Спектроскопия ионов неодима и празеодима в кристаллах многокомпонентных фторидов с частично разупорядоченной флюоритовой структурой Шаронов, Михаил Юрьевич

Введение к работе

Актуальность.

Большое количество оптоволоконных линий связи работет в щапазоне второго телекоммуникационного окна (1.3 мкм). Усиление :ветового сигнала в них производится с помощью электронных 'силителей с преобразованием свет-электрический сигнал и лектрический сигнал-свет.

Сравнительно недавно была продемонстрирована возможность оздания усилителя с непосредственным усилением света в оптически юзбужденной активной среде. Активной средой в таких усилителях івляются допированные эрбием стекляные волокна. Такие усилители іаботают в диапазоне третьего телекоммуникационного окна (1.5 мкм).

Так как почти все существующие линии волоконной связи работают

диапазоне второго телекоммуникационного окна (1.3 мкм) возникла адача разработки оптических усилителей для этого спектрального иапазона.

Поиски активных сред для усиления в диапазоне второго елекоммуникационного окна активно ведутся во многих сследовательских центрах мира на протяжении последних четырех ет. Основные требования предъявляемые к таким усилителям ледующие:

спектральный диапазон усиления - 1.28-1.32 микрометра коэффициент усиления - 40-60 дБ

хорошее согласование с диодными источниками накачки равномерность коэффициента усиления в указанном диапазоне.

Подавляющее количество работ посвящено активным средам на :нове стекол из-за неоднородного уширения линий в спектрах оглощения и люминесценции, способного обеспечить равномерность ээффициента усиления, и их пригодности к оптоволоконной гхнологии. Тем не менее на сегодняшний момент не существует ттического усилителя с приемлемыми характеристиками из-за ряда ринципиальных трудностей, связанных с физической основой роцессов, происходящих в квантовых усилителях указанного лапазона.

Среди редкоземельных ионов наиболее перспективными являются d³⁺ и Рг³⁺ ионы (переходы ⁴F3/2-⁴Ii3/2 и ^4^-3. соответственно, ісположенньїе в области 1.3 мкм). При использовании ионов Nd³⁺ шовным препятствием является поглощение с метастабильного эовня в диапазоне 1.3 мкм; при использовании ионов Рг³⁺ основными эоблемами являются низкая квантовая эффективность из-за ізизлучательного обеднения метастабильного .уровня (переход 4^-3) ^и очень малая величина сечения поглощения полосы ікачки (электронный переход ³H4-¹G4).

Помимо кристаллов с полностью упорядоченной структурой и стекол с отсутствием дальнего порядка, существует еще один вид оптических сред - нестехиометрические кристаллы. Они характеризуются частично разупорядоченной структурой. Наиболее распространенными среди всех нестехиометрических кристаллов являются фазы со структурой флюорита (CaF2).

Мы исследовали спектроскопическое поведение ионов Nd³⁺ и Рг³⁺ в
нестехиометрических фторидных кристаллах с CaF2 структурой, с
целью выяснения возможностей использования этой разновидности
материалов (кристаллов с частично разупорядоченной структурой) для
конструирования оптических усилителей второго

телекоммуникационного окна.

Кристаллы такого типа представляются перспективными по следующим причинам:

нестехиометрические кристаллы обладают частичной

разупорядоченностыо кристаллической структуры, что приводит к неоднородному уширеншо полос поглощения и люминесценции и, следовательно, к слабой частотной зависимости полосы усиления;

- в нестехиометрических кристаллах с флюоритовой структурой
возможно образование оптических центров разных типов, следствием
отого является зависимость оптических свойств от состава кристаллов;

- нестехиометрические кристаллы со структурой флюорита обладают
высокой изоморфной емкостью к катионам разных типов, в том числе и
к редкоземельным элементам;

- физические свойства таких кристаллов изменяются в широких
пределах с изменением их состава;

- флюоритовая структура обладает низкой фоноиной энергией и,
следовательно, низкой вероятностью безизлучательной передачи
энергии электронного возбуждения через близко расположенные
уровни:

- для флюоритовых фаз Mi__xR_xF_mri__x)+_nx разработана технология
получения оптически однородных кристаллов.

Цель работы

Конкретными задачами данной работы являлись:

проведение комплексных спектральных исследований

нестехиометрических кристаллов Mi__xR_xF_m(i__x)+_nx (M=Na, Са, Sr, Ва, Pb; R=La, Се, Gd, Y, Lu, Cd) со структурой CaF2 разного химического состава допированных ионами Nd³⁺ с целью выявления возможности использования их в качестве усилительных сред в диапазоне второго телекоммуникационного окна;

- спектроскопические исследования нестехиометрических кристаллов с
флюоритовой структурой, допированных ионами Рг³⁺ с целью поиска

наиболее перспективного химического состава кристаллов для конструирования усилителей 1.3 мкм диапазона;

- исследование процессов передачи энергии от ионов-сенсибилизаторов Yb³⁺ ic ионам Рг³⁺ с целью определения оптимальной концентрации :юнов-сексибилизаторов и ионов-активаторов в усилительной среде с хорошим согласованием спектров источника накачки и поглощения.

Яаучпая попизпа работы

впервые проведены исследования влияния химического состава гестехиометрических многокомпонентных фторидных кристаллов с рлюоритовой структурой на спектроскопические свойства в 1.3 мкм диапазоне (положение полосы поглощения из возбужденного состояния, рорму и полуширину спектра люминесценции ⁴з/2-⁴Ііз/2> штенсивностные характеристики электронных переходов);

создана методика для изучения спектров поглощения из юзбуждённото состояния и усиления в 1.3 мкм диапазоне. Измерены течения поглощения с метастабильного уровня в диапазоне 1.3 мкм, іпределеньї сечения усиления в диапазоне 1.3 мкм для наиболее герспективных кристаллов Нао^о.бЬ^,2.2^:^сі³⁺ ii.CaQgYoiF2,i:Nd³⁺;

впервые исследованы спектроскопические свойства

гестехиометрических флюоритовых кристалов, допированных ионами ^Зг³⁺, исследовано влияние концентрации трифторида RF3 в ;ристаллах Bai__xR_xF2+_x (R=Ce, Gd) на образование оптических юнтров с большими вероятностями переходов;

впервые исследованы спектроскопические свойства

:естехиометрических флюоритовых кристаллов, допированных' ионами 'г³⁺ и сенсибилизированных ионами Yb³⁺. Рпределены оптимальные ;ля оптических усилителей 1.3 мкм диапазона концентрации ионов енсибилизаторов и активаторов.

для интерпретации интенсивностных характеристик в естехиометрических фторидных кристаллах Bai__xGd_xF2+_x, !ai__xLa_xF2+_x, Pt>i__xCd_xF2, Nao.4Yo.6F2.2 допированных ионами Pr³⁺ роизведен сравнительный анализ расчетов по теории Джадда-)фельта и модифицированной теории А.А.Корниенко, А.А.Каминского Е.Б.Дуниной, учитывающей влияние энергий мультиплетов ачального и конечного состояний на силу осцилляторов.

[рактическая ценность.

Проведенные детальные исследования нестехиометрических ногокомпонентных кристаллов со структурой CaF2 допированных онами Nd³⁺ и Рг³⁺ позволили определить химический состав сред врспективиых для создания оптических усилителей, работающих во

втором телекоммуникационном окне. Показано, что характеристики активных сред на основе нестехиометрических фторидных кристаллах со структурой флюорита в диапазоне второго телекоммуникационного окна (диапазон усиления, квантовая эффективность) могут превосходить характеристики лучших фторидных стекол.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на: международной конференции Laser Advanced Technologies

(г. Констанц, Германия, 1994);

международной конференции Tunable Solid State Lasers

(г. Минск, Республика Беларусь, 1994)

- конкурсе научных ра"бот Института кристаллографии РАН, 1994 г.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка цитированной литературы из 98 наименований. Работа изложена на страницах машинописного текста, содержит 8 таблиц и 42 рисунка.