Введение к работе
Актуальность темы
Несмотря на более чем полувековую историю лазеров, поиск и исследование новых твердотельных лазерных материалов остается весьма актуальной задачей. В последнее время все большее внимание исследователей привлекают активированные висмутом стеклообразные среды. Интерес к ним связан с широкополосной ИК люминесценцией в спектральной области 1.1 - 1.6 мкм и большим временем ее жизни (500-700 мкс), обнаруженной японскими исследователями Fujimoto Y. и Nakatsuka М. в 2001 году [1]. В 2005 году Е.М. Диановым с сотрудниками была продемонстрирована возможность получения непрерывной лазерной генерации на нескольких длинах волн в спектральном диапазоне 1.15 - 1.3 мкм на волоконном световоде длиной около 80 м из алюмосиликатного стекла с висмутом, изготовленном методом MCVD [2]. К настоящему времени область длин волн генерации уже практически перекрывает диапазон 1.15 - 1.55 мкм, КПД достигает значений 60%, а коэффициент усиления составляет ~ 25 дБ [3]. Достигнутые параметры делают висмутовые волокна перспективными для многих приложений. Наиболее интересно их применение в усилителях широкополосных волоконных линий связи. Несмотря на достигнутый значительный прогресс в области висмутовых волоконных лазеров, целый ряд важных научных и технологических вопросов, связанных с активированными висмутом стеклообразными материалами, остается нерешенными. К ним относятся природа висмутовых центров, устоявшегося общепринятого мнения на которую пока нет, (так, например, на момент начала настоящей работы в литературе преобладала точка зрения, что ИК люминесценция обусловлена одиночными ионами Bi ), генерация в волокнах получена только при очень низких концентрациях оксида висмута (менее 0.01% мол.), точное значение которой остается неизвестным, несмотря на многочисленные сообщения о значительных коэффициентах «on/off» усиления, лазерной генерации в легированных висмутом объемных образцах стёкол до сих пор не получено. Существует сильная зависимость спектрально-люминесцентных свойств синтезируемых стекол от технологических условий, но систематические исследования этого влияния практически отсутствуют. В связи с этим необходимо обратить внимание на существенные отличия в технологии изготовления объемных образцов и волокон (которые практически все изготовлены с использованием довольно сложного метода MCVD). В
литературе практически отсутствует количественная информация о таких важных характеристиках люминесцирующего материала как квантовый выход, сечение поглощения и концентрация люминесцирующих центров.
Цель работы
Сильное влияние технологических условий синтеза на формирование ИК люминесцирующих висмутовых центров (ВЛЦ) и отсутствие систематических исследований в этой области является одной из главных причин существования многих из перечисленных выше проблем. В связи с этим поиск подходящего состава модельного стекла и исследование его спектрально-люминесцентных свойств в зависимости от условий синтеза имеет важное научное и прикладное значения для целенаправленного создания висмутовых лазерных сред. Это и являлось основной целью настоящей работы.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Разработать простое по составу модельное висмутсодержащее стекло на
силикатной основе, обладающее спектрально-люминесцентными свойствами
близкими к свойствам генерирующих легированных висмутом
алюмосиликатных волокон и отвечающее следующим условиям: возможности
воспроизводимо получать образцы стекол нормального оптического качества в
широком диапазоне температур плавления 1400-1850С, возможности
варьирования концентрации висмута в диапазоне 0.0- 2.0 мол.%, возможности
получать на его основе оптические волокна с использованием относительно
простого метода "powder in tube".
2. Разработать лабораторные методики синтеза ИК люминесцирующих
висмут-содержащих Mg-Al- силикатных стекол в иридиевых и корундовых
тиглях.
-
Исследовать влияние технологических условий синтеза и концентрации активатора на формирование в расплаве люминесцирующих центров и их спектрально-люминесцентные свойства.
-
Провести сравнительные исследования ВЛЦ, формирующихся в процессе плавления стекла и под воздействием ионизирующего излучения.
Научная новизна и практическая ценность
1. Найден состав относительно легкоплавкого стекла, которое при легировании висмутом проявляет спектрально-люминесцентные свойства,
близкие к свойствам легированных висмутом алюмосиликатных генерирующих волокон, получаемых методом MCVD. Состав позволяет варьировать в широких пределах концентрацию активатора и температуру синтеза стекла. Разработаны методики его синтеза в иридиевых и корундовых тиглях.
2. Выявлены закономерности влияния технологических условий синтеза
(концентрации активатора, температуры, состава атмосферы над расплавом,
материала тигля, введения влияющих на окислительно-восстановительный
баланс добавок) на формирование в Mg-Al-силикатном стекле
люминесцирующих центров и на их спектрально-люминесцентные свойства.
3. Установлено, что висмутовые ИК люминесцирующие центры формируются
в расплаве стекла в результате эндотермической обратимой окислительно-
восстановительной реакции и определена энтальпия их образования.
4. Обнаружена и интерпретирована нелинейная концентрационная
зависимость поглощения и интенсивности ИК люминесценции висмутовых
центров в стекле.
5. Исследована зависимость равновесной концентрации висмутовых центров
от состава атмосферы над расплавом и экспериментально определен их
эффективный заряд.
-
Экспериментально определено сечение поглощения висмутовых ИК люминесцирующих центров и оценена их абсолютная концентрация в стекле.
-
Показано, что висмутовые центры, формируемые ионизирующим излучением в твердом стекле при комнатной температуре, спектрально идентичны тем, что образуются в расплаве стекла при его синтезе.
Апробация работы и публикации
Материалы, изложенные в диссертации, докладывались на 3 Российских и 12 Международных научных конференциях, а также неоднократно на научных семинарах и конкурсах молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН. Доклады диссертанта на конкурсах молодых ученых НЦЛМТ ИОФ РАН дважды занимали первые места.
По теме диссертации опубликованы 8 статей в рецензируемых журналах, входящих в Перечень ведущих журналов и изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ. Список публикаций по теме диссертации приведён в конце автореферата.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 121 странице машинописного текста, содержит 50 рисунков и 10 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 88 наименований.
Личный вклад автора
Диссертационная работа является результатом пятилетней работы автора в Лаборатории концентрированных лазерных материалов НЦЛМТ ИОФ РАН в качестве студента-дипломника, аспиранта и младшего научного сотрудника. Коллективный характер экспериментальных работ обусловил публикацию полученных результатов в соавторстве с коллегами. Все основные результаты, представленные в диссертации, получены автором лично или при его непосредственном участии. Работа выполнялась в рамках Программы Президиума РАН П 24 и поддерживалась грантами РФФИ 08-02-01054-а, 11-02-01065-а, 11-02-91161-ГФЕН_а.
