. Причем для того, чтобы вещество могло люминесцировать, эти состояния должны иметь дискретный характер. То есть, есть некоторые уровни, соответствующие определенному значению энергии, на которых могут находиться электроны. Эти уровни разделены зонами запрещенных энергий, где электрон находиться не может. То состояние, на котором изначально находится электрон, называется основным. Если электрон поглотил внешнее излучение, то к его энергии добавляется энергия поглощенного излучения, и он переходит в так называемое возбужденное состояние. Из возбужденного состояния электрон через некоторое время должен вернуться в основное, для этого ему надо понизить свою энергию и он как бы возвращает поглощенное назад.

Однако часть энергии, поглощенной электроном, теряется из-за безызлучательных процессов, например за счет выделения тепла. В результате излучается меньше энергии, чем поглотилось, и излучение люминесценции всегда имеет большую длину волны, чем поглощенное излучение. Это так называемый Стоксов сдвиг, см. рис. 4. То есть длина волны люминесценции всегда больше, чем длина волны возбуждающего излучения, или, другими словами, энергия люминесценции всегда меньше поглощенной. По такому механизму работают все традиционные люминофоры.

Рисунок 4 - Схематическое изображение Стоксова сдвига.

Последнее время все больше внимания уделяют явлению ап-конверсии. Ап-конверсия была впервые открыта Озелем, Овсянкиным и Феофиловым в 1960 году. Ап-конверсионные материалы могут поглощать несколько фотонов в инфракрасной части спектра с последующей люминесценцией в видимой области (что мы и наблюдаем при зелёном свечении).

Процессы преобразования длинноволнового излучения в коротковолновое являются сложными многофотонными процессами, когда происходит поглощение 2-х, 3-х и более фотонов с низкой энергией и последующая эмиссия высокоэнергетичных фотонов. Это позволяет существенно расширить диапазон эффективно используемого спектра.

Однако, в связи со сложностью процесса, систем, в которых может происходить ап-конверсия, ограниченное количество.

Обычно для получения ап-конверсионных материалов, оптически инертную матрицу легируют редкоземельными ионами. Редкоземельные ионы имеют подходящую структуру электронных уровней для осуществления многофотонных преобразований. В качестве матриц чаще всего используют фториды, оксиды, галиды и другие материалы, обладающие низкой энергией фононов. Низкая энергия фононов (то есть тепловых колебаний атомов кристаллической решетки матрицы) позволяет минимизировать безызлучательные процессы, за счет которых теряется энергия.

Для того чтобы описать процесс ап-конверсии, необходимо ввести такие понятия, как ион-донор и ион-акцептор. Ион-донор, это ион хорошо поглощающий возбуждающее излучение. При облучении, ион-донор поглощает энергию и передает ее иону-акцептору. Сам ион-акцептор плохо поглощает возбуждающее излучение, но имеет много электронных состояний, в которых электроны могут находиться длительное время. Таким образом, когда ион-донор передает следующую «порцию» энергии, электрон иона акцептора уже находится в возбужденном состоянии и может подняться еще выше. Когда же электроны иона-акцептора будут возвращаться в основное состояние, энергия испускаемого излучения будет равна сумме всех последовательно поглощенных энергий. Следовательно, длина волны излучения будет меньше, чем длина волны поглощения.

Хорошо рассмотреть этот процесс более подробно можно на примере пары редкоземельных ионов Yb3+-Er3+, см. рис. 5.

Ион иттербия обладает высоким эффективным сечением поглощения в ИК области, см2, поэтому является перспективным для использования в качестве донора. Ион эрбия обеспечивает высокое время жизни метастабильных состояний, на которые происходит передача энергии, =7,5мс (для состояния 4I11/2) и =5,3мс (для состояния 4I13/2).

Рисунок 5 – Схема энергетических уровней эрбия (Er3+) и процесс ап-конверсии.

При облучении ИК-излучением ион Yb3+ (донор) поглощает фотон, в результате чего происходит переход в возбужденное состояние 2F5/2. Затем он релаксирует в основное состояние 2F7/2, при этом безызлучательно передавая энергию ближайшему иону акцептора, который переходит в состояние 4I11/2. Помимо передачи энергии, ион акцептора Er3+ может поглотить квант возбуждающего излучения напрямую и также перейти в состояние 4I11/2, но вероятность такого процесса существенно ниже. Далее возможны 2 варианта развития. Если следующий акт передачи энергии или поглощение ионом акцептора из возбужденного состояния произойдет за время, меньшее чем время жизни состояния 4I11/2 Er3+, то акцептор перейдет в состояние 4F7/2, откуда безызлучательно релаксирует на состояние 4S3/2, и, затем, перейдет в основное состояние, испустив при этом люминесценцию в зеленой части спектра. Если же время жизни метастабильного уровня 4I11/2 окажется меньше времени, через которое произойдет вторая передача энергии, то ион Er3+ успеет релаксировать в более долгоживущее состояние 4I13/2. Тогда последующая передача энергии от донора переведет акцептор в состояние 2F9/2, откуда он релаксирует в основное состояние с излучением люминесценции в красной части спектра.

Таким образом, из при накачки в ближнюю инфракрасную область излучения можно получить излучение видимого диапазона в зеленой и красной спектральной области видимой части спектра. Преобразование происходит за счет сложения двух длинноволновых фотонов с низкой энергией в один, обладающий более высокой энергией.

Такие механизмы преобразования излучения из ближнего ИК в видимую часть спектра используют в фотонноструктурированных фосфатных волноводах, где оптические центры Er3+ внедряются в наноструктурированные кластеры ErF3. Эффективность преобразования излучения напрямую зависит от размеров нанокластеров (технологии изготовления оптического волокна и подбору температурного режима отжига активированных волокон).

Целью данной работы является изучение процессов ап-конверсии оптических центров Er3+ в градиентно активированных кристаллах LiNbO3:Yb,Er.

Задача исследований данной дипломной работы заключается в измерении абсолютной мощности зелёной люминесценции.

На рисунке 6 представлено фото исследуемого образца. На рисунке 7 представлены профили концентраций оптических центров иттербия и эрбия вдоль оси роста кристалла.

4 Оптические схемы методики проведения экспериментов

В работе проводились исследования спектров излучения кристаллов ниобата лития с примесными центрами иттербия и эрбия. Основной акцент был поставлен на возможные релаксационные излучательные каналы ионов эрбия.

Для изучения спектров излучения использовалась оптическая схема, приведенная на рисунке 8.

В проводимых исследованиях в качестве источника накачки использовался полупроводниковый лазерный диод АТС SEMICONDUCTOR DEVICES LDD-10 с длиной волны генерации на 980 нм в непрерывном режиме работы, см. рис 9.

На рисунке 10 приведена фотография постановки эксперимента по получению спектров излучения. Исследуемый образец помещен на столик с микрометрическим винтом, таким образом, что кристалл перемещается вверх и вниз относительно входной щели. Измерения проводились спектров в видимом диапазоне с шагом 1 мм.

Управление измерениями, сбор данных и их обработка производилась на ЭВМ, объединенной при помощи устройства сопряжения со спектрально-измерительными комплексами на основе монохроматора МДР-204. Полная схема установки для исследований представлена ниже, см. рис. 11.

Монохроматор МДР-204 предназначен для использования в качестве источника монохроматического излучения в спектральном диапазоне от 190 до 5000 нм. Может оснащаться дополнительными устройствами, расширяющими возможности в решении научно-исследовательских задач. В том числе: источниками света, фотоприемниками, турелью автоматического переключения фильтров, согласованным зеркальным конденсором и т.п.

Встроенный в монохроматор микропроцессорный контроллер обеспечивает автоматическую установку любой заданной длины волны в рабочем спектральном диапазоне. Управление сканированием производится от кнопок пульта управления, значение текущей длины волны высвечивается на встроенном дисплее.

Рисунок 11 – Фотография внешнего вида монохроматора МДР-204 с ПЗС камерой в качестве приемника оптического излучения

Встроенный микропроцессорный контроллер обеспечивает управление двумя дополнительными шаговыми двигателями, а также прием и обработку сигналов от двух внешних приемников излучения. Подключение внешних устройств производится через разъемы, расположенные на корпусе монохроматора.

Устройство монохроматора предусматривает возможность непосредственного подключения к монохроматору внешней ЭВМ через последовательный порт RS-232 для управления и регистрации спектров.

Для работы с внешней ЭВМ используется программное обеспечение, работащее в среде MSWindows 9X/NT/ХР.

Основные технические характеристики МДР-204 представлены в таблице 3:

Таблица 3 – Основные технические характеристики МДР-204.

* параметр приведен для дифракционной решетки 1200 штр/мм

5 Экспериментальные данные

На рисунке 12 приведены спектры излучения эрбия в видимом диапазоне зеленой и красной спектральной области. Спектры приведены в энергетических единицах [см-1] для удобства разложения спектров на элементарные спектральные компоненты.

Из рисунка видно, что процесс ап-конверсии в зеленой области спектра намного интенсивнее процесса излучения в красном диапазоне. Необходимо учесть, что спектры были получены при одинаковых условиях – оптическая схема, расположение кристалла и ширина входной щели, а также мощность накачки оптического излучения были неизменными.

На рисунке 13 приведены спектры излучения ап-конверсии в зеленой области спектра, измеренные вдоль оси роста кристалла в произвольных координатах.

Из рисунке видно, что с увеличением координаты вдоль оси роста кристалла интенсивность излучения ап-конверсии возрастает.

Было обнаружено в процессе проведения экспериментов, что интенсивность зеленого излучения с поверхности кристалла возрастает и с ростом мощности накачки оптического излучения.

На рисунке 14 представлено разложение спектра излучения на элементарные спектральные полосы.

Для решения задачи по определению эффективности ап-конверсионного излучения необходимо было получить спектр в абсолютных значениях мощности оптического излучения, мВт.

Для этой цели при помощи измерителя мощности THOR LABS S370C, с чувствительностью 3,87 мВ/Ватт измерили интенсивность зеленого излучения ап-конверсии ионов эрбия на длине волны максимума спектра люминесценции 540 нм. На рисунке 15 представлена фотография принципиальной схемы эксперимента.

Для определения значения абсолютной мощности зелёного излучения, вместо ПЗС-камеры ставим измеритель мощности THOR LABS S370C, с чувствительностью 3,87 мВ/Ватт. Измерения производились на максимуме излучения зелёного свечения.

На рисунке 16 приведен результат в виде статистики измерения мощности оптического излучения на длине волны 540 нм.

Рисунок 16 – Статистическое распределение измерения излучения ап-конверсии на длине волны 540 нм

На рисунке 17 приведено распределение функции Гаусса измерения мощности.

Рисунок 17 – Аппроксимация статистического распределения мощности функцией Гаусса

Для определения мощности оптического излучения ап-конверсии Er в зеленой области проделаем следующие преобразования. На рисунке 18 приведен спектр излучения лазерного диода накачки, полученного в процессе отражения от поверхности исследуемого кристалла ПЗС камерой при той же оптической схеме проведения экспериментов.

Зная мощность излучения на максимуме люминесценции ап-конверсии в области 540 нм, можно пересчитать спектр излучения из относительных единиц в абсолютные значения мощности мВт (рисунок 19).

Зная, что для ПЗС камеры 700 относительных единиц интенсивности излучения соответствуют 1,6 мВт оптической мощности, можно легко расчитать мощность, которая попадает на приемник оптического излучения от лазерного диода. Мощность диода приведена на спектре рисунка 20.

Рассчитаем квантовый выход зелёной свечения, для этого максимум излучения зеленой люминесценции нужно разделить на интенсивность по максимуму лазерного диода:

Q=Pgreen/P pump = 16,6239097%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения работы были проанализированы возможные релаксационные каналы ионов эрбия при сенсибилизации кристаллов LiNbO3 оптическими центрами Yb+3.

Получены спектры излучения процессов ап-конверсии Er в зеленой и красной спектральных областях. Определено, что интенсивность излучения зеленой области растет с ростом концентрации оптических центров Er вдоль оси роста кристалла по определенному концентрационному профилю.

Рассчитана эффективность релаксационного энергетического канала ап-конверсионных процессов, приходящегося от доли возбуждения ионов эрбия при накачке в 980 нм, которая составила 16,6%.

Список использованных источников

1. B. Simondi-Teisseire, B. Viana, D. Vivien, A.M. Lejus. Optical Materials 6 (1996) 267-274; B. Simondi-Teisseire, B. Viana, D. Vivien, A.M. Lejus. Phys.stat. sol. (a) 155 (1996) 249; B. Simondi-Teisseire, B.Viana, A.-M. Lejus, J.-M. Benitez, D.Vivien, C.Borel, R.Templier, C. Wyon. IEEE, 32 (1996) 2004

V. A. Lebedev et al., J. Luminescence, 72-74 (1997) 942.
V. A. Lebedev et al., Optics and Photonic Series, S.A.Pain and C.R.Pollock eds., Vol.1 (1996) p.460.

4. V.A. Lebedev, V.F. Pisarenko, N.V. Selina, A.A. Perfilin, M.G. Brik. Optical Materials, 14 (2000) 121-126.

5. H. Zhang, X. Meng, P. Wang, et al., Appl. Phys. B . 68 (1999), 1147- 1149.

6. Pu Wang, J.M Dawes, Phillip Burns, J.A. Piper, H. Zhang, Li Zhu,Xianlin Meng. Pro-ceedings of “2000 International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter” (ICL’2000)

7. V.A. Lebedev, V.F. Pisarenko, B.V. Ignatiev, V.A. Isaev, I.V. Voroshilov, A.N. Gavrilenko, A.V. Saakian. Proceedings of “1999 International Conference on Luminescence and Optical Spectroscopy of Condensed Matter” (ICL’99 August 17-23, Osaka, Japan), p.№D019

8. K.I. Schaffers, L.D. DeLoach, S.A. Payne, IEEE J.Quantum Electron. 32 (1996) 741.

9. Фосфатные стекла. Под ред. C. Жаботинского. Москва, Наука 1978.

10. D. A. Keszler et al., Department of chemistry, Oregon State

University, Proceedings from the 1994 MRS Conference, Boston, MA

11. V.A. Lebedev, B.V. Ignatiev, I.V. Voroshilov, A.N. Gavrilenko. Optical Materials, 14 (2000) 171-173.

12.Лебедев В.А., Ворошилов И.В., Исаев В.А., Гавриленко А.Н., Аванесов А.Г., Игнатьев Б.В., Труды шестой международной научно-технической конференции “Actual Problems of Solid State Electronics and Microelectronics” (Divnomorskoye, Russia, September, 6-11, 1999), Taganrog 1999, p.3.

13.Lebedev V.A., Voroshilov I.V., Ignatiev B.V., Gavrilenko A.N., Isaev V.A., Pisarenko V. F. Third International Conference “Single Crystal Growth, Strength Problems, and Heat-Massw Transfer(ICSC-99). Obninsk, Russia, September 21-24, 1999, pp.88-89

14.V.A. Lebedev, V.F. Pisarenko, Yu.M. Chuev, A.A. Perfilin, A.G.Avanesov, V.V. Zhorin, A.G. Okhrimchuk, A.V. Shestakov. J.Luminescence, 72-74,(1997), 942-944.

Рисунок 6 – Фотография исследуемого образца LiNbO3:Yb,Er

Рисунок 7 – Распределение концентрации оптической примеси Yb3+ и Er3+ вдоль оси роста кристалла

Рисунок 8 – Оптическая схема проведения экспериментов по измерению спектров люминесценции в видимом спектральном диапазоне

Рисунок 9 – Фото лазерного полупроводникового диода АТС SEMICONDUCTOR DEVICES LDD-10

Рисунок 10 – Фото постановки эксперимента по получению спектров излучения градиентно активированного кристалла

Рисунок 12 – Спектры излучения зеленой и красной люминесценции ионов эрбия в кристалле LiNbO3:Yb,Er

Рисунок 13 – Спектры излучения ап-конверсии эрбия, измеренные в произвольных координатах кристалла LiNbO3:Er,Yb

Рисунок 14 – Разложение спектра излучения ап-конверсии Er на спектральные компоненты

Рисунок 15 – Принципиальная схема измерений мощности оптического излучения

Рисунок 18 – Спектр излучения лазерного диода

Рисунок 19 – Спектр излучения ап-конверсии Er в кристаллах LiNbO3: Yb, Er в зеленой области спектра

Рисунок 20 – Мощность изучения от лазерного диода, попадающего через МДР и решетку на приемное устройство

ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ КРИСТАЛЛОВОЛОКОН НА ОСНОВЕ НИОБАТА ЛИТИЯ С ЭРБИЕМ

ГЕНЕРАЦИОННЫЕ ПАРАМЕТРЫ КРИСТАЛЛОВОЛОКОН НА ОСНОВЕ НИОБАТА ЛИТИЯ С ЭРБИЕМ

Параметры