Механизмы фотоиндуцированного поглощения в оптоволокне, активированном иттербием

Контрольная работа по теме:

Механизмы фотоиндуцированного поглощения в оптоволокне, активированном иттербием

Фотопотемнением иттербиевых световодов называется наведение оптических потерь в результате длительного воздействия на них лазерного ИК? излучения накачки с длиной волны диапазона 920?980нм Фотопотемнение является основным фактором, ограничивающим срок службы волоконных лазеров и усилителей.

В настоящее время не разработано универсального технологического решения, позволяющего полностью исключить влияние фотопотемнения на выходные характеристики волоконных лазеров, основой которых являются активные световоды.

Величина эффекта фотопотемнения определяется уровнем населенности возбужденного состояния ионов иттербия и поэтому зависит от интенсивности излучения накачки.

Несмотря на активные исследования в данной области в течение последних 5?6 лет, механизм фотопотемнения остаётся до сих пор невыясненным, а предложенные в литературе модели этого механизма ещё являются дискуссионными.

На сегодняшний момент существует два подхода к процессу фотопотемнения.

до облучения после облучения Рис. 1 — Световод легированный Yb2O3

1. Подходы к объяснению эффекта фотопотемнения

Первый подход заключается в том, что в основе эффекта лежат фотохимические реакции с участием ионов иттербия, которые, взаимодействуя друг с другом, образуют дефекты, отвечающие за фотопотемнение. В основе второго подхода ключевая роль отведена не ионам Yb2+, а кислородо-дефицитным центрам (КДЦ). В работе предлагается модель механизма фотоиндуцированного наведения центров окраски в стекле сердцевины при воздействии квантов ИК-излучения накачки (920 — 980 нм) или УФ-излучения (короче 250 нм).

Заготовки, используемые в эксперименте. A0 — силикатное стекло, солегированное оксидом иттербия (Yb2O3/SiO2); A1 — алюмосиликатное стекло, дополнительно солегированное оксидом иттербия (Al2O3/Yb2O3/SiO2); P1 — фосфоросиликатное стекло, дополнительно солегированное оксидом иттербия (Yb2O3/ P2O5 /SiO2).

Во время облучения, в спектре образцов наблюдались изменения, свидетельствующие о переходе части ионов Yb3+ в двухвалентное. В спектрах люминесценции образцов A1 и P1 была зарегистрирована интенсивная полоса с максимумом ~ 550 нм (Рис. 2, кривые 1−4), которую связывают с переходом иона Yb2+ из состояния переноса заряда в состояние 4f14.

Полоса 550 нм (2.3 эВ) в полученных спектрах соответствует излучательной релаксации ионов Yb3+ из состояния переноса заряда на уровень 2F5/2, соответствующий возбужденному состоянию с меньшей энергией. Авторы пишут, что часть возбужденных УФ-излучением ионов Yb3+ вместо релаксации в исходное состояние образуют центры с участием Yb2+. Согласно работе [3], конверсия части возбужденных ионов Yb3+ в Yb2+ происходит в результате захвата электронов из зоны проводимости.

Рис. 2 — Спектры УФ и видимой люминесценции, полученные при возбуждении различными источниками излучения: «1» — P1, ex=193 нм; «2» -P1, ex=244 нм; «3» — A1, ex=193 нм; «4» -A1,, ex=244 нм; «5» -A1, ex=920 нм; «6» — «чистый» SiO2, ex=193 нм (пунктиром обозначены гауссовы компоненты спектра).

exдлина волны возбуждающего излучения лазера. Процесс конверсии Yb3+>Yb2 стимулируется дополнительно процессом ионизации УФ-квантами соседних с атомом иттербия КДЦ, о наличии которого свидетельствуют интенсивные полосы в спектре люминесценции в диапазоне длин волн короче 400 нм (Рис. 2). Эти полосы видны в спектре люминесценции образца из нелегированного SiO2 (Рис. 2, кривая 6)

Большинство возбужденных УФ-излучением ионов Yb3+ релаксируют в основное состояние, и процесс релаксации сопровождается ИК-люминесценцией (Рис. 4), причем спектр этой люминесценции похож на спектр излучения легированных иттербием образцов световодов, возбуждаемых накачкой с длиной волны из дипазона 920 — 980 нм [4,5]. На Рис. 3 приведены спектры ИК-люминесценции, возбужденной излучением с длиной волны 193 нм.

Рис. 3 — Спектры ИК люминесценции, полученные при возбуждении лазера ex=193 nm: «1» — A1, «2» -P1

При облучении образцов A1 и P1 лазером накачки с длиной волны 920 нм помимо интенсивной ИК-люминесценции ионов Yb3+ наблюдалась «зелёная» люминесценция с максимумом в 500 нм (кооперативная люминесценция иттербия), т. к её природу связывают с взаимодействием пары ионов Yb3+ («ионных пар»). Согласно [6], это взаимодействие может инициировать процесс конверсии части ионов Yb3+ в ионы Yb2+. Проанализировав спектры на Рис. 2, авторы выявили, что при УФ-облучении процесс восстановления иона Yb3+ до состояния Yb2+ протекает одновременно с процессом ионизации КДЦ, которые являются дополнительным источником электронов в зону проводимости. При облучении накачкой с длиной волны 920 нм не было зарегистрировано сигнала УФ-люминесценции, которая могла бы свидетельствовать о процессах, связанных с ионизацией КДЦ. Таким образом, интенсивность процесса конверсии Yb3+>Yb2+ при возбуждении ИК-излучением должна быть намного слабее, чем при УФ-облучении.

В спектрах люминесценции, полученных при УФ-облучении, зарегистрирована интенсивная полоса с максимумом 2.3 эВ, свидетельствующая о протекании процесса восстановления части ионов Yb3+ до двухвалентного состояния (Yb2+). При этом большинство ионов Yb3+, возбужденных квантами УФ-излучения, испытывают релаксацию, которая сопровождается характерной для ионов трехвалентного иттербия ИК-люминесценцией с максимумом на длине волны 975 нм (1.27 эВ). В было установлено, что возбуждение лазерным УФ-излучением с длинами волн 244 и 193 нм приводит к наведению поглощения в видимой части спектра — такого же по форме, как и при облучении на длине волны накачки 920 нм. Наведенное поглощение в видимой части спектра может быть идентифицировано как поглощение кислородо-дырочных центров, в зависимости от состава стекла — алюминиевых (Al-OHC) или фосфорных (P-OHC).

2. Обработка данных с синхротрона DESY

Ниже приведены примеры спектров ИК люминесценции иттербия трёх образцов.

Рис. 4 — Спектр ИК люминесценции образца P1 при T=9K

Рис. 5 — Спектр ИК люминесценции образца P1 при T=300K

Рис. 6 — Спектр ИК люминесценции образца A1 при T=300K

Рис. 7 — Спектр ИК люминесценции образца Yb2O3 /SiO2 при T=300K

Далее идут графики зависимости интегральной люминесценции трёх образцов от длины волны возбуждающего излучения. Примеры взятых для обработки спектров показаны на рисунках 4−7. Были проинтегрированы пики спектров ИК люминесценции иттербия, построены зависимости площади под графиком спектров от длины волны возбуждающего излучения и проведен анализ пиков интегральной люминесценции.

Рис. 8 — Зависимость интегральной люминесценции от длины волны возбуждения накачки образца Yb2O3/ P2O5 /SiO2. =196 нм Рис. 9 — Зависимость интегральной люминесценции от длины волны возбуждения накачки образца Al2O3/Yb2O3/SiO2. =196 нм Рис. 10 — Зависимость интегральной люминесценции от длины волны возбуждения накачки образца Yb2O3/ P2O5 /SiO2. =200 нм Полученный график хорошо аппроксимируется функцией Гаусса Рис. 11 — Зависимость интегральной люминесценции от длины волны возбуждения накачки образца Yb2O3/SiO2. =160 нм люминесценция лазер волна гаусс Есть одиночный резкий пик при? ex=160 нм и пологое уменьшение с локальным плато (?ex=180−210 нм), на котором значение интегральной люминесценции остается примерно одинаковой. Анализируя графики зависимости интегральной люминесценции от длины волны возбуждающего излучения (рис. 8−11), можно прийти к выводу, что при? ex=196 нм для образцов Yb2O3/ P2O5 /SiO2 (рис. 8,10), Al2O3/Yb2O3/SiO2 (рис. 9) и при? ex=200 нм Al2O3/Yb2O3/SiO2 (рис. 11) происходит наибольшая выходная интегральная интенсивность люминесценции, что в соответствует восстановлению части ионов Yb3+ до состояния Yb2+. Для образца Yb2O3/SiO2 наибольшая выходная интегральная интенсивность люминесценции наблюдается при? ex=170 нм (Eex=7,3 эВ), что соответствует взаимодействию трех ионных пар иттербия (шести близкорасположенных ионов Yb3+ с энергией возбуждения равной 7,62 эВ.

Заключение

Были изучены статьи, посвященные эффекту фотопотемнения в световодах легированных иттербием и рассмотрены основные причины фотопотемнения световодов легированных иттербием под воздействием ИК излучения накачки.

Построены примеры спектров ИК люминесценции образцов на основе данных с синхротрона DESY и проведен анализ зависимости интегральной люминесценции от длины волны возбуждающего излучения. В результате работы был сделан вывод, что пики на графиках зависимости интегральной люминесценции от длины волны возбуждающего излучения соответствуют восстановлению части ионов Yb3+ до состояния Yb2+ для образцов Yb2O3/ P2O5 /SiO2, Al2O3/Yb2O3/SiO2 и взаимодействию трех ионных пар иттербия образца Yb2O3/SiO2.

1. А. А. Рыбалтовский, С. С. Алешкина, М. Е. Лихачев, М. М. Бубнов, А. А. Умников, М. В. Яшков, А. Н. Гурьянов, Е. М. Дианов., «Фотоиндуцированное поглощение и люминесценция в волоконных световодах, легированных ионами иттербия», Квантовая Электроника, Том 41, № 12, с. 1073−1079 (2014).

2. Guerassimova N., Kamenskikh I., Krasikov D., Mikhailin V., Zagumennyi A., Koutovoi S., Zavartsev Yu., Pedrini C., «Luminescent properties of Yb-doped LaSc3(BO3)4 under VUV excitation», Radiation Measurements, 42, 874 (2008).

3. Низамутдинов А. С., Семашко В. В., Наумов А. К., Абдулсабиров Р. Ю., Кораблева С. Л., Марисов М. А., «Фотодинамические процессы в кристаллах CaF2, активированных ионами Ce3+ и Yb3+», Физика твердого тела, 47, № 8, 1403 (2012).

4. Мелькумов М. А., Буфетов И. А., Кравцов К. С., Шубин А. В., Дианов Е. М., «Генерационные параметры иттербиевых волоконных световодов, легированных P2O5 и Al2O3», Квантовая электроника, 34, № 9, 843 (2004).

5. Курков А. С., Дианов Е. М., «Непрерывные волоконные лазеры средней мощности «, Квантовая электроника, 34, № 10, 881 (2004).

6. Guzman Chavez A.D., Kir’yanov A.V., Barmenkov Y.O., Il’ichev N.N., «Reversible photo-darkening and resonant photo-bleaching of Ytterbium-doped silica fiber at in-core 977-nm and 543-nm irradiation», Laser Phys. Lett., 4, № 10, 734 (2007).

7. Реут Е. Г., «Природа люминесценции двухвалентных ионов Eu и Yb в кристаллах типа флюорита», Оптика и Спектроскопия, 40, № 1, 99 (2009).