СПЕКТРАЛЬНО-ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ФОТОТЕРМОРЕФРАКТИВНЫХ НАНОСТЕКЛОКЕРАМИК, АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ ИТТЕРБИЯ И ЭРБИЯ
ÓÄÊ 535.37
ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÎ-ËÞÌÈÍÅÑÖÅÍÒÍÛÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÔÎÒÎÒÅÐÌÎÐÅÔÐÀÊÒÈÂÍÛÕ ÍÀÍÎÑÒÅÊËÎÊÅÐÀÌÈÊ, ÀÊÒÈÂÈÐÎÂÀÍÍÛÕ ÈÎÍÀÌÈ ÈÒÒÅÐÁÈß È ÝÐÁÈß
© 2008 ã. Â. À. Àñååâ; Í. Â. Íèêîíîðîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê ÍÈÈ íàíîôîòîíèêè è îïòîèíôîðìàòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã E-mail: Aseev@oi.ifmo.ru
Âïåðâûå ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ è ëàçåðíûõ ñâîéñòâ âûñîêîêîíöåíòðèðîâàííûõ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ íàíîñòåêëîêåðàìèê, àêòèâèðîâàííûõ èîíàìè èòòåðáèÿ è ýðáèÿ, äëÿ èíòåãðàëüíî-îïòè÷åñêèõ óñèëèòåëåé è ìèíè-ëàçåðîâ. Óñòàíîâëåíû ïðåäåëüíûå êîíöåíòðàöèè ýðáèÿ, ïðè êîòîðûõ íàáëþäàåòñÿ óñèëåíèå, è èññëåäîâàíî âëèÿíèå ìîùíîñòè íàêà÷êè íà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ.
Êîäû OCIS: 140.3070, 140.3380, 140.3500.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.06.2008.
Ââåäåíèå
Íà ñîâðåìåííîì ýòàïå ðàçâèòèÿ îïòè÷åñêîé ñâÿçè è ôîòîíèêè òðåáóþòñÿ íîâûå, ÷àùå âñåãî ìèíèàòþðíûå, îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû, êîòîðûå íå ìîãóò áûòü â ïîëíîé ìåðå ðåàëèçîâàíû íà îñíîâå òðàäèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ è òåõíîëîãèé. Ïîýòîìó âî âñåì ìèðå áîëüøîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ ðàçðàáîòêå îïòè÷åñêèõ ïîëèôóíêöèîíàëüíûõ ìàòåðèàëîâ. Îïòè÷åñêèå ïîëèôóíêöèîíàëüíûå ìàòåðèàëû – ýòî íîâûå îïòè÷åñêèå ñðåäû äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷, ñâÿçàííûõ ñ ìèíèàòþðèçàöèåé è èíòåãðàöèåé îïòè÷åñêîé ýëåìåíòíîé áàçû ñîâðåìåííîé ôîòîíèêè. Îïòè÷åñêèå ïîëèôóíêöèîíàëüíûå ìàòåðèàëû îáúåäèíÿþò â ñåáå õàðàêòåðèñòèêè íåñêîëüêèõ îïòè÷åñêèõ ñðåä è ïðîâîäÿò ðàçíûå ôóíêöèîíàëüíûå îïåðàöèè ñî ñâåòîì (ãåíåðàöèþ, óñèëåíèå, óäâîåíèå ÷àñòîòû, ìîäóëÿöèþ, îòêëîíåíèå ñâåòîâûõ ïîòîêîâ, ïåðåäà÷ó, çàïèñü, îáðàáîòêó è õðàíåíèå èíôîðìàöèîííûõ ïîòîêîâ è ò. ä.). Òàê, íàïðèìåð, â [1–3] ðàçðàáîòàí íîâûé ïîëèôóíêöèîíàëüíûé ìàòåðèàë – ëàçåðíàÿ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíàÿ íàíîñòåêëîêåðàìèêà. Íîâàÿ ïîëèôóíêöèîíàëüíàÿ íàíîñòåêëîêåðàìèêà îáúåäèíÿåò â ñåáå ñâîéñòâà òðåõ ìàòåðèàëîâ: ëàçåðíîãî, ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî è èîíîîáìåííîãî.
Ïîëèôóíêöèîíàëüíàÿ íàíîñòåêëîêåðàìèêà ñîçäàíà íà áàçå ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíîãî (ÔÒÐ) ìàòåðèàëà. ÔÒÐ ñòåêëî – ýòî ìíîãîêîìïîíåíòíîå íàòðèåâî-àëþìîöèíêîâî-ñèëèêàòíîå ñòåêëî, â ñîñòàâ êîòîðîãî âõîäÿò ôîòî÷óâñòâèòåëüíûå ñåíñèáèëèçàòîðû öåðèé è ñåðåáðî, à òàêæå ýëåìåíòû, ó÷àñòâóþùèå â ïðîöåññå êðèñòàëëèçàöèè, – ôòîð è áðîì. Ïðîöåññ ôîòîòåðìîèíäóöèðîâàííîé êðèñòàëëèçàöèè â ÔÒÐ ñòåêëå çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì. Ïîä äåéñòâèåì ÓÔ èçëó÷åíèÿ He–Cd-ëàçåðà (λ = = 325 íì), ñîâïàäàþùåãî ñ øèðîêîé ïîëîñîé ïîãëî-
ùåíèÿ Ñå3+ (305–330 íì), â ñòåêëå ïðîèñõîäèò ôîòîèîíèçàöèÿ Ñå3+ ñ îáðàçîâàíèåì ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ïî ðåàêöèè
hν + Ce3+ = Ce4+ + e–.
Îñâîáîäèâøèéñÿ ýëåêòðîí çàõâàòûâàåòñÿ íà ëîâóøêàõ ñåðåáðà Ag+ ñ îáðàçîâàíèåì àòîìàðíîãî ñåðåáðà
Ag+ + e– → Ag0.
Íàãðåâ ñòåêëà äî 400 °Ñ ïðèâîäèò ê àãðåãàöèè àòîìàðíîãî ñåðåáðà è îáðàçîâàíèþ êîëëîèäíûõ ÷àñòèö ñåðåáðà Ag0n.  ñâîþ î÷åðåäü, êîëëîèäíûå ÷àñòèöû ñåðåáðà âûïîëíÿþò ðîëü öåíòðîâ êðèñòàëëèçàöèè. Ïðè òåìïåðàòóðàõ, áëèçêèõ ê òåìïåðàòóðå ñòåêëîâàíèÿ (Tg = 490 °Ñ) è âûøå, íà ýòèõ çàðîäûøàõ ïðîèñõîäèò ðîñò íàíîêðèñòàëëîâ ñëîæíîãî ñîñòàâà AgBr–NaF. Äîçà ÓÔ îáëó÷åíèÿ îïðåäåëÿåò êîíöåíòðàöèþ êîëëîèäíûõ ÷àñòèö ñåðåáðà è, ñîîòâåòñòâåííî, êîíöåíòðàöèþ íàíîêðèñòàëëîâ, à òåìïåðàòóðà è âðåìÿ òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè (òåðìîïðîÿâëåíèå) îïðåäåëÿþò ðàçìåð íàíîêðèñòàëëîâ è îáúåìíóþ äîëþ êðèñòàëëè÷åñêîé ôàçû. Ðàçìåð êðèñòàëëîâ ñîñòàâëÿåò 20–40 íì. Ýòî ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ñíèçèòü óðîâåíü ñâåòîðàññåÿíèÿ â ãåòåðîôàçíûõ ñòåêëîêåðàìèêàõ, â êîòîðûõ êîýôôèöèåíò îñëàáëåíèÿ ñîñòàâëÿåò ìåíåå 0,01 ñì–1 [3]. Ïðîçðà÷íûå â øèðîêîé îáëàñòè ñïåêòðà (350–3500 íì) ñòåêëîêåðàìèêè çà ñ÷åò íàíîðàçìåðíîé êðèñòàëëè÷åñêîé ôàçû ïîëó÷èëè íàçâàíèå “íàíîñòåêëîêåðàìèê” [1, 2]. Ðàçíîñòü ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ ñòåêëîôàçû è êðèñòàëëè÷åñêîé ôàçû äîñòèãàåò Δn = 5×10–4 è ïîçâîëÿåò çàïèñûâàòü âûñîêîýôôåêòèâíûå îáúåìíûå ôàçîâûå ãîëîãðàììû [3]. Ìàòðèöà ÔÒÐ ñòåêëà äîïóñêàåò ëåãèðîâàíèå ìàòåðèàëà ðåäêîçåìåëüíûìè èîíàìè (íàïðèìåð, ýðáèåì, èòòåðáèåì è ò. ä.), è, òàêèì îáðàçîì, ìàòåðèàë ìîæåò îáëàäàòü ñâîé-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
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ñòâàìè ëàçåðíîé ñðåäû. Òàê, íàïðèìåð, íà îñíîâå ëàçåðíîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíîé ðåàëèçàöèÿ ïëàíàðíîãî âîëíîâîäíîãî îïòè÷åñêîãî óñèëèòåëÿ èëè ìèêðîëàçåðà íà λ = = 1,55 ìêì â âèäå ìîíîëèòíîé èíòåãðàöèè. Òî åñòü íà åäèíîì ìàòåðèàëå-ïîäëîæêå ìîæåò áûòü ñîçäàí ðÿä îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð, âîëíîâîäíûé ìóëüòèïëåêñîð äëÿ ñìåøåíèÿ ñèãíàëüíîãî êàíàëà íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì è êàíàëà íàêà÷êè íà λ = 0,98 ìêì, âîëíîâîäíûé ëàçåð èëè îïòè÷åñêèé óñèëèòåëü, áðýããîâñêèå çåðêàëà, âíóòðèðåçîíàòîðíûå ôèëüòðû, ñïåêòðàëüíûå ñåëåêòîðû è ò. ä.
 íàñòîÿùåé ðàáîòå ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ ñâîéñòâ ëàçåðíûõ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ íàíîñòåêëîêåðàìèê, àêòèâèðîâàííûõ èîíàìè ýðáèÿ è èòòåðáèÿ.
Îáúåêò èññëåäîâàíèÿ è ýêñïåðèìåíò
 ðàáîòå áûëè ñèíòåçèðîâàíû èñõîäíûå ÔÒÐ ñòåêëà ñèñòåìû Na2O–ZnO–Al2O3–SiO2. Ñòåêëà ñîäåðæàëè ôîòî÷óâñòâèòåëüíûå äîáàâêè ñåðåáðà è öåðèÿ, à òàêæå äîáàâêè ôòîðà è áðîìà, îïðåäåëÿþùèå êðèñòàëëèçàöèîííóþ ñïîñîáíîñòü ñòåêëà. Êðîìå òîãî, â èñõîäíûå ÔÒÐ ñòåêëà áûëè ââåäåíû îêñèäû ðåäêèõ çåìåëü ýðáèÿ è èòòåðáèÿ. Êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ èòòåðáèÿ áûëà ïîñòîÿííîé è ñîñòàâëÿëà 17,8×1020 ñì–3. Êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ ýðáèÿ èçìåíÿëàñü â ïðåäåëàõ îò 0 äî 2,26×1020 ñì–3.
Äëÿ ïîäãîòîâêè íàíîñòåêëîêåðàìèê àêòèâèðîâàííûå ÔÒÐ ñòåêëà ïîäâåðãàëèñü ÓÔ îáëó÷åíèþ He–Cd-ëàçåðà (λ = 325 íì) è ïîñëåäóþùåé òåðìîîáðàáîòêå ïðè Ò = 520 °Ñ â òå÷åíèå 2 ÷.  ðåçóëüòàòå ôîòîòåðìîèíäóöèðîâàííîé êðèñòàëëèçàöèè â àêòèâèðîâàííîé ðåäêîçåìåëüíûìè èîíàìè ýðáèÿ è èòòåðáèÿ ìàòðèöå ñòåêëà âûðàñòàëè íàíîðàçìåðíûå êðèñòàëëû NaF–AgBr.
Êîìïëåêñíûå ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå èññëåäîâàíèÿ âêëþ÷àëè â ñåáÿ îïðåäåëåíèå ñëåäóþùèõ õàðàêòåðèñòèê: ïàðàìåòðû Äæàääà–Îôåëüòà [4, 5], ñå÷åíèå ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ, ñå÷åíèå âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ, âðåìåíà çàòóõàíèÿ ëþìèíåñöåíöèè èîíîâ ýðáèÿ äëÿ ïåðåõîäà 4I13/2 → 4I15/2 (1535 íì) è èîíîâ èòòåðáèÿ äëÿ ïåðåõîäà 2F5/2 → 2F7/2 (980 íì), êâàíòîâûé âûõîä ëþìèíåñöåíöèè èîíîâ Er3+. Ïî ìåòîäèêå [6] ïðîâåäåíû ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü îñíîâíîãî ïåðåõîäà èîíîâ ýðáèÿ 4I13/2 → 4I15/2 äëÿ ðàçëè÷íûõ óðîâíåé íàêà÷êè.
Ñïåêòðû ïîãëîùåíèÿ ñòåêîë èçìåðåíû ñ ïîìîùüþ ñïåêòðîôîòîìåòðà (Cary 500 ôèðìû “Varian”) â ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå 300–3000 íì. Àíàëèç Äæàääà–Îôåëüòà ïðîâåäåí íà îñíîâå îïðåäåëåíèÿ ñå÷åíèé ïîãëîùåíèÿ äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ äèïîëüíûõ
ïåðåõîäîâ è ðàñ÷åòà òðåõ ïàðàìåòðîâ Ωt (t = 2, 4, 6). Ñ ïîìîùüþ ýòèõ ïàðàìåòðîâ áûëà îïðåäåëåíà âåðîÿòíîñòü ñïîíòàííîãî ïåðåõîäà 4I13/2 → 4I15/2
Aij = 64π4e2ν3(n(n2 + 2)2 ) × ×(S(SLJ → S′L′J ′))/[18h(2J +1)],
(1)
ãäå ν – ÷àñòîòà ìàêñèìóìà ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ, n – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ, h – ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, J – êðàòíîñòü âûðîæäåíèÿ óðîâíÿ, ñ êîòîðîãî îñóùåñòâëÿåòñÿ ïåðåõîä; S(SLJ → S′L′J′) ñèëà ëèíèè ïåðåõîäà ñ óðîâíÿ 4I13/2 íà óðîâåíü 4I15/2. Äàëåå áûëî îïðåäåëåíî ðàäèàöèîííîå âðåìÿ æèçíè ëþìèíåñöåíöèè τrad êàê âåëè÷èíà, îáðàòíàÿ âåðîÿòíîñòè ñïîíòàííîãî ïåðåõîäà.
Ñïåêòðû ôëþîðåñöåíöèè âîçáóæäàëèñü èçëó÷åíèåì (λpump = 975 íì) íåïðåðûâíîãî òèòàí-ñàïôèðîâîãî ëàçåðà (ìîäåëü 3900 ôèðìû “Spectra Physics”), óïðàâëÿåìîãî íåîäèìîâûì ëàçåðîì ñ óäâîåíèåì ÷àñòîòû (λpump = 532 íì) (ìîäåëü Millennia-Xs ôèðìû “Spectra Physics”). Èçëó÷åíèå íàêà÷êè ìîäóëèðîâàëîñü ñ ÷àñòîòîé 12 Ãö, åãî ìîùíîñòü èçìåðÿëàñü ïèðîýëåêòðè÷åñêèì ïðèåìíèêîì ôèðìû “Kimmon Electric Co”. Ñïåêòðû ôëþîðåñöåíöèè çàïèñàíû ñ èñïîëüçîâàíèåì ìîíîõðîìàòîðà (ìîäåëü Acton-300 ôèðìû “Acton Research Corporation”) è ÈÊ InGaAs-ïðèåìíèêà (ìîäåëü ID-441 ôèðìû “Acton Research Corporation”). Ñèãíàëû îò ïðèåìíèêà óñèëèâàëèñü è îáðàáàòûâàëèñü ñ ïîìîùüþ öèôðîâîãî ñèíõðîííîãî óñèëèòåëÿ (ìîäåëü SR850 ôèðìû “Stanford Research Systems”). Ñå÷åíèÿ âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ ðàññ÷èòûâàëèñü èç ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ ìåòîäîì ÌàêÊàìáåðà [7].
Äëÿ èçìåðåíèÿ êèíåòèêè çàòóõàíèÿ ëþìèíåñöåíöèè èñïîëüçîâàëîñü èçëó÷åíèå èìïóëüñíîãî ëàçåðà LQ-129 ôèðìû “Solar Laser system” (λpump = 975 íì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà τ ≈ 11 íñ). Êðèâûå çàòóõàíèÿ ëþìèíåñöåíöèè ðåãèñòðèðîâàëèñü öèôðîâûì çàïîìèíàþùèì îñöèëëîãðàôîì (ìîäåëü Infinium HP54830 ôèðìû “Agilent Technologies”). Äàëåå âðåìÿ æèçíè îïðåäåëÿëîñü ÷åðåç îòíîøåíèå ïëîùàäè ïîä êðèâîé çàòóõàíèÿ ê åå àìïëèòóäå. Âñå èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
Âåðîÿòíîñòü áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ ñ èîíà èòòåðáèÿ íà ýðáèé (η) îïðåäåëÿëàñü ïî ôîðìóëå
η = 1 − (τYb−Er /τYb ),
(2)
ãäå τYb – ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåííîå âðåìÿ æèçíè ëþìèíåñöåíöèè ïåðåõîäà 2F5/2 → 2F7/2 îáðàçöà, íå ñîäåðæàùåãî èîíû ýðáèÿ; τYb–Er – ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåííîå âðåìÿ æèçíè ëþìèíåñöåíöèè ïåðåõîäà 2F5/2 → 2F7/2 îáðàçöà, ñîäåðæàùåãî èîíû ýðáèÿ è èòòåðáèÿ.
82 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Äëÿ èçìåðåíèÿ íàñåëåííîñòè ìåòàñòàáèëüíîãî óðîâíÿ Er3+ íàìè èñïîëüçîâàëñÿ ìåòîä, ðàçðàáîòàííûé ðàíåå â [6]. Îïðåäåëåíèå íàñåëåííîñòè ìåòàñòàáèëüíîãî óðîâíÿ N2 îñóùåñòâëÿëîñü ïî äâóì ìåòîäèêàì. Ïåðâàÿ îñíîâàíà íà èçìåðåíèè èçìåíåíèÿ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ (ÏÎÑ) (ΔkÏÎÑ) äëÿ ñâåðõ÷óâñòâèòåëüíîãî ïåðåõîäà 4I15/2 → 2H11/2 â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè îêîëî 520 íì è èñõîäÿ èç ïðåäïîëîæåíèÿ, ÷òî N2 = ΔN1 (ΔN1 – ýòî îáåäíåíèå îñíîâíîãî óðîâíÿ 4I15/2). Âòîðàÿ – íà èçìåðåíèè ïîãëîùåíèÿ èç âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ (ÏÂÑ) (ΔkÏÂÑ) äëÿ ñâåðõ÷óâñòâèòåëüíîãî ïåðåõîäà 4I13/2 → 4G9/2 â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè 478 íì. Èçìåíåíèå ïîêàçàòåëÿ ïîãëîùåíèÿ ðàññ÷èòûâàëîñü ïî ôîðìóëå:
k
=
1 d
ln
⎛ ⎜
⎝
IlaserÎN IlaserOFF
⎞ ⎟
,
⎠
(3)
ãäå d – òîëùèíà îáðàçöà, IlaserON – çîíäèðóþùèé ñèãíàë ëàìïî÷êè ïðè ëàçåðíîé íàêà÷êå, IlaserOFF – çîíäèðóþùèé ñèãíàë ëàìïî÷êè áåç íàêà÷êè.
Äëÿ âû÷èñëåíèÿ èíâåðñèè íàñåëåííîñòè N2/NEr (èëè ΔN1/NEr, òàê êàê â äàííîì ñëó÷àå N2 = ΔN1) ïðè ïåðåõîäå 4I15/2 → 2H11/2 ïðèìåíÿëàñü ôîðìóëà
N2 NEr
=
ΔN1 NEr
=
ΔkÏÎÑ , k0ÏÎÑ
(4)
ãäå ΔN1 – îáåäíåíèå îñíîâíîãî óðîâíÿ 4I15/2 ïðè íàêà÷êå, ΔkÏÎÑ – èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ïðè ëàçåðíîé íàêà÷êå â ìàêñèìóìå ïîëîñû 4I15/2 → → 2H11/2, k0ÏÎÑ – ìàêñèìàëüíûé êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ áåç íàêà÷êè.
Äëÿ îïðåäåëåíèÿ èíâåðñèè íàñåëåííîñòè N2/NEr ïðè íàêà÷êå 4I13/2 → 4G9/2 èñïîëüçóåòñÿ ôîðìóëà
∫N2 ∫NEr
=
kÏÂÑ (ν)dν , σÏÂÑ (ν)dν
(5)
ãäå ∫kÏÂÑ(ν)dν – èíòåãðàëüíûé êîýôôèöèåíò íàâåäåííîãî ïîãëîùåíèÿ ïîëîñû 4I13/2 → 4G9/2, ∫σÏÂÑ(ν)dν – èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå íàâåäåííîãî ïîãëîùåíèÿ ýòîãî ïåðåõîäà.
Ïðè îïðåäåëåíèè ∫kÏÂÑ(ν)dν íåîáõîäèìî áûëî èçìåíåíèå ïîêàçàòåëÿ ïîãëîùåíèÿ (k), ðàññ÷èòûâàåìîãî ïî ôîðìóëå (1), ïîäåëèòü íà êîíöåíòðàöèþ èîíà àêòèâàòîðà Er3+.
Èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå íàâåäåííîãî ïîãëîùåíèÿ ∫νσÏÂÑ(ν)dν îïðåäåëÿëîñü ñ èñïîëüçîâàíèåì òåîðèè Äæàääà–Îôåëüòà. Äëÿ ýòîãî ïî îïðåäåëåííûì ðàíåå ïàðàìåòðàì Äæàääà–Îôåëüòà [4, 5] ðàññ÷èòûâàåòñÿ ñèëà ëèíèè âîçáóæäåííîãî ïîãëîùåíèÿ
( )SÏÂÑ 4I13/2 → 4G9/2 = Ω2V (2) + Ω4V (4) + Ω6V (6), (6)
ãäå Ω2, Ω4, Ω6 – ïàðàìåòðû Äæàääà; V (2), V (4), V (6) – ïðèâåäåííûå ìíîæèòåëè.
Ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå ñèëû ëèíèè ïîäñòàâëÿåòñÿ â ñîîòíîøåíèå (7), ïî êîòîðîìó è îïðåäåëÿåòñÿ èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå ïîëîñû âîçáóæäåííîãî ïîãëîùåíèÿ 4I13/2 → 4G9/2
∫ σÏÂÑ (ν)dν =
( ) ( ( ) ( ) )( )=
SÏÂÑ 4I13/ 2 → 4G9 / 2 3hc/8π3e2 (2J + 1)/ν ÏÂÑ 9n/
n2 + 2 2
,
(7)
ãäå ν∼ ÏÂÑ – ìàêñèìóì ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ èç âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ [ñì–1], h = 6,6238×10–27 [ýðã ñ], å = 4,8022×10–10 [ýðã], ñ = 2,998×1010 (ñì/ñ), ï – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ èññëåäóåìîãî îáðàçöà.
Èçìåðåíèÿ èçìåíåíèÿ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî ΔkÏÎÑ è âîçáóæäåííîãî ΔkÏÂÑ ñîñòîÿíèé ïðîâîäèëèñü íà óñòàíîâêå, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 1. Äëÿ íàêà÷êè îáðàçöîâ 4 èñïîëüçîâàëîñü ëàçåðíîå èçëó÷åíèå îò ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà 1 (LDD-10, ÇÀÎ “Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû”) íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ ñ ìàêñèìàëüíîé ìîùíîñòüþ 1 Âò. Íàêà÷êà îñóùåñòâëÿëàñü íà äëèíå âîëíû 980 íì. Ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èçìåíÿëàñü îò 50 äî 590 ìÂò.  êà÷åñòâå çîíäà èñïîëüçîâàëîñü èçëó÷åíèå îò ëàìïû 6 (Oriel), êîòîðîå, ïðîõîäÿ ÷åðåç ìîíîõðîìàòîð 9 (Spectra Pro 500i), ðåãèñòðèðîâàëîñü ÔÝÓ 10. Äàëåå ñèãíàë ïåðåäàâàëñÿ íà ñèíõðîííûé óñèëèòåëü 11 (ìîäåëü SR850 DSP) è îáðàáàòûâàëñÿ íà êîìïü-
11 7
10 9 8
1 7 6
2 345
Ðèñ. 1. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè äëÿ èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî è âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèé. 1 – ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåð (λíàê = 980 íì), 2 – ïîëóïðîçðà÷íîå çåðêàëî (Rìàêñ = 975 íì), 3 – äèàôðàãìà, 4 – îáúåìíûé îáðàçåö, 5 – ìîäóëÿòîð, 6 – ëàìïà íàêàëèâàíèÿ (λçîíä = 1,4–1,7 íì), 7 – ïîëîæèòåëüíûå ëèíçû, 8 – ñâåòîôèëüòð, 9 – ìîíîõðîìàòîð, 10 – InGaAs-ïðèåìíèê, 11 – ñèíõðîííûé óñèëèòåëü.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
83
þòåðå. Âñå èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
Ñïåêòðû óñèëåíèÿ/ïîòåðü áûëè èçìåðåíû ïóòåì ðåãèñòðàöèè ïðîøåäøåãî ÷åðåç íàêà÷àííóþ îáëàñòü çîíäèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ ëàìïû íàêàëèâàíèÿ (λ = 1,4–1,7 ìêì) [6]. Äëÿ ýòîãî äèàôðàãìîé ìàëîãî äèàìåòðà (0,2 ìì) â îáðàçöå âûäåëÿëñÿ îáúåì, ÷åðåç êîòîðûé îäíîâðåìåííî ïðîïóñêàëèñü çîíäèðóþùåå èçëó÷åíèå è íàêà÷êà.  çàâèñèìîñòè îò ìîùíîñòè íàêà÷êè çîíäèðóþùåå èçëó÷åíèå ëèáî îñëàáëÿåòñÿ – ñïåêòðû ïîòåðü, ëèáî óñèëèâàåòñÿ – ñïåêòðû óñèëåíèÿ.
Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå
Íà ðèñ. 2 ïîêàçàíû ñïåêòðû îñëàáëåíèÿ ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè, àêòèâèðîâàííîé ýðáèåì, äî îáðàáîòêè, à òàêæå ïîñëå ÓÔ îáëó÷åíèÿ (325 íì) è âòîðè÷íîé òåðìîîáðàáîòêè (520 °Ñ, â òå÷åíèå 2 ÷). Ïðèâåäåííûå ñïåêòðû ïîçâîëÿþò îòìåòèòü ðÿä îñîáåííîñòåé.
1) Ôîòî÷óâñòâèòåëüíàÿ ïîëîñà òðåõâàëåíòíîãî öåðèÿ, ëåæàùàÿ â ðàéîíå 305–315 íì, íå ïåðåêðû-
α, ñì–1 20
(à)
10 2
0
20 α, ñì–1
300
1 400
500 λ, íì (á)
âàåòñÿ ñ ïîëîñàìè ïîãëîùåíèÿ ýðáèÿ (ðèñ. 2à). Èñïîëüçóåìîå ÓÔ èçëó÷åíèå He–Cd-ëàçåðà íà λ = 325 íì ïîïàäàåò â êðàé ïîëîñû òðåõâàëåíòíîãî öåðèÿ è òàêæå íå ïåðåêðûâàåòñÿ ñ ïîëîñàìè ïîãëîùåíèÿ ýðáèÿ â ÓÔ îáëàñòè ñïåêòðà. Òàêèì îáðàçîì, ââåäåíèå èîíîâ ýðáèÿ â ÔÒÐ ñòåêëî íå èçìåíÿåò åãî ôîòî÷óâñòâèòåëüíûå ñâîéñòâà.
2) Òåðìîîáðàáîòêà ïðèâîäèò ê ðîñòó êðèñòàëëè÷åñêîé ôàçû è óâåëè÷åíèþ êîýôôèöèåíòà îñëàáëåíèÿ äî íåñêîëüêèõ îáðàòíûõ ñàíòèìåòðîâ â ÓÔ è âèäèìîé îáëàñòÿõ ñïåêòðà (ðèñ. 2à), ÷òî îáóñëîâëåíî ñèëüíûì ðàññåÿíèåì ñâåòà íà ãðàíèöå äâóõ ôàç – êðèñòàëëè÷åñêîé è ñòåêëîîáðàçíîé.
3)  áëèæíåé ÈÊ îáëàñòè, â òîì ÷èñëå íà ðàáî÷åé äëèíå âîëíû 1,55 ìêì, âêëàä ðàññåÿíèÿ î÷åíü ìàë. Íàâåäåííûå ïîòåðè ñîñòàâëÿþò 0,01–0,05 ñì–1 è ñïåêòðû îñëàáëåíèÿ äî è ïîñëå îáðàáîòêè ïðàêòè÷åñêè ñîâïàäàþò (ðèñ. 2á).
Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíû õàðàêòåðíûå çàâèñèìîñòè ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ σabs è âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ σem îò äëèíû âîëíû, ïîëó÷åííûå ìåòîäîì ÌàêÊàìáåðà [7]. Ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ñå÷åíèé ñîñòàâèëè 5,2×1021 ñì–2 è 5,54×1021 ñì–2 ñîîòâåòñòâåííî.
Ñ óâåëè÷åíèåì êîíöåíòðàöèè Er3+ âðåìÿ æèçíè ëþìèíåñöåíöèè τ è êâàíòîâûé âûõîä ïåðåõîäà 4I13/2 → 4I15/2 óìåíüøàþòñÿ (ðèñ. 4), ÷òî îáóñëîâëåíî òóøåíèåì âîçáóæäåíèÿ íà OH-ãðóïïàõ [8, 9] è íåëèíåéíûì àï-êîíâåðñèîííûì òóøåíèåì ëþìèíåñöåíöèè [10–12]. Ðàäèàöèîííîå âðåìÿ æèçíè áûëî ðàññ÷èòàíî ïî ìåòîäó Ôþõòáàóýðà–Ëàíäåíáóðãà [13] è ñîñòàâèëî 15,6 ìñ. Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå êâàíòîâîãî âûõîäà ëþìèíåñöåíöèè ñîñòàâëÿåò 92% äëÿ îáðàçöà ñ êîíöåíòðàöèåé èîíîâ ýðáèÿ 0,26×1020 ñì–3.
6
4
λ = 325 íì σabs, σem × 1021, ñì2
10
0 1400
2 1
1450
1500
1550 λ, íì
Ðèñ. 2. Ñïåêòðû îñëàáëåíèÿ ýðáèåâîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè äî (1) è ïîñëå (2) îáëó÷åíèÿ è âòîðè÷íîé òåðìîîáðàáîòêè. à – â ÓÔ è âèäèìîé îáëàñòÿõ ñïåêòðà, á – â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà.
84
2 2
1
0 1450
1500
1550
1600
λ, íì
Ðèñ. 3. Ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ σabc (1) è âûíóæäåí-
íîãî èçëó÷åíèÿ σem (2) äëÿ öèÿìè èîíîâ àêòèâàòîðîâ NYb = 17,6×1020 ñì–3.
îáðàçöà ñ êîíöåíòðàNEr = 1,13×1020 ñì–3,
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
τ, ìñ 14
13
q, % 90 86 82
12 78 74
012 Êîíöåíòðàöèÿ Er ×10–20, ñì–3
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü âðåìåíè çàòóõàíèÿ ëþìèíåñ-
öåíöèè τ è êâàíòîâîãî âûõîäà ëþìèíåñöåíöèè q îò
êîíöåíòðàöèè → 4I15/2 (1535
íèìîí).îâNýYðbá=èÿ17N,E6r×ä1ë0ÿ2ï0åñðìåõ–3î.äÍà 4àIê13à/2÷→êà
975 íì.
η, %
60
40
20 0 12 NEr×10–20, ñì–3
Ðèñ. 5. Êîíöåíòðàöèîííàÿ çàâèñèìîñòü âåðîÿòíîñòè áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è ýíåðãèè îò èîíîâ èòòåðáèÿ ê èîíàì ýðáèÿ. NYb = 17,6×1020 ñì–3.
Ýôôåêòèâíîñòü íàêà÷êè èîíîâ ýðáèÿ ñèëüíî çàâèñèò îò ýôôåêòèâíîñòè ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ ñ èîíîâ èòòåðáèÿ íà èîíû ýðáèÿ. Âðåìÿ çàòóõàíèÿ ëþìèíåñöåíöèè èòòåðáèÿ ïåðåõîäà 2F5/2 → 2F7/2 â îáðàçöå, íå ñîäåðæàùåì ýðáèé, ñîñòàâèëî 1,05 ìñ. Íà ðèñ. 5 ïîêàçàíà êîíöåíòðàöèîííàÿ çàâèñèìîñòü âåðîÿòíîñòè áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ η c èîíîâ èòòåðáèÿ ê èîíàì ýðáèÿ.
Ïðè óâåëè÷åíèè êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå âåðîÿòíîñòè ïåðåäà÷è ýíåðãèè, êîòîðàÿ äîñòèãàåò 74% â îáðàçöå ñ ìàêñèìàëüíûì ñîäåðæàíèåì èîíîâ ýðáèÿ 2,26×1020 ñì–3. Ýòî ìîæíî îáúÿñíèòü òåì, ÷òî ðîñò êîíöåíòðàöèè èîíîâ àêòèâàòîðîâ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè, à âåðîÿòíîñòü áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ íåëèíåéíî çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó èîíàìè.
Íà ðèñ. 6 ïîêàçàíû ñïåêòðû ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî è âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèé èîíà ýðáèÿ äëÿ ðàçíûõ ìîùíîñòåé íàêà÷êè.
Ïðè óâåëè÷åíèè ìîùíîñòè íàêà÷êè èíòåíñèâíîñòè ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ ñ îñíîâíîãî è âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèé âîçðàñòàþò, ò. å. ïðîèñõîäèò ðàññåëåíèå îñíîâíîãî óðîâíÿ è çàñåëåíèå ìåòàñòàáèëüíîãî, ïîëîñà ïîãëîùåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïåðåõîäó 4I15/2 → 2H11/2, óìåíüøàåòñÿ, à ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïåðåõîäó 4I13/2 → 4G9/2 – ðàñòåò. Ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ýòèõ èçìåíåíèé è ñå÷åíèÿ ïîëîñ èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ïîëó÷åíèÿ çíà÷åíèé íàñåëåííîñòè. Íà ðèñ. 7 ïîêàçàíû èçìåíåíèÿ N2/NEr äëÿ ðàçëè÷íûõ êîíöåíòðàöèé èîíîâ ýðáèÿ.
Èíâåðñèÿ íàñåëåííîñòè äîñòèãàåòñÿ äëÿ îáðàçöà ñ ìèíèìàëüíûìè èç èññëåäóåìûõ â äàííîé ðàáîòå êîíöåíòðàöèÿìè èîíîâ ýðáèÿ (0,26×1020 ñì–3) è ñîñòàâëÿåò 52%. Ïðè áîëåå âûñîêèõ êîíöåíòðà-
Δk, ñì–1 1
ÏÂÑ
I4 13/2
→
G4 9/2
0
1 2 –1 3 4
4 3
2 1
ÏOÑ
I4 15/2
→
H4 11/2
470 490 510 530 λ, íì
Ðèñ. 6. Âëèÿíèå ìîùíîñòè íàêà÷êè íà èçìåíåíèå ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ Δk èç îñíîâíîãî (ÏÎÑ) è âîçáóæäåííîãî (ÏÂÑ) ñîñòîÿíèé èîíà ýðáèÿ. Ìîùíîñòè íàêà÷êè: 1 – 50, 2 – 110, 3 – 220, 4 – 590 ìÂò. NEr = 2,26×1020 ñì–3, NYb = 17,6×1020 ñì–3.
N2/NEr, % 50
40
30 ÏOÑ
20 ÏÂÑ
10
012 NEr×10–20, ñì–3
Ðèñ. 7. Âëèÿíèå êîíöåíòðàöèè ýðáèÿ NEr íà
NâåYíbü=í1à7ê,à8÷×ê1è02N0ñ2/ìN–3E,r
ìåòàñòàáèëüíîãî P = 590 ìÂò.
óðîâíÿ
óðî4I13/2.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
85
k, ñì–1 0,04
0
4
–0,04 –0,08 –0,12
3 2 1
1460
1500
1540
1540 λ, íì
Ðèñ. 8. Ñïåêòð óñèëåíèÿ/ïîòåðü ÔÒÐ íàíîñòåêëî-
êåðàìèêè ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ
1– NYb
0, =
2 – 12, 3 17,6×1020
– 30, ñì–3.
4
–
52%.
NEr
=
í0à,2ê6à÷×ê1è02N0 2ñ/ìN–E3r,.
k, ñì–1 0
–0,1
–0,3
–0,3 0
12 NEr×10–20, ñì–3
Ðèñ. 10. Âëèÿíèå êîíöåíòðàöèè ýðáèÿ íà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ. NYb = 17,8×1020 ñì–3, P = 590 ìÂò.
k, ñì–1 0
–0,04 –0,08 –0,12
1460
3′ 3 2′
1′ 2
1
1500
1540
1540 λ, íì
Ðèñ. 9. Ñðàâíåíèå ðàñ÷åòíîãî ñïåêòðà óñèëåíèÿ/
ïîòåðü (1–3) è ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷åííîãî
(1′–3′) äëÿ ýðáèåâîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè ïðè
ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ íàêà÷êè. 1, 1′ –
2, 2′ – 12; 3, 3′ – = 17,6×1020 ñì–3.
52%.
NEr
=
0,26×1020
ñNì2/–N3,ENr =Yb0=;
öèÿõ çíà÷èòåëüíûé âêëàä â ñíèæåíèå èíâåðñèè íàñåëåííîñòè âíîñèò íåëèíåéíîå àï-êîíâåðñèîííîå òóøåíèå, ïîñêîëüêó òàêîå òóøåíèå èìååò íåëèíåéíûé ðîñò ïðè óâåëè÷åíèè êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ [10–12].
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ñïåêòðàëüíûå çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ/ïîòåðü ïðè ðàçëè÷íûõ íàêà÷êàõ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 8. Ñ ðîñòîì íàêà÷êè ñïåêòð ïîãëîùåíèÿ òðàíñôîðìèðóåòñÿ â ñïåêòð óñèëåíèÿ.
Îïðåäåëèâ ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ è âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ (ðèñ. 3), ìîæíî ïîëó÷èòü ðàñ÷åòíûå ñïåêòðû óñèëåíèÿ [13]. Ïðîâåäåì ñðàâíåíèå ðàñ÷åò-
íûõ çíà÷åíèé êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè (ðèñ. 9). Âèäíî, ÷òî ýòè ñïåêòðû õîðîøî ñîâïàäàþò, ò. å. äâà íåçàâèñèìûõ ìåòîäà äàþò îäèíàêîâûé ðåçóëüòàò.
Óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ (ðèñ. 10). Óñèëåíèå ïîëó÷åíî íà îáðàçöàõ ñ ìèíèìàëüíûì ñîäåðæàíèåì èîíîâ ýðáèÿ (NEr = 0,26×1020 ñì–3 è NEr = 0,56×1020 ñì–3). Ìàêñèìàëüíîå äîñòèãíóòîå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñîñòàâëÿåò 0,014 ñì–1.
 òàáëèöå ïðèâåäåíû ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå è ëàçåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ëàçåðíîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè è êîììåð÷åñêîãî ôîñôàòíîãî ñòåêëà ÊÃÑÑ-0134. Âèäíî, ÷òî ñâîéñòâà ëàçåðíîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè ñîïîñòàâèìû ñî ñâîéñòâàìè êîììåð÷åñêîãî ôîñôàòíîãî ñòåêëà.
Âûâîäû
Ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ è ëàçåðíûõ ñâîéñòâ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ íàíîñòåêëîêåðàìèê, àêòèâèðîâàííûõ ýðáèåì è èòòåðáèåì. Ïîêàçàíî, ÷òî ââåäåíèå èîíîâ ýðáèÿ â èñõîäíîå ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíîå ñòåêëî íå èçìåíÿåò åãî ôîòî÷óâñòâèòåëüíûå ñâîéñòâà. Íàâåäåííûå â ïðîöåññå ôîòîòåðìîèíäóöèðîâàííîé êðèñòàëëèçàöèè îïòè÷åñêèå ïîòåðè â àêòèâèðîâàííîé íàíîñòåêëîêåðàìèêå íå ïðåâûøàþò 0,05 ñì–1. Ïðîâåäåíû ïðÿìûå èçìåðåíèÿ íàñåëåííîñòè ìåòàñòàáèëüíîãî óðîâíÿ ýðáèÿ (4I13/2) â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ (0,26–2,26)×1020 ñì–3 è ìîùíîñòè ëàçåðíîé íàêà÷êè (50–590 ìÂò). Óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ Er3+ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ íàñåëåííîñòè ìåòà-
86 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå è ëàçåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ëàçåðíîé ÔÐÒ íàíîñòåêëîêåðàìèêè è êîììåð÷åñêîãî ôîñôàòíîãî ñòåêëà
Õàðàêòåðèñòèêè
Ëàçåðíàÿ ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêà
Êîììåð÷åñêîå ôîñôàòíîå ëàçåðíîå ñòåêëî ÊÃÑÑ-0134 [6, 8]
Êîíöåíòðàöèÿ Er, 1020 ñì–3
Yb, 1020 ñì–3
Èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå ïîãëîùåíèÿ fσa(ν)dν, ñì Ìàêñèìàëüíîå ñå÷åíèå ïîãëîùåíèÿ σambsax, cì2 Èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ fσem(ν)dν, cì Ìàêñèìàëüíîå ñå÷åíèå âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ σemmax, cì2 Ðàäèàöèîííîå âðåìÿ æèçíè, ìñ
Êâàíòîâûé âûõîä, %
Âåðîÿòíîñòü áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è ýíåðãèè îò èîíîâ èòòåðáèÿ ê ýðáèþ, %
Ïàðàìåòðû Äæàääà, ñì2 Ω2
Ω4
Ω6 Íàêà÷êà N2/NEr, % (ïðè ìîùíîñòè 590 ìÂò) Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ, ñì–1
0,56 17,8 7,4×10–19 5,1×10–21 7,2×10–19
5,5×10–21
15,6 91
48
3,82×10–20 0,51×10–20 0,32×10–20
44 0,006
0,5 19 1,3×10–18 6,5×10–21 1,2×10–18
6,5×10–21
9,8 80
86
6,32×10–20 0,28×10–20 1,55×10–20
58 0,05
ñòàáèëüíîãî óðîâíÿ è êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ, ÷òî ñâÿçàíî ñ íåëèíåéíûì àï-êîíâåðñèîííûì òóøåíèåì. Äëÿ îáðàçöà ñ ìèíèìàëüíûì ñîäåðæàíèåì èîíîâ ýðáèÿ (NEr = 0,26×1020 ñì–3) äîñòèãíóòà èíâåðñèÿ íàñåëåííîñòè 52% ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 590 ìÂò. Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïðè òàêèõ óñëîâèÿõ ñîñòàâèë 0,014 ñì–1 äëÿ îáðàçöà òîëùèíîé ïîðÿäêà 1 ìì. Òàêèì îáðàçîì, èòòåðáèé-ýðáèåâûå ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûå íàíîñòåêëîêåðàìèêè îáëàäàþò õîðîøèìè ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûìè è ëàçåðíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè, êîòîðûå íå óñòóïàþò ëó÷øèì êîììåð÷åñêèì ôîñôàòíûì ñòåêëàì, àêòèâèðîâàííûì ýðáèåì è èòòåðáèåì.
Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü Àòîíåí Î.Å. è Òóíèìàíîâîé È.Â. çà ïîìîùü â ñèíòåçå àêòèâèðîâàííûõ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ ñòåêîë.
Ðàáîòà âûïîëíåíà â ðàìêàõ ðåàëèçàöèè â ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ èííîâàöèîííîé îáðàçîâàòåëüíîé ïðîãðàììû “Èííîâàöèîííàÿ ñèñòåìà ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ íîâîãî ïîêîëåíèÿ â îáëàñòè èíôîðìàöèîííûõ è îïòè÷åñêèõ òåõíîëîãèé”, ñîâìåñòíîãî ðîññèéñêî-áåëîðóññêîãî ãðàíòà ÐÔÔÈ ¹08-02-90036-Áåë_à, à òàêæå òåìàòè÷åñêîãî ïëàíà ÍÈÐ ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ, ôèíàíñèðóåìîãî Ìèíèñòåðñòâîì îáðàçîâàíèÿ è íàóêè ÐÔ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Íèêîíîðîâ Í.Â. Îïòè÷åñêàÿ ïîëèôóíêöèîíàëüíàÿ íàíîñòåêëîêåðàìèêà // Áåëàÿ êíèãà “Èññëåäîâàíèÿ â îáëàñòè íàíî÷àñòèö, íàíîñòðóêòóð è íàíîêîìïîçèòîâ â
Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè”. Ì.: Èçä. Ñîâåòà Ôåäåðàöèè Ôåäåðàëüíîãî ñîáðàíèÿ ÐÔ, 2006. Ñ.163–164.
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13. ×óõàðåâ À.Â. Ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå ñâîéñòâà ýðáèåâûõ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ ñòåêîë äëÿ èíòåãðàëüíî-îïòè÷åñêèõ óñèëèòåëåé ñâåòà // Àâòîðåô. êàíä. äèñ. ÑÏá.: ËÈÒÌÎ, 2001. 18 ñ.
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ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÎ-ËÞÌÈÍÅÑÖÅÍÒÍÛÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ÔÎÒÎÒÅÐÌÎÐÅÔÐÀÊÒÈÂÍÛÕ ÍÀÍÎÑÒÅÊËÎÊÅÐÀÌÈÊ, ÀÊÒÈÂÈÐÎÂÀÍÍÛÕ ÈÎÍÀÌÈ ÈÒÒÅÐÁÈß È ÝÐÁÈß
© 2008 ã. Â. À. Àñååâ; Í. Â. Íèêîíîðîâ, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê ÍÈÈ íàíîôîòîíèêè è îïòîèíôîðìàòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã E-mail: Aseev@oi.ifmo.ru
Âïåðâûå ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ è ëàçåðíûõ ñâîéñòâ âûñîêîêîíöåíòðèðîâàííûõ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ íàíîñòåêëîêåðàìèê, àêòèâèðîâàííûõ èîíàìè èòòåðáèÿ è ýðáèÿ, äëÿ èíòåãðàëüíî-îïòè÷åñêèõ óñèëèòåëåé è ìèíè-ëàçåðîâ. Óñòàíîâëåíû ïðåäåëüíûå êîíöåíòðàöèè ýðáèÿ, ïðè êîòîðûõ íàáëþäàåòñÿ óñèëåíèå, è èññëåäîâàíî âëèÿíèå ìîùíîñòè íàêà÷êè íà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ.
Êîäû OCIS: 140.3070, 140.3380, 140.3500.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 26.06.2008.
Ââåäåíèå
Íà ñîâðåìåííîì ýòàïå ðàçâèòèÿ îïòè÷åñêîé ñâÿçè è ôîòîíèêè òðåáóþòñÿ íîâûå, ÷àùå âñåãî ìèíèàòþðíûå, îïòè÷åñêèå ýëåìåíòû, êîòîðûå íå ìîãóò áûòü â ïîëíîé ìåðå ðåàëèçîâàíû íà îñíîâå òðàäèöèîííûõ ìàòåðèàëîâ è òåõíîëîãèé. Ïîýòîìó âî âñåì ìèðå áîëüøîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ ðàçðàáîòêå îïòè÷åñêèõ ïîëèôóíêöèîíàëüíûõ ìàòåðèàëîâ. Îïòè÷åñêèå ïîëèôóíêöèîíàëüíûå ìàòåðèàëû – ýòî íîâûå îïòè÷åñêèå ñðåäû äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷, ñâÿçàííûõ ñ ìèíèàòþðèçàöèåé è èíòåãðàöèåé îïòè÷åñêîé ýëåìåíòíîé áàçû ñîâðåìåííîé ôîòîíèêè. Îïòè÷åñêèå ïîëèôóíêöèîíàëüíûå ìàòåðèàëû îáúåäèíÿþò â ñåáå õàðàêòåðèñòèêè íåñêîëüêèõ îïòè÷åñêèõ ñðåä è ïðîâîäÿò ðàçíûå ôóíêöèîíàëüíûå îïåðàöèè ñî ñâåòîì (ãåíåðàöèþ, óñèëåíèå, óäâîåíèå ÷àñòîòû, ìîäóëÿöèþ, îòêëîíåíèå ñâåòîâûõ ïîòîêîâ, ïåðåäà÷ó, çàïèñü, îáðàáîòêó è õðàíåíèå èíôîðìàöèîííûõ ïîòîêîâ è ò. ä.). Òàê, íàïðèìåð, â [1–3] ðàçðàáîòàí íîâûé ïîëèôóíêöèîíàëüíûé ìàòåðèàë – ëàçåðíàÿ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíàÿ íàíîñòåêëîêåðàìèêà. Íîâàÿ ïîëèôóíêöèîíàëüíàÿ íàíîñòåêëîêåðàìèêà îáúåäèíÿåò â ñåáå ñâîéñòâà òðåõ ìàòåðèàëîâ: ëàçåðíîãî, ôîòî÷óâñòâèòåëüíîãî è èîíîîáìåííîãî.
Ïîëèôóíêöèîíàëüíàÿ íàíîñòåêëîêåðàìèêà ñîçäàíà íà áàçå ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíîãî (ÔÒÐ) ìàòåðèàëà. ÔÒÐ ñòåêëî – ýòî ìíîãîêîìïîíåíòíîå íàòðèåâî-àëþìîöèíêîâî-ñèëèêàòíîå ñòåêëî, â ñîñòàâ êîòîðîãî âõîäÿò ôîòî÷óâñòâèòåëüíûå ñåíñèáèëèçàòîðû öåðèé è ñåðåáðî, à òàêæå ýëåìåíòû, ó÷àñòâóþùèå â ïðîöåññå êðèñòàëëèçàöèè, – ôòîð è áðîì. Ïðîöåññ ôîòîòåðìîèíäóöèðîâàííîé êðèñòàëëèçàöèè â ÔÒÐ ñòåêëå çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì. Ïîä äåéñòâèåì ÓÔ èçëó÷åíèÿ He–Cd-ëàçåðà (λ = = 325 íì), ñîâïàäàþùåãî ñ øèðîêîé ïîëîñîé ïîãëî-
ùåíèÿ Ñå3+ (305–330 íì), â ñòåêëå ïðîèñõîäèò ôîòîèîíèçàöèÿ Ñå3+ ñ îáðàçîâàíèåì ñâîáîäíûõ ýëåêòðîíîâ ïî ðåàêöèè
hν + Ce3+ = Ce4+ + e–.
Îñâîáîäèâøèéñÿ ýëåêòðîí çàõâàòûâàåòñÿ íà ëîâóøêàõ ñåðåáðà Ag+ ñ îáðàçîâàíèåì àòîìàðíîãî ñåðåáðà
Ag+ + e– → Ag0.
Íàãðåâ ñòåêëà äî 400 °Ñ ïðèâîäèò ê àãðåãàöèè àòîìàðíîãî ñåðåáðà è îáðàçîâàíèþ êîëëîèäíûõ ÷àñòèö ñåðåáðà Ag0n.  ñâîþ î÷åðåäü, êîëëîèäíûå ÷àñòèöû ñåðåáðà âûïîëíÿþò ðîëü öåíòðîâ êðèñòàëëèçàöèè. Ïðè òåìïåðàòóðàõ, áëèçêèõ ê òåìïåðàòóðå ñòåêëîâàíèÿ (Tg = 490 °Ñ) è âûøå, íà ýòèõ çàðîäûøàõ ïðîèñõîäèò ðîñò íàíîêðèñòàëëîâ ñëîæíîãî ñîñòàâà AgBr–NaF. Äîçà ÓÔ îáëó÷åíèÿ îïðåäåëÿåò êîíöåíòðàöèþ êîëëîèäíûõ ÷àñòèö ñåðåáðà è, ñîîòâåòñòâåííî, êîíöåíòðàöèþ íàíîêðèñòàëëîâ, à òåìïåðàòóðà è âðåìÿ òåðìè÷åñêîé îáðàáîòêè (òåðìîïðîÿâëåíèå) îïðåäåëÿþò ðàçìåð íàíîêðèñòàëëîâ è îáúåìíóþ äîëþ êðèñòàëëè÷åñêîé ôàçû. Ðàçìåð êðèñòàëëîâ ñîñòàâëÿåò 20–40 íì. Ýòî ïîçâîëÿåò ñóùåñòâåííî ñíèçèòü óðîâåíü ñâåòîðàññåÿíèÿ â ãåòåðîôàçíûõ ñòåêëîêåðàìèêàõ, â êîòîðûõ êîýôôèöèåíò îñëàáëåíèÿ ñîñòàâëÿåò ìåíåå 0,01 ñì–1 [3]. Ïðîçðà÷íûå â øèðîêîé îáëàñòè ñïåêòðà (350–3500 íì) ñòåêëîêåðàìèêè çà ñ÷åò íàíîðàçìåðíîé êðèñòàëëè÷åñêîé ôàçû ïîëó÷èëè íàçâàíèå “íàíîñòåêëîêåðàìèê” [1, 2]. Ðàçíîñòü ïîêàçàòåëåé ïðåëîìëåíèÿ ñòåêëîôàçû è êðèñòàëëè÷åñêîé ôàçû äîñòèãàåò Δn = 5×10–4 è ïîçâîëÿåò çàïèñûâàòü âûñîêîýôôåêòèâíûå îáúåìíûå ôàçîâûå ãîëîãðàììû [3]. Ìàòðèöà ÔÒÐ ñòåêëà äîïóñêàåò ëåãèðîâàíèå ìàòåðèàëà ðåäêîçåìåëüíûìè èîíàìè (íàïðèìåð, ýðáèåì, èòòåðáèåì è ò. ä.), è, òàêèì îáðàçîì, ìàòåðèàë ìîæåò îáëàäàòü ñâîé-
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
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ñòâàìè ëàçåðíîé ñðåäû. Òàê, íàïðèìåð, íà îñíîâå ëàçåðíîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè ñòàíîâèòñÿ âîçìîæíîé ðåàëèçàöèÿ ïëàíàðíîãî âîëíîâîäíîãî îïòè÷åñêîãî óñèëèòåëÿ èëè ìèêðîëàçåðà íà λ = = 1,55 ìêì â âèäå ìîíîëèòíîé èíòåãðàöèè. Òî åñòü íà åäèíîì ìàòåðèàëå-ïîäëîæêå ìîæåò áûòü ñîçäàí ðÿä îïòè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ, íàïðèìåð, âîëíîâîäíûé ìóëüòèïëåêñîð äëÿ ñìåøåíèÿ ñèãíàëüíîãî êàíàëà íà äëèíå âîëíû 1,55 ìêì è êàíàëà íàêà÷êè íà λ = 0,98 ìêì, âîëíîâîäíûé ëàçåð èëè îïòè÷åñêèé óñèëèòåëü, áðýããîâñêèå çåðêàëà, âíóòðèðåçîíàòîðíûå ôèëüòðû, ñïåêòðàëüíûå ñåëåêòîðû è ò. ä.
 íàñòîÿùåé ðàáîòå ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ ñâîéñòâ ëàçåðíûõ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ íàíîñòåêëîêåðàìèê, àêòèâèðîâàííûõ èîíàìè ýðáèÿ è èòòåðáèÿ.
Îáúåêò èññëåäîâàíèÿ è ýêñïåðèìåíò
 ðàáîòå áûëè ñèíòåçèðîâàíû èñõîäíûå ÔÒÐ ñòåêëà ñèñòåìû Na2O–ZnO–Al2O3–SiO2. Ñòåêëà ñîäåðæàëè ôîòî÷óâñòâèòåëüíûå äîáàâêè ñåðåáðà è öåðèÿ, à òàêæå äîáàâêè ôòîðà è áðîìà, îïðåäåëÿþùèå êðèñòàëëèçàöèîííóþ ñïîñîáíîñòü ñòåêëà. Êðîìå òîãî, â èñõîäíûå ÔÒÐ ñòåêëà áûëè ââåäåíû îêñèäû ðåäêèõ çåìåëü ýðáèÿ è èòòåðáèÿ. Êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ èòòåðáèÿ áûëà ïîñòîÿííîé è ñîñòàâëÿëà 17,8×1020 ñì–3. Êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ ýðáèÿ èçìåíÿëàñü â ïðåäåëàõ îò 0 äî 2,26×1020 ñì–3.
Äëÿ ïîäãîòîâêè íàíîñòåêëîêåðàìèê àêòèâèðîâàííûå ÔÒÐ ñòåêëà ïîäâåðãàëèñü ÓÔ îáëó÷åíèþ He–Cd-ëàçåðà (λ = 325 íì) è ïîñëåäóþùåé òåðìîîáðàáîòêå ïðè Ò = 520 °Ñ â òå÷åíèå 2 ÷.  ðåçóëüòàòå ôîòîòåðìîèíäóöèðîâàííîé êðèñòàëëèçàöèè â àêòèâèðîâàííîé ðåäêîçåìåëüíûìè èîíàìè ýðáèÿ è èòòåðáèÿ ìàòðèöå ñòåêëà âûðàñòàëè íàíîðàçìåðíûå êðèñòàëëû NaF–AgBr.
Êîìïëåêñíûå ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå èññëåäîâàíèÿ âêëþ÷àëè â ñåáÿ îïðåäåëåíèå ñëåäóþùèõ õàðàêòåðèñòèê: ïàðàìåòðû Äæàääà–Îôåëüòà [4, 5], ñå÷åíèå ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ, ñå÷åíèå âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ, âðåìåíà çàòóõàíèÿ ëþìèíåñöåíöèè èîíîâ ýðáèÿ äëÿ ïåðåõîäà 4I13/2 → 4I15/2 (1535 íì) è èîíîâ èòòåðáèÿ äëÿ ïåðåõîäà 2F5/2 → 2F7/2 (980 íì), êâàíòîâûé âûõîä ëþìèíåñöåíöèè èîíîâ Er3+. Ïî ìåòîäèêå [6] ïðîâåäåíû ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü îñíîâíîãî ïåðåõîäà èîíîâ ýðáèÿ 4I13/2 → 4I15/2 äëÿ ðàçëè÷íûõ óðîâíåé íàêà÷êè.
Ñïåêòðû ïîãëîùåíèÿ ñòåêîë èçìåðåíû ñ ïîìîùüþ ñïåêòðîôîòîìåòðà (Cary 500 ôèðìû “Varian”) â ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå 300–3000 íì. Àíàëèç Äæàääà–Îôåëüòà ïðîâåäåí íà îñíîâå îïðåäåëåíèÿ ñå÷åíèé ïîãëîùåíèÿ äëÿ ýëåêòðè÷åñêèõ äèïîëüíûõ
ïåðåõîäîâ è ðàñ÷åòà òðåõ ïàðàìåòðîâ Ωt (t = 2, 4, 6). Ñ ïîìîùüþ ýòèõ ïàðàìåòðîâ áûëà îïðåäåëåíà âåðîÿòíîñòü ñïîíòàííîãî ïåðåõîäà 4I13/2 → 4I15/2
Aij = 64π4e2ν3(n(n2 + 2)2 ) × ×(S(SLJ → S′L′J ′))/[18h(2J +1)],
(1)
ãäå ν – ÷àñòîòà ìàêñèìóìà ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ, n – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ, h – ïîñòîÿííàÿ Ïëàíêà, J – êðàòíîñòü âûðîæäåíèÿ óðîâíÿ, ñ êîòîðîãî îñóùåñòâëÿåòñÿ ïåðåõîä; S(SLJ → S′L′J′) ñèëà ëèíèè ïåðåõîäà ñ óðîâíÿ 4I13/2 íà óðîâåíü 4I15/2. Äàëåå áûëî îïðåäåëåíî ðàäèàöèîííîå âðåìÿ æèçíè ëþìèíåñöåíöèè τrad êàê âåëè÷èíà, îáðàòíàÿ âåðîÿòíîñòè ñïîíòàííîãî ïåðåõîäà.
Ñïåêòðû ôëþîðåñöåíöèè âîçáóæäàëèñü èçëó÷åíèåì (λpump = 975 íì) íåïðåðûâíîãî òèòàí-ñàïôèðîâîãî ëàçåðà (ìîäåëü 3900 ôèðìû “Spectra Physics”), óïðàâëÿåìîãî íåîäèìîâûì ëàçåðîì ñ óäâîåíèåì ÷àñòîòû (λpump = 532 íì) (ìîäåëü Millennia-Xs ôèðìû “Spectra Physics”). Èçëó÷åíèå íàêà÷êè ìîäóëèðîâàëîñü ñ ÷àñòîòîé 12 Ãö, åãî ìîùíîñòü èçìåðÿëàñü ïèðîýëåêòðè÷åñêèì ïðèåìíèêîì ôèðìû “Kimmon Electric Co”. Ñïåêòðû ôëþîðåñöåíöèè çàïèñàíû ñ èñïîëüçîâàíèåì ìîíîõðîìàòîðà (ìîäåëü Acton-300 ôèðìû “Acton Research Corporation”) è ÈÊ InGaAs-ïðèåìíèêà (ìîäåëü ID-441 ôèðìû “Acton Research Corporation”). Ñèãíàëû îò ïðèåìíèêà óñèëèâàëèñü è îáðàáàòûâàëèñü ñ ïîìîùüþ öèôðîâîãî ñèíõðîííîãî óñèëèòåëÿ (ìîäåëü SR850 ôèðìû “Stanford Research Systems”). Ñå÷åíèÿ âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ ðàññ÷èòûâàëèñü èç ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ ìåòîäîì ÌàêÊàìáåðà [7].
Äëÿ èçìåðåíèÿ êèíåòèêè çàòóõàíèÿ ëþìèíåñöåíöèè èñïîëüçîâàëîñü èçëó÷åíèå èìïóëüñíîãî ëàçåðà LQ-129 ôèðìû “Solar Laser system” (λpump = 975 íì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà τ ≈ 11 íñ). Êðèâûå çàòóõàíèÿ ëþìèíåñöåíöèè ðåãèñòðèðîâàëèñü öèôðîâûì çàïîìèíàþùèì îñöèëëîãðàôîì (ìîäåëü Infinium HP54830 ôèðìû “Agilent Technologies”). Äàëåå âðåìÿ æèçíè îïðåäåëÿëîñü ÷åðåç îòíîøåíèå ïëîùàäè ïîä êðèâîé çàòóõàíèÿ ê åå àìïëèòóäå. Âñå èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
Âåðîÿòíîñòü áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ ñ èîíà èòòåðáèÿ íà ýðáèé (η) îïðåäåëÿëàñü ïî ôîðìóëå
η = 1 − (τYb−Er /τYb ),
(2)
ãäå τYb – ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåííîå âðåìÿ æèçíè ëþìèíåñöåíöèè ïåðåõîäà 2F5/2 → 2F7/2 îáðàçöà, íå ñîäåðæàùåãî èîíû ýðáèÿ; τYb–Er – ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåííîå âðåìÿ æèçíè ëþìèíåñöåíöèè ïåðåõîäà 2F5/2 → 2F7/2 îáðàçöà, ñîäåðæàùåãî èîíû ýðáèÿ è èòòåðáèÿ.
82 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Äëÿ èçìåðåíèÿ íàñåëåííîñòè ìåòàñòàáèëüíîãî óðîâíÿ Er3+ íàìè èñïîëüçîâàëñÿ ìåòîä, ðàçðàáîòàííûé ðàíåå â [6]. Îïðåäåëåíèå íàñåëåííîñòè ìåòàñòàáèëüíîãî óðîâíÿ N2 îñóùåñòâëÿëîñü ïî äâóì ìåòîäèêàì. Ïåðâàÿ îñíîâàíà íà èçìåðåíèè èçìåíåíèÿ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî ñîñòîÿíèÿ (ÏÎÑ) (ΔkÏÎÑ) äëÿ ñâåðõ÷óâñòâèòåëüíîãî ïåðåõîäà 4I15/2 → 2H11/2 â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè îêîëî 520 íì è èñõîäÿ èç ïðåäïîëîæåíèÿ, ÷òî N2 = ΔN1 (ΔN1 – ýòî îáåäíåíèå îñíîâíîãî óðîâíÿ 4I15/2). Âòîðàÿ – íà èçìåðåíèè ïîãëîùåíèÿ èç âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ (ÏÂÑ) (ΔkÏÂÑ) äëÿ ñâåðõ÷óâñòâèòåëüíîãî ïåðåõîäà 4I13/2 → 4G9/2 â ñïåêòðàëüíîé îáëàñòè 478 íì. Èçìåíåíèå ïîêàçàòåëÿ ïîãëîùåíèÿ ðàññ÷èòûâàëîñü ïî ôîðìóëå:
k
=
1 d
ln
⎛ ⎜
⎝
IlaserÎN IlaserOFF
⎞ ⎟
,
⎠
(3)
ãäå d – òîëùèíà îáðàçöà, IlaserON – çîíäèðóþùèé ñèãíàë ëàìïî÷êè ïðè ëàçåðíîé íàêà÷êå, IlaserOFF – çîíäèðóþùèé ñèãíàë ëàìïî÷êè áåç íàêà÷êè.
Äëÿ âû÷èñëåíèÿ èíâåðñèè íàñåëåííîñòè N2/NEr (èëè ΔN1/NEr, òàê êàê â äàííîì ñëó÷àå N2 = ΔN1) ïðè ïåðåõîäå 4I15/2 → 2H11/2 ïðèìåíÿëàñü ôîðìóëà
N2 NEr
=
ΔN1 NEr
=
ΔkÏÎÑ , k0ÏÎÑ
(4)
ãäå ΔN1 – îáåäíåíèå îñíîâíîãî óðîâíÿ 4I15/2 ïðè íàêà÷êå, ΔkÏÎÑ – èçìåíåíèå êîýôôèöèåíòà ïîãëîùåíèÿ ïðè ëàçåðíîé íàêà÷êå â ìàêñèìóìå ïîëîñû 4I15/2 → → 2H11/2, k0ÏÎÑ – ìàêñèìàëüíûé êîýôôèöèåíò ïîãëîùåíèÿ áåç íàêà÷êè.
Äëÿ îïðåäåëåíèÿ èíâåðñèè íàñåëåííîñòè N2/NEr ïðè íàêà÷êå 4I13/2 → 4G9/2 èñïîëüçóåòñÿ ôîðìóëà
∫N2 ∫NEr
=
kÏÂÑ (ν)dν , σÏÂÑ (ν)dν
(5)
ãäå ∫kÏÂÑ(ν)dν – èíòåãðàëüíûé êîýôôèöèåíò íàâåäåííîãî ïîãëîùåíèÿ ïîëîñû 4I13/2 → 4G9/2, ∫σÏÂÑ(ν)dν – èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå íàâåäåííîãî ïîãëîùåíèÿ ýòîãî ïåðåõîäà.
Ïðè îïðåäåëåíèè ∫kÏÂÑ(ν)dν íåîáõîäèìî áûëî èçìåíåíèå ïîêàçàòåëÿ ïîãëîùåíèÿ (k), ðàññ÷èòûâàåìîãî ïî ôîðìóëå (1), ïîäåëèòü íà êîíöåíòðàöèþ èîíà àêòèâàòîðà Er3+.
Èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå íàâåäåííîãî ïîãëîùåíèÿ ∫νσÏÂÑ(ν)dν îïðåäåëÿëîñü ñ èñïîëüçîâàíèåì òåîðèè Äæàääà–Îôåëüòà. Äëÿ ýòîãî ïî îïðåäåëåííûì ðàíåå ïàðàìåòðàì Äæàääà–Îôåëüòà [4, 5] ðàññ÷èòûâàåòñÿ ñèëà ëèíèè âîçáóæäåííîãî ïîãëîùåíèÿ
( )SÏÂÑ 4I13/2 → 4G9/2 = Ω2V (2) + Ω4V (4) + Ω6V (6), (6)
ãäå Ω2, Ω4, Ω6 – ïàðàìåòðû Äæàääà; V (2), V (4), V (6) – ïðèâåäåííûå ìíîæèòåëè.
Ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå ñèëû ëèíèè ïîäñòàâëÿåòñÿ â ñîîòíîøåíèå (7), ïî êîòîðîìó è îïðåäåëÿåòñÿ èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå ïîëîñû âîçáóæäåííîãî ïîãëîùåíèÿ 4I13/2 → 4G9/2
∫ σÏÂÑ (ν)dν =
( ) ( ( ) ( ) )( )=
SÏÂÑ 4I13/ 2 → 4G9 / 2 3hc/8π3e2 (2J + 1)/ν ÏÂÑ 9n/
n2 + 2 2
,
(7)
ãäå ν∼ ÏÂÑ – ìàêñèìóì ïîëîñû ïîãëîùåíèÿ èç âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ [ñì–1], h = 6,6238×10–27 [ýðã ñ], å = 4,8022×10–10 [ýðã], ñ = 2,998×1010 (ñì/ñ), ï – ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ èññëåäóåìîãî îáðàçöà.
Èçìåðåíèÿ èçìåíåíèÿ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî ΔkÏÎÑ è âîçáóæäåííîãî ΔkÏÂÑ ñîñòîÿíèé ïðîâîäèëèñü íà óñòàíîâêå, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 1. Äëÿ íàêà÷êè îáðàçöîâ 4 èñïîëüçîâàëîñü ëàçåðíîå èçëó÷åíèå îò ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà 1 (LDD-10, ÇÀÎ “Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû”) íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ ñ ìàêñèìàëüíîé ìîùíîñòüþ 1 Âò. Íàêà÷êà îñóùåñòâëÿëàñü íà äëèíå âîëíû 980 íì. Ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èçìåíÿëàñü îò 50 äî 590 ìÂò.  êà÷åñòâå çîíäà èñïîëüçîâàëîñü èçëó÷åíèå îò ëàìïû 6 (Oriel), êîòîðîå, ïðîõîäÿ ÷åðåç ìîíîõðîìàòîð 9 (Spectra Pro 500i), ðåãèñòðèðîâàëîñü ÔÝÓ 10. Äàëåå ñèãíàë ïåðåäàâàëñÿ íà ñèíõðîííûé óñèëèòåëü 11 (ìîäåëü SR850 DSP) è îáðàáàòûâàëñÿ íà êîìïü-
11 7
10 9 8
1 7 6
2 345
Ðèñ. 1. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè äëÿ èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî è âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèé. 1 – ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåð (λíàê = 980 íì), 2 – ïîëóïðîçðà÷íîå çåðêàëî (Rìàêñ = 975 íì), 3 – äèàôðàãìà, 4 – îáúåìíûé îáðàçåö, 5 – ìîäóëÿòîð, 6 – ëàìïà íàêàëèâàíèÿ (λçîíä = 1,4–1,7 íì), 7 – ïîëîæèòåëüíûå ëèíçû, 8 – ñâåòîôèëüòð, 9 – ìîíîõðîìàòîð, 10 – InGaAs-ïðèåìíèê, 11 – ñèíõðîííûé óñèëèòåëü.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
83
þòåðå. Âñå èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
Ñïåêòðû óñèëåíèÿ/ïîòåðü áûëè èçìåðåíû ïóòåì ðåãèñòðàöèè ïðîøåäøåãî ÷åðåç íàêà÷àííóþ îáëàñòü çîíäèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ ëàìïû íàêàëèâàíèÿ (λ = 1,4–1,7 ìêì) [6]. Äëÿ ýòîãî äèàôðàãìîé ìàëîãî äèàìåòðà (0,2 ìì) â îáðàçöå âûäåëÿëñÿ îáúåì, ÷åðåç êîòîðûé îäíîâðåìåííî ïðîïóñêàëèñü çîíäèðóþùåå èçëó÷åíèå è íàêà÷êà.  çàâèñèìîñòè îò ìîùíîñòè íàêà÷êè çîíäèðóþùåå èçëó÷åíèå ëèáî îñëàáëÿåòñÿ – ñïåêòðû ïîòåðü, ëèáî óñèëèâàåòñÿ – ñïåêòðû óñèëåíèÿ.
Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèå
Íà ðèñ. 2 ïîêàçàíû ñïåêòðû îñëàáëåíèÿ ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè, àêòèâèðîâàííîé ýðáèåì, äî îáðàáîòêè, à òàêæå ïîñëå ÓÔ îáëó÷åíèÿ (325 íì) è âòîðè÷íîé òåðìîîáðàáîòêè (520 °Ñ, â òå÷åíèå 2 ÷). Ïðèâåäåííûå ñïåêòðû ïîçâîëÿþò îòìåòèòü ðÿä îñîáåííîñòåé.
1) Ôîòî÷óâñòâèòåëüíàÿ ïîëîñà òðåõâàëåíòíîãî öåðèÿ, ëåæàùàÿ â ðàéîíå 305–315 íì, íå ïåðåêðû-
α, ñì–1 20
(à)
10 2
0
20 α, ñì–1
300
1 400
500 λ, íì (á)
âàåòñÿ ñ ïîëîñàìè ïîãëîùåíèÿ ýðáèÿ (ðèñ. 2à). Èñïîëüçóåìîå ÓÔ èçëó÷åíèå He–Cd-ëàçåðà íà λ = 325 íì ïîïàäàåò â êðàé ïîëîñû òðåõâàëåíòíîãî öåðèÿ è òàêæå íå ïåðåêðûâàåòñÿ ñ ïîëîñàìè ïîãëîùåíèÿ ýðáèÿ â ÓÔ îáëàñòè ñïåêòðà. Òàêèì îáðàçîì, ââåäåíèå èîíîâ ýðáèÿ â ÔÒÐ ñòåêëî íå èçìåíÿåò åãî ôîòî÷óâñòâèòåëüíûå ñâîéñòâà.
2) Òåðìîîáðàáîòêà ïðèâîäèò ê ðîñòó êðèñòàëëè÷åñêîé ôàçû è óâåëè÷åíèþ êîýôôèöèåíòà îñëàáëåíèÿ äî íåñêîëüêèõ îáðàòíûõ ñàíòèìåòðîâ â ÓÔ è âèäèìîé îáëàñòÿõ ñïåêòðà (ðèñ. 2à), ÷òî îáóñëîâëåíî ñèëüíûì ðàññåÿíèåì ñâåòà íà ãðàíèöå äâóõ ôàç – êðèñòàëëè÷åñêîé è ñòåêëîîáðàçíîé.
3)  áëèæíåé ÈÊ îáëàñòè, â òîì ÷èñëå íà ðàáî÷åé äëèíå âîëíû 1,55 ìêì, âêëàä ðàññåÿíèÿ î÷åíü ìàë. Íàâåäåííûå ïîòåðè ñîñòàâëÿþò 0,01–0,05 ñì–1 è ñïåêòðû îñëàáëåíèÿ äî è ïîñëå îáðàáîòêè ïðàêòè÷åñêè ñîâïàäàþò (ðèñ. 2á).
Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíû õàðàêòåðíûå çàâèñèìîñòè ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ σabs è âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ σem îò äëèíû âîëíû, ïîëó÷åííûå ìåòîäîì ÌàêÊàìáåðà [7]. Ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ñå÷åíèé ñîñòàâèëè 5,2×1021 ñì–2 è 5,54×1021 ñì–2 ñîîòâåòñòâåííî.
Ñ óâåëè÷åíèåì êîíöåíòðàöèè Er3+ âðåìÿ æèçíè ëþìèíåñöåíöèè τ è êâàíòîâûé âûõîä ïåðåõîäà 4I13/2 → 4I15/2 óìåíüøàþòñÿ (ðèñ. 4), ÷òî îáóñëîâëåíî òóøåíèåì âîçáóæäåíèÿ íà OH-ãðóïïàõ [8, 9] è íåëèíåéíûì àï-êîíâåðñèîííûì òóøåíèåì ëþìèíåñöåíöèè [10–12]. Ðàäèàöèîííîå âðåìÿ æèçíè áûëî ðàññ÷èòàíî ïî ìåòîäó Ôþõòáàóýðà–Ëàíäåíáóðãà [13] è ñîñòàâèëî 15,6 ìñ. Ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå êâàíòîâîãî âûõîäà ëþìèíåñöåíöèè ñîñòàâëÿåò 92% äëÿ îáðàçöà ñ êîíöåíòðàöèåé èîíîâ ýðáèÿ 0,26×1020 ñì–3.
6
4
λ = 325 íì σabs, σem × 1021, ñì2
10
0 1400
2 1
1450
1500
1550 λ, íì
Ðèñ. 2. Ñïåêòðû îñëàáëåíèÿ ýðáèåâîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè äî (1) è ïîñëå (2) îáëó÷åíèÿ è âòîðè÷íîé òåðìîîáðàáîòêè. à – â ÓÔ è âèäèìîé îáëàñòÿõ ñïåêòðà, á – â ÈÊ îáëàñòè ñïåêòðà.
84
2 2
1
0 1450
1500
1550
1600
λ, íì
Ðèñ. 3. Ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ σabc (1) è âûíóæäåí-
íîãî èçëó÷åíèÿ σem (2) äëÿ öèÿìè èîíîâ àêòèâàòîðîâ NYb = 17,6×1020 ñì–3.
îáðàçöà ñ êîíöåíòðàNEr = 1,13×1020 ñì–3,
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
τ, ìñ 14
13
q, % 90 86 82
12 78 74
012 Êîíöåíòðàöèÿ Er ×10–20, ñì–3
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü âðåìåíè çàòóõàíèÿ ëþìèíåñ-
öåíöèè τ è êâàíòîâîãî âûõîäà ëþìèíåñöåíöèè q îò
êîíöåíòðàöèè → 4I15/2 (1535
íèìîí).îâNýYðbá=èÿ17N,E6r×ä1ë0ÿ2ï0åñðìåõ–3î.äÍà 4àIê13à/2÷→êà
975 íì.
η, %
60
40
20 0 12 NEr×10–20, ñì–3
Ðèñ. 5. Êîíöåíòðàöèîííàÿ çàâèñèìîñòü âåðîÿòíîñòè áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è ýíåðãèè îò èîíîâ èòòåðáèÿ ê èîíàì ýðáèÿ. NYb = 17,6×1020 ñì–3.
Ýôôåêòèâíîñòü íàêà÷êè èîíîâ ýðáèÿ ñèëüíî çàâèñèò îò ýôôåêòèâíîñòè ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ ñ èîíîâ èòòåðáèÿ íà èîíû ýðáèÿ. Âðåìÿ çàòóõàíèÿ ëþìèíåñöåíöèè èòòåðáèÿ ïåðåõîäà 2F5/2 → 2F7/2 â îáðàçöå, íå ñîäåðæàùåì ýðáèé, ñîñòàâèëî 1,05 ìñ. Íà ðèñ. 5 ïîêàçàíà êîíöåíòðàöèîííàÿ çàâèñèìîñòü âåðîÿòíîñòè áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ η c èîíîâ èòòåðáèÿ ê èîíàì ýðáèÿ.
Ïðè óâåëè÷åíèè êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå âåðîÿòíîñòè ïåðåäà÷è ýíåðãèè, êîòîðàÿ äîñòèãàåò 74% â îáðàçöå ñ ìàêñèìàëüíûì ñîäåðæàíèåì èîíîâ ýðáèÿ 2,26×1020 ñì–3. Ýòî ìîæíî îáúÿñíèòü òåì, ÷òî ðîñò êîíöåíòðàöèè èîíîâ àêòèâàòîðîâ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ ðàññòîÿíèÿ ìåæäó íèìè, à âåðîÿòíîñòü áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è âîçáóæäåíèÿ íåëèíåéíî çàâèñèò îò ðàññòîÿíèÿ ìåæäó èîíàìè.
Íà ðèñ. 6 ïîêàçàíû ñïåêòðû ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî è âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèé èîíà ýðáèÿ äëÿ ðàçíûõ ìîùíîñòåé íàêà÷êè.
Ïðè óâåëè÷åíèè ìîùíîñòè íàêà÷êè èíòåíñèâíîñòè ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ ñ îñíîâíîãî è âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèé âîçðàñòàþò, ò. å. ïðîèñõîäèò ðàññåëåíèå îñíîâíîãî óðîâíÿ è çàñåëåíèå ìåòàñòàáèëüíîãî, ïîëîñà ïîãëîùåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïåðåõîäó 4I15/2 → 2H11/2, óìåíüøàåòñÿ, à ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïåðåõîäó 4I13/2 → 4G9/2 – ðàñòåò. Ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ ýòèõ èçìåíåíèé è ñå÷åíèÿ ïîëîñ èñïîëüçîâàëèñü äëÿ ïîëó÷åíèÿ çíà÷åíèé íàñåëåííîñòè. Íà ðèñ. 7 ïîêàçàíû èçìåíåíèÿ N2/NEr äëÿ ðàçëè÷íûõ êîíöåíòðàöèé èîíîâ ýðáèÿ.
Èíâåðñèÿ íàñåëåííîñòè äîñòèãàåòñÿ äëÿ îáðàçöà ñ ìèíèìàëüíûìè èç èññëåäóåìûõ â äàííîé ðàáîòå êîíöåíòðàöèÿìè èîíîâ ýðáèÿ (0,26×1020 ñì–3) è ñîñòàâëÿåò 52%. Ïðè áîëåå âûñîêèõ êîíöåíòðà-
Δk, ñì–1 1
ÏÂÑ
I4 13/2
→
G4 9/2
0
1 2 –1 3 4
4 3
2 1
ÏOÑ
I4 15/2
→
H4 11/2
470 490 510 530 λ, íì
Ðèñ. 6. Âëèÿíèå ìîùíîñòè íàêà÷êè íà èçìåíåíèå ïîëîñ ïîãëîùåíèÿ Δk èç îñíîâíîãî (ÏÎÑ) è âîçáóæäåííîãî (ÏÂÑ) ñîñòîÿíèé èîíà ýðáèÿ. Ìîùíîñòè íàêà÷êè: 1 – 50, 2 – 110, 3 – 220, 4 – 590 ìÂò. NEr = 2,26×1020 ñì–3, NYb = 17,6×1020 ñì–3.
N2/NEr, % 50
40
30 ÏOÑ
20 ÏÂÑ
10
012 NEr×10–20, ñì–3
Ðèñ. 7. Âëèÿíèå êîíöåíòðàöèè ýðáèÿ NEr íà
NâåYíbü=í1à7ê,à8÷×ê1è02N0ñ2/ìN–3E,r
ìåòàñòàáèëüíîãî P = 590 ìÂò.
óðîâíÿ
óðî4I13/2.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
85
k, ñì–1 0,04
0
4
–0,04 –0,08 –0,12
3 2 1
1460
1500
1540
1540 λ, íì
Ðèñ. 8. Ñïåêòð óñèëåíèÿ/ïîòåðü ÔÒÐ íàíîñòåêëî-
êåðàìèêè ïðè ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ
1– NYb
0, =
2 – 12, 3 17,6×1020
– 30, ñì–3.
4
–
52%.
NEr
=
í0à,2ê6à÷×ê1è02N0 2ñ/ìN–E3r,.
k, ñì–1 0
–0,1
–0,3
–0,3 0
12 NEr×10–20, ñì–3
Ðèñ. 10. Âëèÿíèå êîíöåíòðàöèè ýðáèÿ íà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ. NYb = 17,8×1020 ñì–3, P = 590 ìÂò.
k, ñì–1 0
–0,04 –0,08 –0,12
1460
3′ 3 2′
1′ 2
1
1500
1540
1540 λ, íì
Ðèñ. 9. Ñðàâíåíèå ðàñ÷åòíîãî ñïåêòðà óñèëåíèÿ/
ïîòåðü (1–3) è ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîëó÷åííîãî
(1′–3′) äëÿ ýðáèåâîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè ïðè
ðàçëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ íàêà÷êè. 1, 1′ –
2, 2′ – 12; 3, 3′ – = 17,6×1020 ñì–3.
52%.
NEr
=
0,26×1020
ñNì2/–N3,ENr =Yb0=;
öèÿõ çíà÷èòåëüíûé âêëàä â ñíèæåíèå èíâåðñèè íàñåëåííîñòè âíîñèò íåëèíåéíîå àï-êîíâåðñèîííîå òóøåíèå, ïîñêîëüêó òàêîå òóøåíèå èìååò íåëèíåéíûé ðîñò ïðè óâåëè÷åíèè êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ [10–12].
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ñïåêòðàëüíûå çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ/ïîòåðü ïðè ðàçëè÷íûõ íàêà÷êàõ ïðèâåäåíû íà ðèñ. 8. Ñ ðîñòîì íàêà÷êè ñïåêòð ïîãëîùåíèÿ òðàíñôîðìèðóåòñÿ â ñïåêòð óñèëåíèÿ.
Îïðåäåëèâ ñå÷åíèÿ ïîãëîùåíèÿ è âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ (ðèñ. 3), ìîæíî ïîëó÷èòü ðàñ÷åòíûå ñïåêòðû óñèëåíèÿ [13]. Ïðîâåäåì ñðàâíåíèå ðàñ÷åò-
íûõ çíà÷åíèé êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñ ýêñïåðèìåíòàëüíûìè (ðèñ. 9). Âèäíî, ÷òî ýòè ñïåêòðû õîðîøî ñîâïàäàþò, ò. å. äâà íåçàâèñèìûõ ìåòîäà äàþò îäèíàêîâûé ðåçóëüòàò.
Óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ (ðèñ. 10). Óñèëåíèå ïîëó÷åíî íà îáðàçöàõ ñ ìèíèìàëüíûì ñîäåðæàíèåì èîíîâ ýðáèÿ (NEr = 0,26×1020 ñì–3 è NEr = 0,56×1020 ñì–3). Ìàêñèìàëüíîå äîñòèãíóòîå çíà÷åíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ñîñòàâëÿåò 0,014 ñì–1.
 òàáëèöå ïðèâåäåíû ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå è ëàçåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ëàçåðíîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè è êîììåð÷åñêîãî ôîñôàòíîãî ñòåêëà ÊÃÑÑ-0134. Âèäíî, ÷òî ñâîéñòâà ëàçåðíîé ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêè ñîïîñòàâèìû ñî ñâîéñòâàìè êîììåð÷åñêîãî ôîñôàòíîãî ñòåêëà.
Âûâîäû
Ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ è ëàçåðíûõ ñâîéñòâ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ íàíîñòåêëîêåðàìèê, àêòèâèðîâàííûõ ýðáèåì è èòòåðáèåì. Ïîêàçàíî, ÷òî ââåäåíèå èîíîâ ýðáèÿ â èñõîäíîå ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíîå ñòåêëî íå èçìåíÿåò åãî ôîòî÷óâñòâèòåëüíûå ñâîéñòâà. Íàâåäåííûå â ïðîöåññå ôîòîòåðìîèíäóöèðîâàííîé êðèñòàëëèçàöèè îïòè÷åñêèå ïîòåðè â àêòèâèðîâàííîé íàíîñòåêëîêåðàìèêå íå ïðåâûøàþò 0,05 ñì–1. Ïðîâåäåíû ïðÿìûå èçìåðåíèÿ íàñåëåííîñòè ìåòàñòàáèëüíîãî óðîâíÿ ýðáèÿ (4I13/2) â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ (0,26–2,26)×1020 ñì–3 è ìîùíîñòè ëàçåðíîé íàêà÷êè (50–590 ìÂò). Óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ Er3+ ïðèâîäèò ê óìåíüøåíèþ íàñåëåííîñòè ìåòà-
86 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 10, 2008
Ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå è ëàçåðíûå õàðàêòåðèñòèêè ëàçåðíîé ÔÐÒ íàíîñòåêëîêåðàìèêè è êîììåð÷åñêîãî ôîñôàòíîãî ñòåêëà
Õàðàêòåðèñòèêè
Ëàçåðíàÿ ÔÒÐ íàíîñòåêëîêåðàìèêà
Êîììåð÷åñêîå ôîñôàòíîå ëàçåðíîå ñòåêëî ÊÃÑÑ-0134 [6, 8]
Êîíöåíòðàöèÿ Er, 1020 ñì–3
Yb, 1020 ñì–3
Èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå ïîãëîùåíèÿ fσa(ν)dν, ñì Ìàêñèìàëüíîå ñå÷åíèå ïîãëîùåíèÿ σambsax, cì2 Èíòåãðàëüíîå ñå÷åíèå âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ fσem(ν)dν, cì Ìàêñèìàëüíîå ñå÷åíèå âûíóæäåííîãî èçëó÷åíèÿ σemmax, cì2 Ðàäèàöèîííîå âðåìÿ æèçíè, ìñ
Êâàíòîâûé âûõîä, %
Âåðîÿòíîñòü áåçûçëó÷àòåëüíîé ïåðåäà÷è ýíåðãèè îò èîíîâ èòòåðáèÿ ê ýðáèþ, %
Ïàðàìåòðû Äæàääà, ñì2 Ω2
Ω4
Ω6 Íàêà÷êà N2/NEr, % (ïðè ìîùíîñòè 590 ìÂò) Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ, ñì–1
0,56 17,8 7,4×10–19 5,1×10–21 7,2×10–19
5,5×10–21
15,6 91
48
3,82×10–20 0,51×10–20 0,32×10–20
44 0,006
0,5 19 1,3×10–18 6,5×10–21 1,2×10–18
6,5×10–21
9,8 80
86
6,32×10–20 0,28×10–20 1,55×10–20
58 0,05
ñòàáèëüíîãî óðîâíÿ è êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ, ÷òî ñâÿçàíî ñ íåëèíåéíûì àï-êîíâåðñèîííûì òóøåíèåì. Äëÿ îáðàçöà ñ ìèíèìàëüíûì ñîäåðæàíèåì èîíîâ ýðáèÿ (NEr = 0,26×1020 ñì–3) äîñòèãíóòà èíâåðñèÿ íàñåëåííîñòè 52% ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 590 ìÂò. Êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïðè òàêèõ óñëîâèÿõ ñîñòàâèë 0,014 ñì–1 äëÿ îáðàçöà òîëùèíîé ïîðÿäêà 1 ìì. Òàêèì îáðàçîì, èòòåðáèé-ýðáèåâûå ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûå íàíîñòåêëîêåðàìèêè îáëàäàþò õîðîøèìè ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûìè è ëàçåðíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè, êîòîðûå íå óñòóïàþò ëó÷øèì êîììåð÷åñêèì ôîñôàòíûì ñòåêëàì, àêòèâèðîâàííûì ýðáèåì è èòòåðáèåì.
Àâòîðû âûðàæàþò áëàãîäàðíîñòü Àòîíåí Î.Å. è Òóíèìàíîâîé È.Â. çà ïîìîùü â ñèíòåçå àêòèâèðîâàííûõ ôîòîòåðìîðåôðàêòèâíûõ ñòåêîë.
Ðàáîòà âûïîëíåíà â ðàìêàõ ðåàëèçàöèè â ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ èííîâàöèîííîé îáðàçîâàòåëüíîé ïðîãðàììû “Èííîâàöèîííàÿ ñèñòåìà ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ íîâîãî ïîêîëåíèÿ â îáëàñòè èíôîðìàöèîííûõ è îïòè÷åñêèõ òåõíîëîãèé”, ñîâìåñòíîãî ðîññèéñêî-áåëîðóññêîãî ãðàíòà ÐÔÔÈ ¹08-02-90036-Áåë_à, à òàêæå òåìàòè÷åñêîãî ïëàíà ÍÈÐ ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ, ôèíàíñèðóåìîãî Ìèíèñòåðñòâîì îáðàçîâàíèÿ è íàóêè ÐÔ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
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