Спектрально-люминесцентные свойства высококонцентрированных иттербий-эрбиевых стекол и наноструктурированных стеклокерамик

• Автор: Асеев, Владимир Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 195 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1 Литературный обзор
1.1. Общие представления о спектрах редкоземельных активаторов
1.1.1. Оптические спектры активаторных редкоземельных центров. Общие представления о спектрах материалов, активированных иттербием/эрбием
1.1.2. Вероятности оптических переходов внутри (4Г)К' конфигурации редкоземельных ионов. Общие представления о природе оптических переходов
1.1.3. Теория Джадда-Офельта
1.1.4. Интенсивности полос в спектрах РЗЭ кристаллов, растворов и стекол. Сверхчувствительные переходы
1.1.5. Кооперативные оптические явления
1.1.6. Миграция энергии возбуждения. Сенсибилизация люминесценции
1.1.7. Ап-конверсионные процессы
1.2. Современные высококонцентрированные лазерные стекла и стеклокерамики, активированные ионами иттербия и эрбия
1.2.1 Высококонцентрированные фосфатные лазерные стекла
1.2.2. Лазерные полифункциональные материалы
1.2.3. Прозрачные фторидные наностеклокерамики, активированные ионами редких земель51 Глава 2. Методическая часть
2.1. Синтез и характеристики образцов
2.1.1 Бариевофосфатный ряд
2.1.2 Метафосфатный ряд
2.1.3 Ряд фото-термо-рефрактивных стекол
2.1.4 Ряд свинцово-фторидных стекол
2.2.Классические методы исследования спектрально-люминесцентных свойств стекол, активированных иттербием и эрбием
2.2.1. Методика измерения спектров поглощения и определения сечений поглощения из основного состояния и параметров Джадда-Офельта
2.2.2. Методика измерения спектров люминесценции и определения сечений вынужденного излучения по методу МакКамбера
2.2.3. Методика расчета спектров усиления/потерь
2.2.4. Методика определения времени затухания люминесценции, квантового выхода и
эффективности переноса энергии от иттербия к эрбию
2.3.Оригинальные методы исследования лазерных свойств стекол, активированных иттербий-эрбием
2.3.1. Методики измерения населенности метастабильного уровня эрбия І13/2
2.3.2. Экспериментальная методика измерения спектров усиления/потерь
2.3.3. Методика измерения влияния мощности накачки на нагрев лазерной среды
Выводы к главе
Глава 3. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства бариевофосфатных иттербий-эрбиевых стекол
3.1. Спектральные свойства. Сечения поглощения из основного и возбужденного состояния. Параметры Джадда-Офельта
3.2.Люминесцентные характеристики
3.3.Населенность на метастабильном уровне 41ц/2 иона эрбия. Коэффициент усиления
3.4.Влияние температуры активной среды и мощности накачки на форму спектров
люминесценции
Выводы к главе
Глава 4. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства метафосфатных иттербий-
эрбиевых стекол
4.1.Введение к главе

4.2.Спектральные свойства. Сечения поглощения из основного и возбужденного состояния. Параметры Джадда-Офельта
4.3. Люминесцентные характеристики
4.4. Населенность на метастабильном уровне 41 13/2 иона эрбия. Коэффициент усиления
4.5. Влияние температуры активной среды и мощности накачки на форму спектров люминесценции
4.6. Сравнение метафосфатных и бариевофосфатных стекол
Выводы к главе
Глава 5. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства полифункциональных материалов: фото-термо-рефрактивных стекол, активированных ионами иттербия и эрбия 135 Введение к главе
5.1.Спектральные свойства. Сечения поглощения из основного состояния. Параметры Джадда-Офельта. Сечения поглощения из возбужденного состояния
5.2. Люминесцентные характеристики
5.3. Населенность на метастабильном уровне 41пп иона эрбия. Коэффициент усиления
5.4. Влияние температуры активной среды и мощности накачки на форму спектров
люминесценции
Выводы к главе
Глава 6. Спектрально-люминесцентные и лазерные свойства свинцово-фторидных стекол и стеклокерамик активированных ионами иттербия и эрбия
6.1. Физико-химические свойства наностеклокерамик, активированных ионами иттербия и эрбия
6.2. Спектральные свойства
6.3. Люминесцентные свойства
6.4. Лазерные свойства
Выводы к главе
Основные результаты и выводы работы
Литература
Приложение
Введение
Актуальность. Важным направлением развития современной фотоники является миниатюризация и интеграция элементной базы волоконно- и интегрально-оптических систем (например, создание мини- и микрочип лазеров и оптических усилителей). Уменьшение веса и габаритов таких устройств возможно путем разработки и создания новых лазерных материалов, например, лазерных сред с высокой концентрацией ионов активаторов, полифункциональных лазерных материалов,
наноструктурированных стеклокристаллических материалов и т.д.
Сегодня иттербий-эрбиевые стекла и кристаллы широко используются в качестве активной среды в лазерах и оптических усилителях. Это связано, с тем, что длина волны генерации иона эрбия (1,5 мкм) является, во-первых, оптимальной для передачи информации по волоконно-оптическим линиям связи, во-вторых, лежит в безопасном для глаз диапазоне длин волн. Ион иттербия дополнительно вводится в матрицу для повышения эффективности накачки, поскольку является сенсибилизатором для иона эрбия, а также имеет интенсивную полосу поглощения в области 1 мкм, что позволяет использовать для накачки мощные полупроводниковые лазерные диоды. Типичные концентрации ионов иттербия в коммерческих иттербий-эрбиевых лазерных фосфатных стеклах составляют (19-21)хЮ20 см'3. Такие
концентрации ионов иттербия позволяют осуществлять эффективную накачку и передачу возбуждения для концентраций ионов эрбия вплоть до

1x10" см' . Дальнейшее увеличение концентрации ионов эрбия приводит к снижению эффективности безызлучательного переноса от иттербия к эрбию, что наряду с другими факторами, например ап-конверсией, концентрационным тушением, снижает эффективность лазера. Увеличение же концентрации иттербия может снизить пороги генерации, увеличить предельные концентрации ионов эрбия и улучшить генерационные свойства лазеров работающих в режиме модулированной добротности. Однако, работы по созданию и исследованию спектрально-люминесцентных и генерационных характеристик материалов с высокими (более 21x1020 см'3) концентрациями ионов иттербия практически отсутствуют. Особый же интерес представляют среды с предельными содержаниями активаторов. Например, метафосфат иттербия - среда, где ион иттербия входит основную

(“люминесцентного”) возбужденного состояния во второе, более высокое безызлучательное состояние с малым временем жизни (если оно существует у данного люминофора). Безызлучательный возврат из второго в первое возбужденное состояние связан с потерей одной порции возбуждения, т.е. в конечном счете, с потерей одного кванта возбуждающего света (в принципе, возможен случай безызлучательного перехода прямо из дважды возбужденного состояния в основное). Итак, дважды возбужденные центры являются центрами нелинейного тушения: квантовый выход их свечения, после возвращения в люминесцентное состояние, составляет половину выхода обычного возбужденного центра.
Очевидно, что число дважды возбужденных центров п должно быть пропорционально квадрату концентрации обычных возбужденных центров п, иначе говоря, число актов тушения в 1 сек. выражается в кинетическом уравнении членом ~ п~. Тогда кинетическое уравнение запишется в виде:
Если миграция происходит достаточно быстро (см. 1), а время жизни в
второй член в правой части (1.21) может быть сопоставим с первым членом или даже превосходить его. Из этого вытекает, что малое число дважды возбужденных центров, непрерывно поддерживаясь за счет миграции в статическом равновесии с обычными возбужденными центрами (даже после выключения возбуждающего света) может служить мощным каналом дополнительного тушения. Очевидно, все указанные обстоятельства учитываются коэффициентом /л (в современной терминологии Сир - коэффициент ап-конверсии).
Следует отметить, что, при интерпретации явления нелинейного тушения люминесценции, H.A. Толстой и А.П. Феофилов не рассматривали
(1.21)
дважды возбужденном состоянии очень мало (см. и), то, даже если п « п.