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

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
p, (m)	0.97	0.90	0.97	0.93	0.92
p, (10-21cm2)	2.00	4.00	4.00	5.4	11.0
em, (m)	1.53	1.54	1.56	1.56	1.59
a (10-21cm2)	5.2	3.6	4.4	4.0	1.2
e (10-21cm2)	5.0	4.0	5.2	6.5	5.0
min	0.51	0.47	0.46	0.38	0.2
Er 4I11/2 (s)	1	<0.1	<0.1	0.42	<0.1
Er 4I13/2 (ms)	9.0	0.68	0.9*	0.98
Yb (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
min. 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.

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 безизлучательных 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, τ=7,5мс (для состояния ⁴I_11/2) и τ=5,3мс (для состояния ⁴I_13/2).

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 ²F_5/2. Затем он релаксирует в основное состояние ²F_7/2, при этом безызлучательно передавая энергию ближайшему иону акцептора, который переходит в состояние ⁴I_11/2. Помимо передачи энергии, ион акцептора Er³⁺ может поглотить квант возбуждающего излучения напрямую и также перейти в состояние ⁴I_11/2, 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 ⁴I_11/2 Er³⁺, то акцептор перейдет в состояние ⁴F_7/2, откуда безызлучательно релаксирует на состояние ⁴S_3/2, и, затем, перейдет в основное состояние, испустив при этом люминесценцию в зеленой части спектра. Если же время жизни метастабильного уровня ⁴I_11/2 окажется меньше времени, через которое произойдет вторая передача энергии, то ион Er³⁺ успеет релаксировать в более долгоживущее состояние ⁴I_13/2. Тогда последующая передача энергии от донора переведет акцептор в состояние ²F_9/2, 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.

Рисунок 6 - Фотография исследуемого образца LiNbO₃:Yb,Er

Рисунок 7 - Распределение концентрации оптической примеси Yb³⁺ и Er³⁺ 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.

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

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.

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

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.

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

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, работающее 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.

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

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.

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

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.

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

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.

Рисунок 15 - Принципиальная схема измерений мощности оптического излучения

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.

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.

Рисунок 18 - Спектр излучения лазерного диода

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).

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

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

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

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

=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.

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, 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

2.      V.A. Lebedev et al., J. Luminescence, 72-74 (1997) 942.

3.      V.A. Lebedev et al., Optics and Photonic Series, S.A. Pain and C. R. Pollock eds., Vol.1 (1996) p.460.

.        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.

.        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)

.        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

.        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

.        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.

.        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

.        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.