Абсорбционные и люминесцентные свойства висмутовых центров в алюмо- и фосфоросиликатных волоконных световодах, страница 2

Облучение на длинах волн 514 и 532 нм приводит кувеличению интенсивности люминесценции в полосах 742 и 1078 нм,принадлежащих одному из активных висмутовых центров, а излучение 244нм усиливает полосы люминесценции 810 и 1350 нм, принадлежащихдругому центру.На защиту выносятся следующие положения:1. Зависимости спектров поглощения и люминесценции алюмо- ифосфоросиликатных световодов, легированных висмутом, от методовизготовления, способов легирования висмутом, технологических условийизготовления и параметров световодов, концентраций висмута и алюминия, атакжедругихлегирующихдобавок,изменениятемпературыитермообработки, мощности и длины волны возбуждения, на основаниикоторых установлена многокомпонентная структура полос поглощения илюминесценции.2.

Уровень рассеяния в алюмосиликатных световодах, легированныхвисмутом с концентрацией менее 0.02 ат.%, не превышает несколькихпроцентов от величины полных потерь. Поэтому потери в видимой и ИКобластях спектра преимущественно обусловлены поглощением. При этом7уровень остаточных потерь в световоде при высокой интенсивностиизлучения составляет порядка 30% от уровня поглощения малого сигнала исущественно превышает уровень пассивных потерь.3. Параметрыполученныепутемабсорбционныхиаппроксимациилюминесцентныхгауссовымипереходов,функциямиспектровпоглощения и люминесценции, и их классификация.4. Модель четырех модификаций одного активного висмутового центра,свойства которых обусловлены влиянием различных типов окружения всетке стекла, достаточно хорошо описывает спектроскопические свойстваалюмосиликатных волоконных световодов, легированных висмутом.5. Воздействиенаактивныевисмутовыецентрыспомощьюультрафиолетового и видимого лазерного излучения позволяет селективноувеличивать интенсивность «красной» и ИК люминесценции различныхцентров.Практическая значимость работы1.

Определеныоптимальныйсоставитехнологическиеусловияизготовления алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, чтопозволитсоздаватьсветоводысбольшойконцентрациейактивныхвисмутовых центров и низкими пассивными потерями. Использованиеданных световодов в качестве активной среды в волоконных лазерахоткрывает возможность для повышения эффективности лазерной генерации.2. Достигнут уровень пассивных потерь в алюмосиликатных световодах,легированных висмутом, сопоставимый с уровнем потерь в волоконныхсветоводах, легированных ионами эрбия и иттербия.3.

Предложенная модель четырех модификаций активного висмутовогоцентра описывает связь между полосами поглощения и люминесценции, чтопозволяетподбиратьоптимальнуюпроектировании схемы лазера.8длинуволнынакачкипри4. Показанавозможностьфотоиндуцированногоувеличенияинтенсивности люминесценции облучением световода мощным лазернымизлучением видимого и ультрафиолетового диапазона.Апробация работыМатериалы,включенныевдиссертацию,докладывалисьнаXВсероссийской научной школе-семинаре «Волны-2007» (г.

Звенигород, 2007г.)иXIВсероссийскойнаучнойшколе-семинаре«Волны-2008»(г. Звенигород, 2008 г.), на международных конференциях – «32nd EuropeanConference on Optical Communication» (Канны, Франция, 2006 г.), «XXIstInternational Congress on Glass» (Страсбург, Франция, 2007 г.), «15thInternational Laser Physics Workshop LPHYS-2008» (Тронхейм, Норвегия,2008 г.), «3rd EPS-QEOD Europhoton conference» (Париж, Франция, 2008 г.),«34th European Conference on Optical Communication» (Брюссель, Бельгия,2008 г.); обсуждались на научных семинарах кафедры фотоники и физикимикроволн физического факультета МГУ и Научного центра волоконнойоптики РАН. Работа «Классификация абсорбционных и люминесцентныхпереходоввисмутовыхцентроввалюмосиликатныхсветоводах»,являющаяся частью настоящей диссертации, заняла второе место на конкурсенаучных работ молодых ученых НЦВО.ПубликацииРезультаты диссертации изложены в 14 опубликованных работах,список которых приведен в конце автореферата.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, шести глав, заключения и спискалитературы.

Работа изложена на 158 страницах машинописного текста,содержит 66 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает в себя 140наименований.9СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении кратко излагается современное состояние проблемы,обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цельработы и направления исследований, научная новизна, защищаемыеположения, практическая значимость работы, приведены сведения обапробации работы и публикациях автора. Кратко изложено содержаниематериалов по главам.В первой главе представлен обзор литературы, в котором описываютсяосновные оптические свойства ионов висмута в кристаллах, представленобзор свойств висмутовых центров в различных оксидных стеклах и краткорассмотрены основные существующие модели активных висмутовыхцентров.В отличие от ионов редкоземельных элементов, в электроннойконфигурации атома висмута содержатся заполненные f и d оболочки,поэтому спектроскопия в видимом и ближнем ИК диапазоне определяетсявалентными 6s и 6p электронами.

Следовательно, оптические свойстваионов висмута сильно зависят от кристаллического окружения, аспектральные полосы должны быть широкими по сравнению с ионамиредкоземельных элементов. Спектроскопия иона Bi2+ в разных кристаллаххарактеризуется тремя широкими полосами в спектре возбуждения смаксимумами в области 250-365 нм, 413-470 нм и 500-622 нм и единственнойполосой люминесценции с максимумом на 586-639 нм и временем жизни ~10мкс.

Аналогично иону Bi2+, оптические свойства иона Bi3+ также сильнозависят от структуры кристалла и его координации. Спектр возбуждениясостоит из двух полос со спектральным положением 216-265 нм и 240-332нм, а люминесценция имеет время жизни ~1 мкс и максимум полосы от290 до 480 нм. Люминесценция иона висмута Bi+ в кристалле RbPb2Cl5имеет максимум в области 1080 нм и время жизни 140 мкс. При этом в10спектре поглощения наблюдаются разрешенные по спину и запрещенные почетности переходы между уровнями p-оболочки.Абсорбционные и люминесцентные свойства висмутовых центров всиликатных, германатных, фосфатных и боратных стеклах зависят отмножества параметров, таких как: состав стекла, технологии изготовления,длина волны возбуждения, концентрации висмута.

При этом широкиеполосы поглощения и люминесценции обладают сложной структурой.Спектры поглощения состоят из четырех широких полос с максимумамиоколо 500, 700, 800 и 1000 нм, причем точное спектральное положение иформа данных полос зависит от состава стекла. В стеклах, активированныхвисмутом с обязательным легированием оксидом Al и дополнительнымлегированиемоксидамищелочныхищелочноземельныхметаллов,наблюдается широкополосная ИК люминесценция с максимумом в области1050-1420 нм, шириной полосы до 510 нм и временем жизни от 100 до ~1700мкс. Данная люминесценция покрывает спектральный диапазон от 900 до2000 нм. Анализ опубликованных спектров определенно указывает насложную структуру спектра ИК люминесценции. Состав и интенсивностькомпонент спектра люминесценции зависят от многих параметров: составстекла, технология изготовления, концентрация висмута, длина волнывозбуждения.

В ряде работ помимо ИК люминесценции наблюдалась«красная» люминесценция в области 650 – 750 нм при возбуждении 500 – 532нм. Время жизни люминесценции составило 3.62-14.6 мкс. Свойства даннойлюминесценции зависят от состава стекла и длины волны возбуждения, чтоговорит о многокомпонентной структуре данной люминесценции. Помимо«красной» и ИК люминесценций в оксидных стеклах наблюдается «синезеленая» люминесценция со спектральным положением 408-440 нм ишириной до 160 нм. Спектр возбуждения «сине-зеленой» люминесценциисостоит из двух полос на 313 и 381 нм, что соответствует двум переходамиона Bi3+ в кристаллах.11К настоящему моменту выдвинуто большое количество различныхмоделей висмутовых центров, но ни одна из них не подтверждена полностьюи не описывает все спектральные свойства стекол, легированных висмутом.Ионы Bi+, Bi5+, нейтральные и отрицательно заряженные димеры Bi2, Bi2- иBi22-, молекула BiO, комплексы вида {[AlO4/2]–, Bi+} и точечные дефектысетки стекла были предложены в качестве возможных источников ИКлюминесценции.

В свою очередь, в качестве источника «красной»люминесценции рассматривается ионы Bi5+ и Bi2+, причем в первом случаеИК и «красная» люминесценции принадлежат одному иону, а вот втором –разным.На основании анализа многочисленных публикаций можно сделатьвывод о том, что исследование стекол, активированных висмутом, имеетбольшое научное и прикладное значение для освоения спектральногодиапазона 1150-1500 нм. Можно сформулировать несколько основныхвопросов, ответы на которые могут прояснить природу активных висмутовыхцентров:1) Принадлежат ИК и «красная» люминесценции одному активномуцентру или разным?2) Принадлежатполосыпоглощенияилюминесценцииодномувисмутовому центру или нескольким? Какова природа образования этихцентров: это разные типы активных ионов висмута или несколькихконфигураций одного иона, находящихся в разных кристаллическихокружениях?3) Какова роль окружения в формировании активного висмутовогоцентра?4) Какова возможная структура активного висмутового центра?В связи с вышеизложенным, представляется несомненно интересным сфундаментальной и практической точек зрения провести комплексноеспектроскопическоеисследованиеоптическихсвойствалюмо-ифосфоросиликатных волоконных световодов, легированных висмутом, с12целью идентификации активных висмутовых центров и изучения ихприроды.Вторая глава диссертации посвящена описанию процесса изготовленияволоконного световода, техники эксперимента и использовавшихся методовисследования.Исходяизспецификитехнологическогопроцессаизготовлениясветоводов, можно перечислить набор ключевых параметров, вариациякоторых может оказывать сильное влияние на оптические свойствависмутовых волоконных световодов:1) Метод изготовления световода (MCVD, SPCVD)2) Концентрация висмута и способ легирования (из газовой фазы илипропитка)3) Концентрация алюминия4) Состав стекла сердцевины (дополнительное легирование)5) Плотность пористого слоя (зависит от температуры спекания слоя)6) Температура и скорость вытяжки волоконного световода.7) Параметры световода (одномодовый, многомодовый)Влияние всех вышеперечисленных параметров на абсорбционные илюминесцентные свойства висмутовых световодов целенаправленно неисследовалось и требует всестороннего изучения.Световоды и соответствующие им объемные заготовки исследовались спомощью следующих основных методов: спектроскопия оптическогопоглощенияипоглощения,спектроскопия.люминесценции,рентгеновскийДляизученияизмерениемикроанализвнешнихрассеянияиинасыщениярентгеноэлектроннаявоздействийнасветоводыиспользовались методики температурных измерений и термообработки, атакже облучения УФ и видимым лазерным излучением.13В третьей главе приведены результаты систематических исследованийабсорбционных и люминесцентных свойств алюмосиликатных световодов,легированных висмутом, в зависимости от перечисленных во второй главеключевых параметров.Вначале описываются характеристики и параметры исследуемыхсветоводов, представлены профили показателя преломления и профиликонцентраций висмута, алюминия и дополнительных легирующих примесей,измеренные как в заготовке, так и в световоде.