Исследование спектрально–кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+

На рисунке 12 представлен спектр поглощения ионов эрбия в области 1,5 мкм.

Спектры поглощения, и их форма обусловлены всеми возможными переходами между энергетическими состояниями уровней 4I15/2 - 4I13/2. Поскольку между этими уровнями существует 56 возможных переходов, то внешнее окружение и воздействие со стороны кристаллического поля на оптические центры оказывают решающую роль в матрице относительно форму спектральных полос.

3.2.2 Спектры излучения ионов Er

Получение спектров излучения ионов эрбия в исследуемых образцах происходило по оптической схеме, представленной на рисунке 13. В качестве источника накачки оптического излучения выступал полупроводниковый лазерный диод с длиной волны генерации 980 нм. Регистрация спектров происходила при помощи ФПУ - PbS и ПЗС матрицы (для видимого диапазона). Выбор схемы накачки эрбиевых лазеров обусловлен поглощением оптических центров в области 0.9--1 мкм, соответствующий переходу 4I15/2 - 4I13/2.

.

Известные процессы ап-конверсии оптического излучения ионов эрбия определяют излучение оптической матрица в видимом диапазоне спектра, при условии накачки оптической системы в 980 нм.

На рисунке 14-15 представлены спектры излучения в области 500-700 нм исследуемых образцов. Поскольку нас не интересует детальное изучение люминесценции в данном спектральном диапазоне, мы не производили сканирование излучения по длине кристаллической матрицы. Спектр приведен для произвольной координаты исследуемого образца.

Представленные спектры излучения показывают, что интенсивность зеленой люминесценции исследуемых образцов почти в 4 раза выше, чем интенсивность красного излучения.

На рисунке 16 представлен спектр излучения эрбия в области 3 мкм. Данное излучение в средствах связи пока не используется, поскольку направляющие среды ВОЛС имеют предел пропускной способности в районе 2 мкм. Однако, данное излучение широко используется в медицинских целях.

Из представленного рисунка видно, что излучение в ИК диапазоне эрбия имеет широкую полосу и достаточную интенсивность люминесценции.

На рисунке 17 представлены спектры люминесценции в кристалле LiNbO3:Er измеренные в различных точка кристалла для интересующего нас спектрального диапазона 1400-1700 нм.

На диаграмме отчетливо видно, что интенсивность спектров измеренных в различных точках кристалла убывает по мере удаления от начальной координаты. Эта особенность заключается в том, что интенсивность спектральных полос, прямо пропорционально зависит не только от концентрации ионов Er3+, но и от концентрации Yb, который выступает в качестве донора.

Для определения корреляции интенсивности оптического сигнала с концентрацией оптических центров, нами была рассчитана суммарная энергия излучения оптических центров Er в зависимости от координаты кристалла, где проводились измерения.

Для этого, нам необходимо было разложить интегральный спектр излучения на отдельный гауссовые компоненты и просуммировать их аналогично тому, как приведено на графике рисунка 18.

Зависимость интегральной спектральной энергии излучения ионов Er от координаты исследований приведена на графике рисунка 19.

На рисунке 20 представлена корреляция энергии излучения оптической системы в области 1,5 мкм от концентрационного профиля оптических центров Yb3+.

Из представленной зависимости можно сделать вывод, что характер изменения интенсивности излучения 1,5 мкм в исследуемом градиентно активированном образце имеет высокую корреляцию с концентрционным профилем доноров.

На рисунке 21 представлен график соотношения интенсивности излучения кристаллов ниобата лития различного состава и боратного стекла в спектральной области 1,5 мкм.

3.3 Обсуждение полученных результатов

Из полученных экспериментальных данных можно сделать вывод, что при накачке на длине волны 980нм в кристалле LiNbO3:Er наблюдается люминесценция ионов Er3+ на длине волны в районе 1,5 мкм, что характерно для материалов используемых в качестве активной среды для усилителе типа

EDFA. Также при анализе спектров люминесценции выяснилось, что интенсивность люминесценции убывает по длине кристалла. Это явление связано с тем, что концентрация ионов эрбия возрастает, при этом возникает эффект ап-конверсии. При возникновении данного эффекта образуются, так называемы, кластеры в которых ионы легирующий примеси находятся близко друг к другу. В таких случаях возникает вероятность безызлучательного обмена энергией между оптическими центрами, что приводит к уменьшению интенсивности люминесценции.

Заключение

Основные результаты дипломной работы состоят в следующем:

1 Исследованы основные актуальные проблемы по теме «Исследование спектрально - кинетических свойств матриц волокон, активированных ионами Er3+.»

2 Проанализированы основные методы получения спектров поглощения и люминесценции в кристаллах LiNbO3:Er, основанные на использовании лабораторного комплекса на базе монохроматора МДР-204.

3 Получены и проанализированные экспериментальные данные в виде спектров люминесценции ионов эрбия в кристалле LiNbO3:Er, которые подтверждают, что при увеличении концентрации данных ионов, интенсивность люминесценции уменьшается. Это явление связанно с процессом ап-конверсии, при котором ионы Er3+, образуют кластеры, при этом возникает вероятность безызлучательного обмена энергией между данными ионами, что в свою очередь приводит к уменьшению интенсивности люминесценции.

Список использованных источников

Желтиков А. М. Оптика микроструктурированных волокон / А.М Желтиков. - Москва: Наука, 2004. - 94 стр.

Шумкова Д. Б. Специальные волоконные световоды: [уч. Пособие] / Д. Б. Шумкова., А. Е. Левченко. - Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политех, ун-та, 2011.- 178 с.

Мендез А. Справочник по специализированным оптическим волокнам/ А. Мендез, Т. Ф. Морзе. - Москва: Техносфера, 2012. - 728 с.

Варакса Ю. А. Температурная зависимость отношения интенсивностей полос апконверсионной флуоресценции активированных ионами эрбия кристаллов YVO[4] и YGdVO[4] и свинцово-фторидных наностеклокерамик / Ю. А. Варакса // Оптика и спектроскопия. - 2015. - Т. 118, № 1. - С. 146-150

Бурков В. Д. Научные основы создания устройств и систем волоконно-оптической техники / В.Д. Бурков, Г.А. Иванов. - Москва: Изд-во МГУЛ, 2008. - 332 с.

Асеев В. А. Спектрально - люминесцентные свойства прозрачной свинцовофторидной наностеклокерамики, активированной ионами эрбия / В. А Асеев, В. В. Голубков, А. В. Клементьева. // Оптика и спектроскопия. - 2009. - Т. 106. - № 5. - С .770-775.

Примесная фотопроводимость эпитаксиальных слоев Si:Er/Si / А. В. Антонов, К. Е. Кудрявцев, Д. В. Шенгуров, В. Б. Шмагин. // Сборник тезисов XI Российской конференции по физике полупроводников: Санкт-Петербург. - 2013. - С. 356.

Андреев Б. А. Диодные светоизлучающие структуры Si:Er/SOI / Б. А. Андреев, З. Ф. Красильник, Д. И. Крыжков. // Труды XVI международного симпозиума “Нанофизика и Наноэлектроника”: Нижний Новгород. - 2012. - Т. 1. - С. 293.

Антонов, А. В. Особенности примесной фотопроводимости в эпитаксиальных диодах Si:Er/Si / А.В. Антонов, К.Е. Кудрявцев // Физика и техника полупроводников. - 2013. - Т. 47, №11. - с. 151.

Concentration of Er3+ ions contributing to 1.5-µm emission in Si/Si:Er nanolayers / N.Q. Vinh, S. Minissale, H. Vrielinck, T. Gregorkiewicz. // Phys. Rev. B. - 2014. - Vol. 76. - P. 39.

Ремизов, Д. Ю. Ударное возбуждение ионов эрбия в кремниевых светодиодных структурах, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии: дис… канд. физ.-мат. наук: 05.27.01 / Ремизов Дмитрий Юрьевич. - Нижний Новгород, 2015. - 159 с.

Yuan, H. Detection of a shallow level in a semiconductor by admittance spectroscopy / H. Yuan, H. Zhang, F. Lu // Semic. Sci. Technol. - 2013. - Vol. 24. - P. 85.

Андреев, Б. А. Особенности фотолюминесценции эрбия в кремниевых структурах, полученных методом сублимационной молекулярно-лучевой эпитаксии / Б.А. Андреев, З.Ф. Красильник // ФТТ. - 2001. - Т. 43, №6. - С. 979-984.

Размещено на Allbest.ru