Дипломная (вкр): Генерационные параметры кристалловолокон на основе ниобата лития с эрбием

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

Выпускная квалификационная работа бакалавра

Генерационные параметры кристалловолокон на основе ниобата лития с эрбием

Работу выполнил Соснов Евгений Константинович

Научный руководитель

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

Краснодар 2015

Реферат

Выпускная квалификационная работа: ___ 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

1. Сравнительный анализ кристаллических иттербий - эрбиевых сред для полуторамикронных лазеров

1.1 Пороги генерации сенсибилизированной трехуровневой лазерной среды

1.2 Анализ порогов генерации некоторых сенсибилизированных иттербий - эрбиевых лазерных сред

2. Способы получения образцов кристалловолокон на основе ниобата лития

2.1 Метод лазерного разогрева (LHPG)

2.2 Использование технологии микровытягивания

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

4. Оптические схемы методики проведения экспериментов

5. Экспериментальные данные

Заключение

Список использованных источников

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: CaGd₄Si₃O_{13 (}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 ⁴I_11/2 - ⁴I_13/2 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].

ниобат литий иттербий лазер

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.

.1 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:

W_{p (}N₁-n₁) - W_trn_{1 -} n₁/t_Yb = 0 (1),

W_trn₁ - n₂/t_Er = 0 (2),

s_a (N₂-n₂) + s' N₂ = s_en₂ (3).

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

W_tr - эффективная скорость переноса энергии от доноров Yb³⁺ к активным центрам Er³⁺:

W_tr = W_m+ g² (4),

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

g = 4/3p^3/2 (C_da) ^1/2N₂ (1-b) (5),

а W_m - скорость миграции возбуждений донорам:

W_m = p (2p/3) ^3/2 (C_ddC_da) ^1/2N₁N_{2 (}1-b) (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).

t_Er, t_Yb - время затухания люминесценции акцепторов Er³⁺ и доноров Yb³⁺, соответственно.

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

n₂/N₂ = b = b_min + b_out = s_a/ (s_a+s_e) + T/ (2N₂L (s_a+s_e)) (7),

где

b_out = T/ (2N₂L (s_a+s_e)) (8)

относительные выходные потери за полный проход резонатора.

n₁/n₂ = 1/ (t_ErW_tr) (9).

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

 (10),

где h = W_tr/ (W_tr+1/t_Yb) (11) - квантовый выход переноса энергии Yb - Er.

В иттербий эрбиевых средах, как правило, выполняется соотношение (N₁/N₂t_ErW_tr/b) >>1, поэтому уравнение (10) существенно упрощается:

W_p=N₂b/ (N₁t_Erh) (12)

Принимая во внимание, что плотность мощности на пороге генерации

I_p = W_phc/ (l_ps_p) (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 s_p*=h s_р. Выражение (14), несмотря на внешнее сходство с аналогичным выражением для порога генерации одноактивированной среды, отличается от него тем, что величина , которая стоит в знаменателе, содержит в себе скорость переноса энергии.  зависит от инверсии населенности bи падает при повышении этого параметра. В результате порог генерации сверхлинейно связан с параметром  По тем же причинам порог генерации сенсибилизированной среды экстремально зависит от параметра N_{2 (}см. рисунок 1).

1.2 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 ⁴I_11/2 акцепторами Er³⁺, в результате которого система поднимается до уровня ⁴S_3/2 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 ⁴I_11/2 Er³⁺, а она, в свою очередь, прямо зависит от его времени жизни. Поскольку в боратах вследствие сильно выраженной многофононной безызлучательной релаксации время жизни уровня ⁴I_11/2 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 ⁴I_13/2 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 ⁴I_13/2 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 b_min в CBFB низкий (см. табл.), то, как показывает анализ, приведенное сечение поглощения s_p*=h s_р остается высоким и в этом случае. Параметр трехуровневости (минимальные трехуровневые потери) b_min 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.