Дипломная (вкр): Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+

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. Встроенный контроллер обеспечивает также 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.

- малогабаритный осветитель; 2 - кристаллический образец; 3 -кристаллодержатель; 4 - монохроматор МДР-204; 5 - приемник ФПУ ПЗС;

- персональный компьютер.

Рисунок 8 - Блок-схема экспериментальной установки

Параметры монохроматора и фотоприемного устройства (ФПУ ПЗС) представлены в таблицах 3, 4.

Таблица 3 - Параметры монохроматора МДР-204

Таблица 4 - Параметры ФПУ ПЗС        

Таблица 5 - Технические характеристики ФПУ ПЗС для разных дифракционных решоток

Данные параметры необходимо вводить вручную в окно программы, в соответствии с руководством пользователя при смене решеток при работе с

программой управления фотоприемным устройством на основе ПЗС-линейки в спектральных диапазонах, близким к тем, где производилась калибровка на фирме-изготовителе. При работе в других спектральных диапазонах необходимо производить калибровку по длине волны.

.2 Экспериментальные данные

.2.1 Спектры поглощения эрбия

Ионы Er3+ имеют разветвленную схему энергетических состояний, поэтому оптические материалы, легированные этой примесью демонстрируют наличие полос поглощения в различных спектральных диапазонах. В целях использования эрбия как лазерного оптического центра наибольший интерес вызывает поглощение видимого диапазоны и ИК диапазона.

При исследовании спектров поглощения образцов использовалась оптическая схема, представленная на рисунке 9. В качестве осветителя использовалась ксеноновая лампа, а в качестве приемника оптического излучения выступала ПЗС матрица. В качестве исследуемого образца использовалась пластинка градиентно активированного кристалла LiNbO3:Yb,Er в котором концентрация оптических центров изменялась по заданным законам. Вид концентрационных профилей представлен на рисунке 9.

На рисунке 9 представлены спектры поглощения Er3+ в кристалле LiNbO3 в области 500-600 нм, измеренные в различных координатах кристалла.

На рисунке 11 представлены спектры поглощения ионов Yb-Er исследуемого образца в области 800-1000нм. Из-за сильного перекрывания полос поглощения оптических центров в указанном диапазоне выделить поглощения только иона Er не представляется возможным, поэтому на рисунке представлен суммарные спектры поглощения, измеренные в различных координатах исследуемого образца.

Для телекоммуникаций интерес представляют оптические переходы ионов Er, связанные с 1,5 мкм излучением. В этом диапазоне эрбий имеет не только излучение, но и поглощение, которое определяет спектральный диапазон усиления и его центральную полосу.

На рисунке 12 представлен спектр поглощения ионов эрбия в области 1,5 мкм.

Спектры поглощения, и их форма обусловлены всеми возможными переходами между энергетическими состояниями уровней 4I15/2 - 4I13/2. Поскольку между этими уровнями существует 56 возможных переходов, то внешнее окружение и воздействие со стороны кристаллического поля на оптические центры оказывают решающую роль в матрице относительно форму спектральных полос.

.2.2 Спектры излучения ионов Er

Получение спектров излучения ионов эрбия в исследуемых образцах происходило по оптической схеме, представленной на рисунке 13. В качестве источника накачки оптического излучения выступал полупроводниковый лазерный диод с длиной волны генерации 980 нм. Регистрация спектров происходила при помощи ФПУ - PbS и ПЗС матрицы (для видимого диапазона). Выбор схемы накачки эрбиевых лазеров обусловлен поглощением оптических центров в области 0.9-1 мкм, соответствующий переходу 4I15/2 - 4I13/2.

.

Известные процессы ап-конверсии оптического излучения ионов эрбия определяют излучение оптической матрица в видимом диапазоне спектра, при условии накачки оптической системы в 980 нм.

На рисунке 14-15 представлены спектры излучения в области 500-700 нм исследуемых образцов. Поскольку нас не интересует детальное изучение люминесценции в данном спектральном диапазоне, мы не производили сканирование излучения по длине кристаллической матрицы. Спектр приведен для произвольной координаты исследуемого образца.

Представленные спектры излучения показывают, что интенсивность зеленой люминесценции исследуемых образцов почти в 4 раза выше, чем интенсивность красного излучения.

Из представленного рисунка видно, что излучение в ИК диапазоне эрбия имеет широкую полосу и достаточную интенсивность люминесценции.

На рисунке 17 представлены спектры люминесценции в кристалле LiNbO3:Er измеренные в различных точка кристалла для интересующего нас спектрального диапазона 1400-1700 нм.

На диаграмме отчетливо видно, что интенсивность спектров измеренных в различных точках кристалла убывает по мере удаления от начальной координаты. Эта особенность заключается в том, что интенсивность спектральных полос, прямо пропорционально зависит не только от концентрации ионов Er3+, но и от концентрации Yb, который выступает в качестве донора.

Для определения корреляции интенсивности оптического сигнала с концентрацией оптических центров, нами была рассчитана суммарная энергия излучения оптических центров Er в зависимости от координаты кристалла, где проводились измерения.

Для этого, нам необходимо было разложить интегральный спектр излучения на отдельный гауссовые компоненты и просуммировать их аналогично тому, как приведено на графике рисунка 18.

Зависимость интегральной спектральной энергии излучения ионов Er от координаты исследований приведена на графике рисунка 19.

На рисунке 20 представлена корреляция энергии излучения оптической системы в области 1,5 мкм от концентрационного профиля оптических центров Yb3+.

Из представленной зависимости можно сделать вывод, что характер изменения интенсивности излучения 1,5 мкм в исследуемом градиентно активированном образце имеет высокую корреляцию с концентрционным профилем доноров.

На рисунке 21 представлен график соотношения интенсивности излучения кристаллов ниобата лития различного состава и боратного стекла в спектральной области 1,5 мкм.

.3 Обсуждение полученных результатов

Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что при накачке на длине волны 980нм в кристалле LiNbO3:Er наблюдается люминесценция ионов Er3+ на длине волны в районе 1,5 мкм, что характерно для материалов используемых в качестве активной среды для усилителе типа . Также при анализе спектров люминесценции выяснилось, что интенсивность люминесценции убывает по длине кристалла. Это явление связано с тем, что концентрация ионов эрбия возрастает, при этом возникает эффект ап-конверсии. При возникновении данного эффекта образуются, так называемы, кластеры в которых ионы легирующий примеси находятся близко друг к другу. В таких случаях возникает вероятность безызлучательного обмена энергией между оптическими центрами, что приводит к уменьшению интенсивности люминесценции.

Заключение

 Основные результаты дипломной работы состоят в следующем:

Исследованы основные актуальные проблемы по теме «Исследование спектрально - кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+.»

Проанализированы основные методы получения спектров поглощения и люминесценции в кристаллах LiNbO3:Er, основанные на использовании лабораторного комплекса на базе монохроматора МДР-204.

Получены и проанализированные экспериментальные данные в виде спектров люминесценции ионов эрбия в кристалле LiNbO3:Er, которые подтверждают, что при увеличении концентрации данных ионов, интенсивность люминесценции уменьшается. Это явление связанно с процессом ап-конверсии, при котором ионы Er3+, образуют кластеры, при этом возникает вероятность безызлучательного обмена энергией между данными ионами, что в свою очередь приводит к уменьшению интенсивности люминесценции.

Список использованных источников

Желтиков А. М. Оптика микроструктурированных волокон / А.М Желтиков. - Москва: Наука, 2004. - 94 стр.

Шумкова Д. Б. Специальные волоконные световоды: [уч. Пособие] / Д. Б. Шумкова., А. Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политех, ун-та, 2011.- 178 с.

Мендез А. Справочник по специализированным оптическим волокнам/ А. Мендез, Т. Ф. Морзе. - Москва: Техносфера, 2012. - 728 с.

Варакса Ю. А. Температурная зависимость отношения интенсивностей полос апконверсионной флуоресценции активированных ионами эрбия кристаллов YVO[4] и YGdVO[4] и свинцово-фторидных наностеклокерамик / Ю. А. Варакса // Оптика и спектроскопия. - 2015. - Т. 118, № 1. - С. 146-150

Бурков В. Д. Научные основы создания устройств и систем волоконно-оптической техники / В.Д. Бурков, Г.А. Иванов. - Москва: Изд-во МГУЛ, 2008. - 332 с.

Асеев В. А. Спектрально - люминесцентные свойства прозрачной свинцовофторидной наностеклокерамики, активированной ионами эрбия / В. А Асеев, В. В. Голубков, А. В. Клементьева. // Оптика и спектроскопия. - 2009. - Т. 106. - № 5. - С .770-775.

Примесная фотопроводимость эпитаксиальных слоев Si:Er/Si / А. В. Антонов, К. Е. Кудрявцев, Д. В. Шенгуров, В. Б. Шмагин. // Сборник тезисов XI Российской конференции по физике полупроводников: Санкт-Петербург. - 2013. - С. 356.

Андреев Б. А. Диодные светоизлучающие структуры Si:Er/SOI / Б. А. Андреев, З. Ф. Красильник, Д. И. Крыжков. // Труды XVI международного симпозиума “Нанофизика и Наноэлектроника”: Нижний Новгород. - 2012. - Т. 1. - С. 293.

Антонов, А. В. Особенности примесной фотопроводимости в эпитаксиальных диодах Si:Er/Si / А.В. Антонов, К.Е. Кудрявцев // Физика и техника полупроводников. - 2013. - Т. 47, №11. - с. 151.

Concentration of Er3+ ions contributing to 1.5-µm emission in Si/Si:Er nanolayers / N.Q. Vinh, S. Minissale, H. Vrielinck, T. Gregorkiewicz. // Phys. Rev. B. - 2014. - Vol. 76. - P. 39.

Ремизов, Д. Ю. Ударное возбуждение ионов эрбия в кремниевых светодиодных структурах, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии: дис… канд. физ.-мат. наук: 05.27.01 / Ремизов Дмитрий Юрьевич. - Нижний Новгород, 2015. - 159 с.

Yuan, H. Detection of a shallow level in a semiconductor by admittance spectroscopy / H. Yuan, H. Zhang, F. Lu // Semic. Sci. Technol. - 2013. - Vol. 24. - P. 85.

Андреев, Б. А. Особенности фотолюминесценции эрбия в кремниевых структурах, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии / Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник // ФТТ. - 2001. - Т. 43, №6. - С. 979-984.