WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ на правах рукописи БУЛАТОВ ЛЕНАР ИЛЬДУСОВИЧ АБСОРБЦИОННЫЕ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА ВИСМУТОВЫХ ЦЕНТРОВ В АЛЮМО- И ФОСФОРОСИЛИКАТНЫХ ВОЛОКОННЫХ СВЕТОВОДАХ Специальность: 01.04.05 – Оптика, 01.04.03 – Радиофизика АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Москва – 2009 Работа выполнена на кафедре фотоники и физики микроволн физического факультета Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова и в Научном центре волоконной оптики Российской академии наук.

Научные руководители: Доктор физико-математических наук, профессор Сухоруков Анатолий Петрович Кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Машинский Валерий Михайлович Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук, профессор Салецкий Александр Михайлович Кандидат физико-математических наук Климин Сергей Анатольевич Ведущая организация: Институт радиотехники и электроники Российской академии наук.

Защита диссертации состоится «23» апреля 2009 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д.501.001.67 в МГУ имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, ГСП-1, Ленинские Горы, МГУ имени М.В.

Ломоносова, д.1, стр. 2, Физический факультет, ауд. ЦФА.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке физического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова.

Автореферат разослан «» марта 2009 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета Д.501.001.67 кандидат физико-математических наук, доцент А. Ф. Королев 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы Бурное развитие волоконно-оптических линий связи стимулирует создание волоконных широкополосных перестраиваемых источников излучения и оптических усилителей для ближнего ИК диапазона (0.8 – 1.7 мкм), совместимых с силикатными коммуникационными световодами. Так же как и в случае твердотельных лазерных источников, легирование сердцевины световода ионами редкоземельных элементов дало возможность реализовать лазерную генерацию и усиление в достаточно узких спектральных диапазонах, не покрывающих весь ближний ИК диапазон. В тоже время, лавинообразный рост объемов передаваемой информации в телекоммуникационных системах диктует активное освоение новых спектральных диапазонов. Наибольший интерес представляет спектральный диапазон 1150-1500 нм (включающий телекоммуникационные диапазоны O, E и S), который находится между хорошо освоенными диапазонами излучения волоконных лазеров на основе Nd3+, Yb3+ и Er3+ и характеризуется достаточно низкими оптическими потерями.

Значительный прогресс в освоении спектрального диапазона 1150 – нм возможен при использовании в качестве активной среды стекол, легированных висмутом, в которых наблюдается долгоживущая (до мкс) широкополосная (до 500 нм) люминесценция со спектральным положением максимума в области 1050-1420 нм, покрывающая спектральный диапазон от 900 до 2000 нм. Кроме того, широкие полосы поглощения в данных стеклах в видимом и ИК диапазонах позволяют использовать широкополосную накачку. В силикатных и германатных стеклах с висмутом была продемонстрирована возможность оптического усиления сигнала в спектральном диапазоне 1250-1350 нм и на длине волны 1560 нм. Однако лазер на основе объемных висмутовых стекол так и не был создан.

Наиболее перспективным является использование свойств стекол, легированных висмутом, в виде волоконного световода, так как волоконные лазеры и усилители обладают рядом неоспоримых преимуществ по сравнению с обычными (газовыми и твердотельными) лазерами.

Компактность, надежность, экономичность, стабильность и высокое качество выходного пучка, эффективный теплоотвод – все это преимущества цельноволоконной конструкции лазера.

Одними из наиболее широко используемых методов производства активных волоконных световодов являются методы MCVD (модифицированное химического осаждения из газовой фазы) и SPCVD (плазмохимическое осаждение из газовой фазы), которые обеспечивают низкое содержание нежелательных примесей и, как следствие, высокое оптическое качество волоконных световодов. Поэтому, на основе световодов, активированных висмутом и изготовленных методами MCVD и SPCVD, были реализованы различные типы волоконных лазеров. Так, непрерывная лазерная генерация была получена в диапазоне 1150 – 1470 нм с максимальной эффективностью генерации до 32% и выходной мощностью до 15 Вт. Также была получена импульсная генерация в режимах синхронизации мод и модуляции добротности резонатора лазера. Помимо телекоммуникационного применения, излучение висмутового лазера в режиме удвоения частоты может быть использовано для получения желтого излучения, которое необходимо в медицине и астрономии.

Несмотря на столь активное применение новой активной среды, физическая природа висмутовых центров до сих пор не установлена. Было выдвинуто большое количество достаточно противоречивых моделей активных висмутовых центров (АВЦ), но ни одна из них не подтверждена полностью и не описывает все спектральные свойства стекол, легированных висмутом. Решение данной проблемы осложняется высокой чувствительностью спектроскопических свойств висмутовых центров к составу стекла и технологическим условиям изготовления. Поэтому особый интерес в данном контексте представляет исследование волоконных световодов, так как специфические условия их изготовления, оказывают существенное влияние на структуру стекла, что может приводить к изменению силы кристаллического поля и степени упорядоченности окружения для висмутовых центров. Существенно новая информация о природе АВЦ может быть получена при изучении влияния внешних воздействий, таких как изменение температуры и облучение мощным лазерным излучением, на оптические свойства стекол и волоконных световодов, активированных висмутом.

Невысокая эффективность генерации висмутовых лазеров по сравнению с эрбиевыми и иттербиевыми волоконными лазерами может быть связана с значительными остаточными потерями, которые могут быть обусловлены как пассивными потерями (паразитное поглощение примесями, рассеяние), так и процессами в самих активных центрах (поглощение из возбужденного состояния и ап-конверсия). Данные о природе остаточных потерь могут быть получены при изучении спектроскопических свойств световодов, легированных висмутом, в зависимости от состава стекла сердцевины и технологических параметров изготовления световодов.

Цель работы Целью настоящей работы является детальное спектроскопическое исследование оптических свойств алюмо- и фосфоросиликатных волоконных световодов, активированных висмутом и изготовленных методами MCVD и SPCVD; выяснение природы оптических потерь и последующее их снижение; классификация абсорбционных и люминесцентных переходов активных висмутовых центров в световодах, идентификация и изучение природы висмутовых центров; исследование возможности фотоиндуцированного изменения оптических свойств висмутовых центров.

Для достижения поставленной цели были определены следующие основные направления исследований:

1) Исследование влияния методов, технологических условий изготовления световодов, концентраций висмута и алюминия, а также других легирующих примесей, параметров световодов на абсорбционные и люминесцентные свойства АВЦ.

2) Анализ экспериментально наблюдаемых полос в спектрах поглощения и люминесценции, определение возможных зарядовых состояний висмута в световодах.

3) Определение структуры оптических потерь и оценка вклада каждого механизма в общий уровень потерь.

4) Исследование влияния изменения температуры и длительной высокотемпературной обработки на оптические свойства АВЦ.

5) Изучение люминесцентных свойств АВЦ в зависимости от мощности и длины волны возбуждения люминесценции.

6) Исследование влияния ультрафиолетового и видимого излучений на абсорбционные и люминесцентные свойства АВЦ.

7) Исследование роли алюминия в формировании АВЦ и возможности образования АВЦ в фосфоросиликатных световодах без алюминия.

Научная новизна работы и защищаемые положения 1. Экспериментально исследованы спектры поглощения и люминесценции в алюмо- и фосфоросиликатных световодах в зависимости от методов изготовления, способов легирования висмутом, технологических условий изготовления и параметров световодов, концентраций висмута и алюминия, а также других легирующих добавок, изменения температуры и термообработки, мощности и длины волны возбуждения.

2. Показано, что при концентрациях висмута менее 0.02 ат.% доля рассеяния не превышает нескольких процентов от величины полных потерь.

Поэтому потери в видимой и ИК областях спектра преимущественно обусловлены поглощением. При этом уровень остаточных потерь в световоде при высокой интенсивности излучения составляет порядка 30% от уровня поглощения малого сигнала и не может быть описан только пассивными потерями. В алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, уровень пассивных потерь снижен до 10-13 дБ/км на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм.

3. Проведена аппроксимация гауссовыми функциями спектров поглощения и люминесценции. Получены параметры абсорбционных и люминесцентных переходов. Определен набор переходов, принадлежащих каждому активному висмутовому центру. Предложена модель четырех модификаций активного висмутового центра, свойства которых обусловлены влиянием различных типов окружения в сетке стекла.

4. Впервые обнаружена возможность селективного воздействия на активные висмутовые центры с помощью ультрафиолетового и видимого лазерного излучения. Облучение на длинах волн 514 и 532 нм приводит к увеличению интенсивности люминесценции в полосах 742 и 1078 нм, принадлежащих одному из активных висмутовых центров, а излучение нм усиливает полосы люминесценции 810 и 1350 нм, принадлежащих другому центру.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Зависимости спектров поглощения и люминесценции алюмо- и фосфоросиликатных световодов, легированных висмутом, от методов изготовления, способов легирования висмутом, технологических условий изготовления и параметров световодов, концентраций висмута и алюминия, а также других легирующих добавок, изменения температуры и термообработки, мощности и длины волны возбуждения, на основании которых установлена многокомпонентная структура полос поглощения и люминесценции.

2. Уровень рассеяния в алюмосиликатных световодах, легированных висмутом с концентрацией менее 0.02 ат.%, не превышает нескольких процентов от величины полных потерь. Поэтому потери в видимой и ИК областях спектра преимущественно обусловлены поглощением. При этом уровень остаточных потерь в световоде при высокой интенсивности излучения составляет порядка 30% от уровня поглощения малого сигнала и существенно превышает уровень пассивных потерь.

3. Параметры абсорбционных и люминесцентных переходов, полученные путем аппроксимации гауссовыми функциями спектров поглощения и люминесценции, и их классификация.

4. Модель четырех модификаций одного активного висмутового центра, свойства которых обусловлены влиянием различных типов окружения в сетке стекла, достаточно хорошо описывает спектроскопические свойства алюмосиликатных волоконных световодов, легированных висмутом.

5. Воздействие на активные висмутовые центры с помощью ультрафиолетового и видимого лазерного излучения позволяет селективно увеличивать интенсивность «красной» и ИК люминесценции различных центров.

Практическая значимость работы 1. Определены оптимальный состав и технологические условия изготовления алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, что позволит создавать световоды с большой концентрацией активных висмутовых центров и низкими пассивными потерями. Использование данных световодов в качестве активной среды в волоконных лазерах открывает возможность для повышения эффективности лазерной генерации.

2. Достигнут уровень пассивных потерь в алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, сопоставимый с уровнем потерь в волоконных световодах, легированных ионами эрбия и иттербия.

3. Предложенная модель четырех модификаций активного висмутового центра описывает связь между полосами поглощения и люминесценции, что позволяет подбирать оптимальную длину волны накачки при проектировании схемы лазера.

4. Показана возможность фотоиндуцированного увеличения интенсивности люминесценции облучением световода мощным лазерным излучением видимого и ультрафиолетового диапазона.

Апробация работы Материалы, включенные в диссертацию, докладывались на X Всероссийской научной школе-семинаре «Волны-2007» (г. Звенигород, г.) и XI Всероссийской научной школе-семинаре «Волны-2008» (г. Звенигород, 2008 г.), на международных конференциях – «32nd European Conference on Optical Communication» (Канны, Франция, 2006 г.), «XXIst International Congress on Glass» (Страсбург, Франция, 2007 г.), «15th International Laser Physics Workshop LPHYS-2008» (Тронхейм, Норвегия, 2008 г.), «3rd EPS-QEOD Europhoton conference» (Париж, Франция, 2008 г.), «34th European Conference on Optical Communication» (Брюссель, Бельгия, 2008 г.); обсуждались на научных семинарах кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ и Научного центра волоконной оптики РАН. Работа «Классификация абсорбционных и люминесцентных переходов висмутовых центров в алюмосиликатных световодах», являющаяся частью настоящей диссертации, заняла второе место на конкурсе научных работ молодых ученых НЦВО.

Публикации Результаты диссертации изложены в 14 опубликованных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, содержит 66 рисунков и 17 таблиц. Список литературы включает в себя наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении кратко излагается современное состояние проблемы, обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и направления исследований, научная новизна, защищаемые положения, практическая значимость работы, приведены сведения об апробации работы и публикациях автора. Кратко изложено содержание материалов по главам.

В первой главе представлен обзор литературы, в котором описываются основные оптические свойства ионов висмута в кристаллах, представлен обзор свойств висмутовых центров в различных оксидных стеклах и кратко рассмотрены основные существующие модели активных висмутовых центров.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»