WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

В отличие от ионов редкоземельных элементов, в электронной конфигурации атома висмута содержатся заполненные f и d оболочки, поэтому спектроскопия в видимом и ближнем ИК диапазоне определяется валентными 6s и 6p электронами. Следовательно, оптические свойства ионов висмута сильно зависят от кристаллического окружения, а спектральные полосы должны быть широкими по сравнению с ионами редкоземельных элементов. Спектроскопия иона Bi2+ в разных кристаллах характеризуется тремя широкими полосами в спектре возбуждения с максимумами в области 250-365 нм, 413-470 нм и 500-622 нм и единственной полосой люминесценции с максимумом на 586-639 нм и временем жизни ~мкс. Аналогично иону Bi2+, оптические свойства иона Bi3+ также сильно зависят от структуры кристалла и его координации. Спектр возбуждения состоит из двух полос со спектральным положением 216-265 нм и 240-нм, а люминесценция имеет время жизни ~1 мкс и максимум полосы от 290 до 480 нм. Люминесценция иона висмута Bi+ в кристалле RbPb2Clимеет максимум в области 1080 нм и время жизни 140 мкс. При этом в спектре поглощения наблюдаются разрешенные по спину и запрещенные по четности переходы между уровнями p-оболочки.

Абсорбционные и люминесцентные свойства висмутовых центров в силикатных, германатных, фосфатных и боратных стеклах зависят от множества параметров, таких как: состав стекла, технологии изготовления, длина волны возбуждения, концентрации висмута. При этом широкие полосы поглощения и люминесценции обладают сложной структурой.

Спектры поглощения состоят из четырех широких полос с максимумами около 500, 700, 800 и 1000 нм, причем точное спектральное положение и форма данных полос зависит от состава стекла. В стеклах, активированных висмутом с обязательным легированием оксидом Al и дополнительным легированием оксидами щелочных и щелочноземельных металлов, наблюдается широкополосная ИК люминесценция с максимумом в области 1050-1420 нм, шириной полосы до 510 нм и временем жизни от 100 до ~мкс. Данная люминесценция покрывает спектральный диапазон от 900 до 2000 нм. Анализ опубликованных спектров определенно указывает на сложную структуру спектра ИК люминесценции. Состав и интенсивность компонент спектра люминесценции зависят от многих параметров: состав стекла, технология изготовления, концентрация висмута, длина волны возбуждения. В ряде работ помимо ИК люминесценции наблюдалась «красная» люминесценция в области 650 – 750 нм при возбуждении 500 – нм. Время жизни люминесценции составило 3.62-14.6 мкс. Свойства данной люминесценции зависят от состава стекла и длины волны возбуждения, что говорит о многокомпонентной структуре данной люминесценции. Помимо «красной» и ИК люминесценций в оксидных стеклах наблюдается «синезеленая» люминесценция со спектральным положением 408-440 нм и шириной до 160 нм. Спектр возбуждения «сине-зеленой» люминесценции состоит из двух полос на 313 и 381 нм, что соответствует двум переходам иона Bi3+ в кристаллах.

К настоящему моменту выдвинуто большое количество различных моделей висмутовых центров, но ни одна из них не подтверждена полностью и не описывает все спектральные свойства стекол, легированных висмутом.

Ионы Bi+, Bi5+, нейтральные и отрицательно заряженные димеры Bi2, Bi2- и Bi22-, молекула BiO, комплексы вида {[AlO4/2]–, Bi+} и точечные дефекты сетки стекла были предложены в качестве возможных источников ИК люминесценции. В свою очередь, в качестве источника «красной» люминесценции рассматривается ионы Bi5+ и Bi2+, причем в первом случае ИК и «красная» люминесценции принадлежат одному иону, а вот втором – разным.

На основании анализа многочисленных публикаций можно сделать вывод о том, что исследование стекол, активированных висмутом, имеет большое научное и прикладное значение для освоения спектрального диапазона 1150-1500 нм. Можно сформулировать несколько основных вопросов, ответы на которые могут прояснить природу активных висмутовых центров:

1) Принадлежат ИК и «красная» люминесценции одному активному центру или разным 2) Принадлежат полосы поглощения и люминесценции одному висмутовому центру или нескольким Какова природа образования этих центров: это разные типы активных ионов висмута или нескольких конфигураций одного иона, находящихся в разных кристаллических окружениях 3) Какова роль окружения в формировании активного висмутового центра 4) Какова возможная структура активного висмутового центра В связи с вышеизложенным, представляется несомненно интересным с фундаментальной и практической точек зрения провести комплексное спектроскопическое исследование оптических свойств алюмо- и фосфоросиликатных волоконных световодов, легированных висмутом, с целью идентификации активных висмутовых центров и изучения их природы.

Вторая глава диссертации посвящена описанию процесса изготовления волоконного световода, техники эксперимента и использовавшихся методов исследования.

Исходя из специфики технологического процесса изготовления световодов, можно перечислить набор ключевых параметров, вариация которых может оказывать сильное влияние на оптические свойства висмутовых волоконных световодов:

1) Метод изготовления световода (MCVD, SPCVD) 2) Концентрация висмута и способ легирования (из газовой фазы или пропитка) 3) Концентрация алюминия 4) Состав стекла сердцевины (дополнительное легирование) 5) Плотность пористого слоя (зависит от температуры спекания слоя) 6) Температура и скорость вытяжки волоконного световода.

7) Параметры световода (одномодовый, многомодовый) Влияние всех вышеперечисленных параметров на абсорбционные и люминесцентные свойства висмутовых световодов целенаправленно не исследовалось и требует всестороннего изучения.

Световоды и соответствующие им объемные заготовки исследовались с помощью следующих основных методов: спектроскопия оптического поглощения и люминесценции, измерение рассеяния и насыщения поглощения, рентгеновский микроанализ и рентгеноэлектронная спектроскопия. Для изучения внешних воздействий на световоды использовались методики температурных измерений и термообработки, а также облучения УФ и видимым лазерным излучением.

В третьей главе приведены результаты систематических исследований абсорбционных и люминесцентных свойств алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, в зависимости от перечисленных во второй главе ключевых параметров.

Вначале описываются характеристики и параметры исследуемых световодов, представлены профили показателя преломления и профили концентраций висмута, алюминия и дополнительных легирующих примесей, измеренные как в заготовке, так и в световоде. Методами рентгеновского микроанализа, рентгеноэлектронной спектроскопии, спектральными методами проведена оценка концентрации АВЦ, которая составляет ~0.ат.% или ~61017 см-3 в световодах с лучшими оптическими параметрами.

Спектры поглощения характеризуется набором широких полос со спектральным положением в области 500, 700, 800, 1000 и 1400 нм, которые обусловлены абсорбционными переходами АВЦ (рис. 1). Исследовано влияние указанных выше параметров на спектральное положение, форму и интенсивность полос поглощения. Проведен анализ спектров оптических потерь для алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, с целью получения световода, обладающего максимальной концентрацией АВЦ и минимальными пассивными потерями. Максимальная интенсивность полос поглощения активных висмутовых центров по отношению к уровню пассивных потерь достигается в алюмосиликатных световодах с сердцевиной, не содержащей германий и фосфор, легированной оксидом алюминия в концентрации 2.5-4.5 мол.% и концентрацией активных висмутовых центров, которая соответствует уровню около 5 дБ/м в максимуме полосы поглощения на 1000 нм. Использование метода пропитки солями висмута пористого слоя стекла, плотность которого характеризуется температурами спекания 1510-1530оС, позволяет повысить стабильность и воспроизводимость оптических свойств световодов. Вариация параметров вытяжки и диаметра сердцевины световодов существенно не меняет оптические свойства данных световодов.

U16 [нет] Зависимость от концентрации висмута OO-18 [<0.02 ат.%] OO-10(1) [<0.02 ат.%] U21 [<0.02 ат.%] U12 [<0.02 ат.%] U2 [0.025 ат.%] OO-5 [0.3 ат.%] 0,0,400 600 800 1000 1200 1400 Длина волны, нм Рис. 1 Спектры оптических потерь для алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, в зависимости от концентрации висмута.

Исследование спектров поглощения в УФ области и сравнение профилей концентрации висмута, поглощения на длине волны 240 нм и интенсивности люминесценции на длинах волны 740 и 1080 нм показало, что в сердцевине световода присутствуют как АВЦ, так и ионы Bi3+, которые характеризуются тремя полосами поглощения в УФ области (~240, 280 и нм). Их распределение по сечению сердцевины заготовки и световода одинаково и пропорционально профилю полной концентрации висмута.

Измерен уровень остаточных потерь в световоде при высокой интенсивности излучения на различных длинах волн в полосах поглощения 500 и 1000 нм, который составляет ~30% от уровня поглощения малого сигнала. Проведено сравнение данных результатов с работами других авторов. Оценка уровня пассивных потерь показала, что остаточные потери не могут быть полностью описаны только пассивными потерями.

Остаточное поглощение, которое на порядок больше пассивного поглощения, увеличивается с ростом концентрации АВЦ и может быть обусловлено поглощением из возбужденного состояния и ап-конверсией, Коэффициент поглощения, дБ/м однако данный вопрос требует более детального и обстоятельного исследования.

Методом интегрирующей сферы измерен уровень рассеяния в световодах с малой концентрацией висмута в стекле сердцевины. Показано, что доля рассеяния не превышает нескольких процентов от величины полных потерь в видимой части спектра. Поэтому пассивные потери в видимой и ИК областях спектра обусловлены поглощением OH-группами и, по-видимому, примесями и центрами окраски. В настоящей работе в алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, уровень пассивных потерь снижен до 10-13 дБ/км на длинах волн 1.3 и 1.55 мкм. Данный уровень пассивных потерь существенно ниже, чем в аналогичных световодах, изготовленных методом MCVD и представленных в работах других авторов.

Проведено исследование спектров люминесценции в зависимости от состава стекла сердцевины, технологии изготовления световода, концентрации алюминия и висмута. Во всех алюмосиликатных световодах, легированных висмутом, наблюдались две широкие полосы с максимумами на ~750 и ~1080-1150 нм c шириной полос на уровне половины от максимума около 100 и 200 нм, соответственно (рис. 2). При возбуждении в полосы поглощения 500, 700 и 800 нм в спектре люминесценции наблюдаются две полосы: «красная» и ИК люминесценция, а возбуждение в широкую полосу поглощения 1000 нм приводит к появлению только ИК люминесценции.

Источником данной люминесценции являются активные висмутовые центры (АВЦ).

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния температуры и высокотемпературной обработки, а так же мощности и длины волны возбуждения на абсорбционные и люминесцентные свойства АВЦ в алюмосиликатных световодах. Экспериментально показана многокомпонентная структура полос поглощения и люминесценции.

Аппроксимация гауссовыми функциями спектров поглощения и люминесценции и согласованный анализ полученных данных позволили определить параметры 11 абсорбционных и 8 люминесцентных переходов, наблюдаемых в алюмосиликатных световодах с висмутом.

Зависимость от состава стекла сердцевины 1,в мол.%:

OO-10(1) [3.0Al2O3] 1, OO-50(1) [2.7Al2O3+1.0GeO2] OO-35(1) [2.0Al2O3+1.0GeO2+1.0P2O5] 1, =514нм возб 0,0,0,0,0,600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 Длина волны, нм Рис. 2 Спектры люминесценции при возбуждении на 514 нм для алюмосиликатных световодов, легированных висмутом, в зависимости от состава стекла сердцевины.

На основе анализа температурного поведения полос в спектрах поглощения и люминесценции, а также проведенного сравнения спектров возбуждения каждой компоненты полосы люминесценции с эффективными спектрами поглощения выделено четыре вида активных висмутовых центров (рис. 3). Определен набор абсорбционных и люминесцентных переходов, принадлежащих каждому АВЦ, который характеризуется тремя полосами поглощения и двумя полосами люминесценции.

Совпадение структуры уровней и близость количественных параметров переходов позволяют рассматривать эти четыре вида как модификации одного висмутового центра в алюмосиликатном стекле. Различие между ними связаны с влиянием разных типов окружений в сетке стекла.

Оптические свойства первых двух центров обусловлены влиянием ионов алюминия с различной координацией, а свойства двух других центров могут определяться структурой сетки кварцевого стекла, образованной кольцами кремнекислородных тетраэдров с разным количеством звеньев.

Рассмотрена возможная структура активного центра, который может быть образован четырехкоординированным атомом висмута в Интенсивность люминесценции, отн.ед.

тетраэдрическом окружении атомов кислорода. При этом переходы происходят между уровнями энергии, образованными перекрытием электронных облаков атома висмута и лигандов в тетраэдре BiO4.

Абсорбционные переходы в АВЦ обусловлены разрешенными по спину синглет-синглетными переходами на три возбужденных уровня, в то время как люминесцентные переходы являются триплет-синглетными и происходят с двух возбужденных уровней на основной.

3,S2,SSS 2,STSTS670 T2 S1,5 STS1 TT1,ST1 ST0,S0 SSS0,АВЦ1 АВЦ3 АВЦАВЦРис. 3 Схема энергетических переходов для четырех АВЦ в алюмосиликатном стекле. Высота прямоугольников соответствует ширине полос поглощения и люминесценции, сплошные линии обозначают переходы при поглощении и испускании, пунктирные линии – безызлучательные переходы, цифрами указаны длины волн переходов в нм.

Энергия, эВ В пятой главе изучается влияние мощного лазерного излучения на оптические свойства активных висмутовых центров в алюмосиликатных световодах. Впервые показана возможность селективного воздействия на активные центры.

В первом эксперименте исследовались алюмосиликатные световоды, легированные висмутом, до и после насыщения водородом и облучения на длинах волн 514 и 532 нм с дозой до 800 МДж/см2, что соответствует облучению световода в течение 3 часов со средней мощностью 100 мВт.

Облучение световодов мощным лазерным излучением приводит к изменению как спектров поглощения, так и спектров люминесценции. Так, облучение на длинах волн 514 и 532 нм приводит к увеличению люминесценции в полосах 742 и 1078 нм в центре АВЦ1 (рис. 4) и росту соответствующих данному центру полос поглощения с максимумами на 522 и 670 нм.

Pages:     | 1 || 3 |






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