CC BY
21ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА Bi:SnO-SiO2-GeO2 СТЕКОЛ
1 1* 2 1 Галаган Б.И. , Денкер Б.И. , Машинский В.М. , Сверчков С.Е. , Дианов Е.М
"21
1 Институт общей физики им .А М.Прохорова РАН, г .Москва тр волоконной оптики РА * E-mail: [email protected]
2Научный центр волоконной оптики РАН, г. Москва
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16104
Существующие волоконные висмутовые лазеры излучают в спектральной области 1100- 1800 нм. В этой области находятся люминесцентные полосы висмут-содержащих оптических центров. Спектры люминесценции и усиления этих оптических центров сильно зависят от состава стеклянной матрицы. Так волоконные лазеры на основе активированных висмутом алюмосиликатных стекол излучают в области 1150 - 1220 нм, висмутовые фосфоросиликатные волокна в области 1270 - 1360 нм, активированные висмутом чисто кварцевые волокна в области 1380 -1540 нм [1], висмутовые германосиликатные волокна в области 1600-1800 нм [2].
Волоконные висмутовые лазеры уже находят практическое применение. Тем не менее исследования люминесцентных свойств висмута в различных стеклах продолжается. Большой практический интерес для телекоммуникационных систем представляет поиск активированных стеклянных матриц люминесцирующих в диапазоне 1540-1600нм. Недавно в работах [3-5] в некоторых образцах SiO2-SnO и GeO2-SnO стекол была обнаружена широкополосная люминесценция в этой области. В связи с этим представляло интерес исследовать люминесцентные свойства GeO2-SnO стекол, активированных висмутом.
Основные особенности оловосодержащих стекол и их плавления описаны в [4]. В бинарной GeO2 -SnO системе кристализационно-стабильные составы стекол могут содержать до 50% mol. SnO. Синтез должен проводиться в бескислородной атмосфере, чтобы препятствовать процессу окисления SnO в SnO2 при этом необходимо принимать во внимание, что SnO является очень сильным восстановителем. Так добавление уже ~0.1% mol. порошкообразного Bi2O3 в GeO2 -SnO шихту приводит в результате синтеза к появлению непрозрачного агломерата с включениями металлических частиц висмута. Нашей задачей было синтезировать концентрационную серию активированных висмутом SnO-GeO2 стекол с различным соотношением SnO/GeO2. На первом этапе работы было необходимо подобрать приемлемую с точки зрения технологии концентрацию висмута. Эксперименты показали, что прозрачные образцы 50SnO-50GeO2 стекол получаются в диапазоне концентраций висмута 5х1016 - 1.2х1017 cm-3. Для контрольных целей были синтезированы также в идентичных условиях не активированные висмутом образцы стекол 50SnO-50GeO2 и 100GeO2. Кроме того для сравнения люминесцентных свойств был синтезирован образец Bi:GeO2 стекла.
Согласно [6] висмутовые эмиссионные центры образующиеся в GeO2 стеклах и люминесцирующие в области 1600 нм могут быть возбуждены в диапазоне 920-960нм. В настоящей работе мы для возбуждения люминесценции использовали либо модулированное излучение (955 нм) работавшего в непрерывном режиме лазерного диода либо излучение (955 нм) импульсного параметрического лазера. На Рис.1 приведены примеры полученных спектров люминесценции. Так максимум спектра люминесценции активированного висмутом GeO2 стекла (кривая 1) приходится на длину волны 1650 нм и имеет полуширину ~ 210 нм., что находится в соответствии с данными [6-7]. Проведенные измерения показали, что время жизни люминесценции внутри полосы не зависит от длины волны и равно 565 цэ. Эта величина близка к приведенной в [7] - 513 цэ. Независимость люминесцентного времени жизни от длины волны регистрации и наблюдаемый экспоненциальный характер кривых затухания люминесценции свидетельствует о наличии в этом случае одного типа ИК-люминесцирующих центров. Добавление SnO приводит к заметным изменениям в полосе люминесценции (кривая 4, образец 20 SnO-80 GeO2 и кривая 6, образец 50 SnO-50 GeO2) . Как видно из Рис.1, спектр люминесценции с увеличением концентрации SnO постепенно смещается в область более коротких длин волн. В случае Bi: 50SnO-50GeO2 стекла полуширина полосы люминесценции становится почти в два раза больше (1370 - 1750 нм). При этом кривые затухания люминесценции также претерпевают изменения - они становятся неэкспоненциальными, а время жизни люминесценции становится зависимым от длины волны регистрации (см. Рис. 1), что свидетельствует о наличии в этих стеклах разных типов ИК-люминесцирующих центров.
208 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
го
-t—» "ся с
CD
CD О
с;
CD о ся CD с
Е
D
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
Y
6 / У 1 fy 4'
'в' \¡
600
- 500
- 400
ся i
а>
300 Е ш
- 200
- 100
1200
1400
1600
1800
Wavelength, nm
Рис.1 Спектры люминесценции (1-образец Bi:100GeO2, 4- образец Bi: 20 SnO-80 GeO2, 6- образец Bi:50 SnO-50 GeO2) и зависимости времени жизни от длины волны регистрации ( 1'-образец Bi:100GeO2, 4'- образец Bi: 20 SnO-80 GeO2, 6'- образец Bi:50 SnO-50 GeO2)
Заключение
В работе установлено, что добавление SnO существенно расширяет спектр люминесценции Bi:GeO2 стекол и смещает его в коротковолновую сторону, перекрывая область ~1540-1600 нм, где пока не была получена генерация в активированных висмутом лазерных материалах. Лазерные усилители перекрывающие этот диапазон представляют большой интерес для телекоммуникационных систем следующего поколения.
Благодарности
Работа поддерживалась РФФИ грантом 17-02-00368 в части синтеза Bi:GeO2 -SnO стекол и Программой Президиума РАН №32 в части разработки активированных висмутом оптических волокон.
Литература
1. E. Dianov: Light: Science & Applications 1, 12 (2012)
2. S. Firstov, et al, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics PP(99):1-1(2018)
3. B. Denker, et al, Appl. Phys. B120, 13(2015)
4. A.Chernov, et al, Applied Physics B122, 243(2016)
5. B. I. Denker, et al, Laser Physics 28, 065801(2018)
6. A.Pynenkov, et al, Quantum Electron. 43, 174(2013)
7. S. Firstov, et al, Optics Express, 19, 19551(2011)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» [email protected]
209
