СПЕКТРЫ УСИЛЕНИЯ В ИТТЕРБИЙ-ЭРБИЕВЫХ МЕТАФОСФАТНЫХ СТЕКЛАХ ДЛЯ МИКРОЛАЗЕРОВ
ÓÄÊ 535.37
ÑÏÅÊÒÐÛ ÓÑÈËÅÍÈß Â ÈÒÒÅÐÁÈÉ-ÝÐÁÈÅÂÛÕ ÌÅÒÀÔÎÑÔÀÒÍÛÕ ÑÒÅÊËÀÕ ÄËß ÌÈÊÐÎËÀÇÅÐÎÂ
© 2008 ã. © 2008 ã.
Â. À. Àñååâ*; À. Ñ. Çëàòîâ*; Í. Â. Íèêîíîðîâ*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; À. Ê. Ïðæåâóñêèé*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Þ. Ê. Ôåäîðîâ**, êàíä. òåõí. íàóê
** ÍÈÈ “Îïòîèíôîðìàòèêà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ ** òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé è òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ** ÂÍÖ “ÃÎÈ èì. Ñ.È. Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** E-mail: Aseev@oi.ifmo.ru, Zlatov@oi.ifmo.ru
Ïðîâåäåíû ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü äëÿ îñíîâíîãî ïåðåõîäà èîíà ýðáèÿ (1,5 ìêì) â èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ôîñôàòíûõ ñòåêëàõ â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ è ìîùíîñòè ëàçåðíîé íàêà÷êè. Êîíöåíòðàöèÿ èòòåðáèÿ èçìåíÿëàñü îò 0 äî ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ 52,4×1020 ñì–3. Ïîêàçàíî, ÷òî óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ íà÷èíàÿ ñ êîíöåíòðàöèè NYb = 20,9×1020 ñì–3 ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïîðîãà óñèëåíèÿ. Íà ñòåêëå ñ ïðåäåëüíîé êîíöåíòðàöèåé èòòåðáèÿ (ìåòàôîñôàòå èòòåðáèÿ) äîñòèãíóòà èíâåðñèÿ íàñåëåííîñòè ïðè ìàëûõ ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè 35 ìÂò. Íàèáîëüøèé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ 0,1 ñì–1 ïîëó÷åí íà îáðàçöå òîëùèíîé 0,5 ìì ñ êîíöåíòðàöèÿìè èòòåðáèÿ 41,7×1020 ñì-3 è ýðáèÿ 0,29×1020 ñì–3 ïðè ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè 210 ìÂò.
Êîäû OCIS: 140.3070, 140.3380, 140.3500.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 25.10.2007.
Ââåäåíèå
Èòòåðáèé-ýðáèåâûå ñòåêëà øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â êà÷åñòâå àêòèâíîé ñðåäû â ëàçåðàõ è îïòè÷åñêèõ óñèëèòåëÿõ. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî äëèíà âîëíû ãåíåðàöèè èîíà ýðáèÿ (1,5 ìêì) ÿâëÿåòñÿ, âî-ïåðâûõ, îïòèìàëüíîé äëÿ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè ïî âîëîêîííî-îïòè÷åñêèì ëèíèÿì ñâÿçè, âî-âòîðûõ, ëåæèò â áåçîïàñíîì äëÿ ãëàç äèàïàçîíå äëèí âîëí [1]. Èîí èòòåðáèÿ äîïîëíèòåëüíî ââîäèòñÿ â ñòåêëî äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè íàêà÷êè, ïîñêîëüêó ÿâëÿåòñÿ ñåíñèáèëèçàòîðîì äëÿ èîíà ýðáèÿ, à òàêæå èìååò èíòåíñèâíóþ ïîëîñó ïîãëîùåíèÿ â îáëàñòè 1 ìêì, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü äëÿ íàêà÷êè ìîùíûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðíûå äèîäû [1, 2].
Òèïè÷íûå êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ, íàïðèìåð, â êîììåð÷åñêèõ èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ëàçåðíûõ ôîñôàòíûõ ñòåêëàõ, ñîñòàâëÿþò (19–21)×1020 ñì–3 [3–5]. Òàêèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ ïîçâîëÿþò îñóùåñòâëÿòü ýôôåêòèâíóþ íàêà÷êó è ïåðåäà÷ó âîçáóæäåíèÿ äëÿ êîíöåíòðàöèé èîíîâ ýðáèÿ âïëîòü äî 1×1020 ñì–3 [2]. Äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ýôôåêòèâíîñòè áåçûçëó÷àòåëüíîãî ïåðåíîñà îò èòòåðáèÿ ê ýðáèþ, ÷òî, íàðÿäó ñ äðóãèìè ôàêòîðàìè, íàïðèìåð, àï-êîíâåðñèåé, êîíöåíòðàöèîííûì òóøåíèåì, ñíèæàåò ýôôåêòèâíîñòü ëàçåðà. Óâåëè÷åíèå æå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ ìîæåò ñíèçèòü ïîðîãè ãåíåðàöèè, óâåëè÷èòü ïðåäåëüíûå êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ è óëó÷øèòü ãåíåðàöèîííûå ñâîéñòâà
ëàçåðîâ, ðàáîòàþùèõ â ðåæèìå ìîäóëèðîâàííîé äîáðîòíîñòè [6]. Îäíàêî ðàáîòû ïî ñîçäàíèþ è èññëåäîâàíèþ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ è ãåíåðàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê ñòåêîë ñ âûñîêèìè (áîëåå 21×1020 ñì–3) êîíöåíòðàöèÿìè èîíîâ èòòåðáèÿ îòñóòñòâóþò. Îñîáûé æå èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ñðåäû ñ ïðåäåëüíûìè ñîäåðæàíèÿìè àêòèâàòîðîâ. Íàïðèìåð, ìåòàôîñôàò èòòåðáèÿ – ñðåäà, ãäå èîí èòòåðáèÿ âõîäèò â îñíîâíóþ ñòðóêòóðó ñòåêëîîáðàçóþùåé ñåòêè. Ðàáîòû, ïîñâÿùåííûå èññëåäîâàíèþ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ ñâîéñòâ ìåòàôîñôàòà èòòåðáèÿ, àêòèâèðîâàííîãî ýðáèåì, òàêæå îòñóòñòâóþò.
 íàñòîÿùåé ðàáîòå áûëè ñèíòåçèðîâàíû ñòåêëà, àêòèâèðîâàííûå èîíàìè ýðáèÿ è èòòåðáèÿ âïëîòü äî ïðåäåëüíûõ êîíöåíòðàöèé (NYb = 52,4×1020 ñì–3). Ïðîâåäåíû èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü äëÿ îñíîâíîãî ëàçåðíîãî ïåðåõîäà íà 1,5 ìêì â èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ôîñôàòíûõ ñòåêëàõ â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ è ìîùíîñòè ëàçåðíîé íàêà÷êè.
Îáúåêò èññëåäîâàíèÿ è ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà
 ðàáîòå ñèíòåçèðîâàíû ýðáèåâûå ìåòàôîñôàòíûå ñòåêëà â ñèñòåìå 75P2O2–25RE2O3 ìîë.%, ãäå RE2O3 = La2O3, Yb2O3, Er2O3. Ñòåêëà ñ ïåðåìåííûì ñîäåðæàíèåì èîíîâ èòòåðáèÿ áûëè ñèíòåçèðîâàíû â êâàðöåâûõ òèãëÿõ ïðè òåìïåðàòóðàõ 1450 –1550 °Ñ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
79
Èòòåðáèåâûé ôîñôàòíûé ðÿä
¹ îáðàçöà
NEr×10–20, ñì–3
0
1
2 3 0,29
4
5
NYb×10–20, ñì–3
0 10,5 20,9 31,4 41,7 52,4
è îòîææåíû ïðè òåìïåðàòóðàõ 550–600 °Ñ â çàâèñèìîñòè îò ñîñòàâà.  õîäå âàðêè âñå ñòåêëà áûëè îáåçâîæåíû ïóòåì áàðáîòèðîâàíèÿ êèñëîðîäîì ÷åðåç êâàðöåâóþ òðóáêó. Ïîñëå îáåçâîæèâàíèÿ ðàñïëàâû îñâåòëÿëè â òå÷åíèå 90 ìèí äëÿ óäàëåíèÿ ïóçûðåé, çàòåì îòëèâàëè â ãðàôèòîâûå ôîðìû è îòæèãàëè.
 ðàáîòå áûë ïîëó÷åí ñëåäóþùèé êîíöåíòðàöèîííûé ðÿä ìåòàôîñôàòíûõ ñòåêîë: 75P2O2 – – (24,75 – x)La2O3 – xYb2O3, ãäå x = 0, 5, 10, 15, 20, 24,75 ìîë.%. Êîíöåíòðàöèÿ îêñèäà ýðáèÿ ñîñòàâëÿëà âî âñåõ ñëó÷àÿõ 0,25 ìîë.%, à êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ èòòåðáèÿ èçìåíÿëàñü îò 0 äî ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé NYb = 52,4×1020 ñì–3 çà ñ÷åò çàìåùåíèÿ èîíîâ ëàíòàíà ïðè ïîñòîÿííîé êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ (NEr = 0,29×1020 ñì–3) (ñì. òàáëèöó). Òàêèì îáðàçîì, ïåðâîå ñòåêëî â ýòîì ðÿäó ïðåäñòàâëÿëî ñîáîé ìåòàôîñôàò ëàíòàíà, à ïîñëåäíåå – ìåòàôîñôàò èòòåðáèÿ. Ðàçìåðû ñå÷åíèÿ îáðàçöîâ ñîñòàâëÿëè 10×10 ìì. Òîëùèíà âûáèðàëàñü â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ è èçìåíÿëàñü â ïðåäåëàõ 0,3–2,7 ìì.
Ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü ïðîâîäèëèñü íà óñòàíîâêå, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 1.
Äëÿ íàêà÷êè îáðàçöà 4 èñïîëüçîâàëîñü ëàçåðíîå èçëó÷åíèå îò ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà 1 (LDD-10 ÇÀÎ “Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû”) íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ ñ ìàêñèìàëüíîé ìîùíîñòüþ 1 Âò. Íàêà÷êà îñóùåñòâëÿëàñü íà äëèíå âîëíû 980 íì. Ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èçìåíÿëàñü îò 50 äî 590 ìÂò.  êà÷åñòâå çîíäà èñïîëüçîâàëîñü èçëó÷åíèå îò ëàìïû 6, êîòîðîå, ïðîõîäÿ ÷åðåç ìîíîõðîìàòîð 9, ðåãèñòðèðîâàëîñü InGaAsïðèåìíèêîì 10. Äàëåå ñèãíàë ïåðåäàâàëñÿ íà ñèíõðîííûé óñèëèòåëü 11 è îáðàáàòûâàëñÿ íà êîìïüþòåðå. Âñå èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
 ðàáîòå áûëè ïðîâåäåíû ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü äëÿ ðàçëè÷íûõ óðîâíåé íàêà÷êè ïî ìåòîäèêå [7]. Íàêà÷êà N2/NEr (ãäå N2 – íàñåëåííîñòü óðîâíÿ 4I13/2, NEr – êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ ýðáèÿ â ñòåêëå) îïðåäåëÿëàñü ïî èçìåðåíèÿì èçìåíåíèÿ ïîãëîùåíèÿ èç âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ [7].
Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèÿ
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå çàâèñèìîñòè ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü ïðè ðàçëè÷íûõ ïîãëîùåííûõ ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè (Pïîãë) äëÿ îáðàçöà ñ êîíöåíòðàöèåé ýðáèÿ 0,29×1020 ñì–3 è èòòåðáèÿ 20,9×1020 ñì–3 (îáðàçåö ¹ 2) ïîêàçàíû íà ðèñ. 2. Ïðè óâåëè÷åíèè ìîùíîñòè íàêà÷êè ñíà÷àëà ïðîèñõîäèò ïðîñâåòëåíèå, çàòåì, ïðè ìîùíîñòÿõ áîëåå 150 ìÂò, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç íàêà÷àííóþ îáëàñòü ñèãíàë íà÷èíàåò óñèëèâàòüñÿ, ò. å. êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ k > 0.
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ íà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ áûëè âçÿòû çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ íà äëèíå âîëíû 1535 íì è äëÿ âñåõ îáðàçöîâ ïîñòðîåíû åãî çàâèñè-
11 1
10 9
8 7
2
34 5
6 7
Ðèñ. 1. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè äëÿ èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî è âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèé. 1 – ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåð, 2 – ïîëóïîçðà÷íîå çåðêàëî, 3 – äèàôðàãìà, 4 – îáúåìíûé îáðàçåö, 5 – ìîäóëÿòîð, 6 –ëàìïà íàêàëèâàíèÿ (λçîíä = 1,4–1,7 íì), 7 – ëèíçà, 8 – ñâåòîôèëüòð, 9 – ìîíîõðîìàòîð, 10 – InGaAs-ïðèåìíèê, 11 – ñèíõðîííûé óñèëèòåëü.
80
k, ñì–1 0
–0,1
4 5
3 2
1
–0,2 1460
1500
1540
1580
Äëèíà âîëíû, íì
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòè ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü
ïðè ðàçëè÷íûõ ìîùíîñòÿõ ïîãëîùåííîãî èçëó÷å-
íèÿ íàêà÷êè (îáðàçåö ¹ 2). 1 – 0, 2 – 35, 3 – 80, 4 –
150, 5 – 300 ìÂò. = 0,29×1020 ñì–3.
NYb
=
20,9×1020 ñì–3,
NEr
=
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
0,1 k, ñì–1
0
–0,1
–0,2 0
NEr = 0,29×1020 ñì–3
NYb, 1020 ñì–3
– 10,5
– 20,9 – 31,4
– 41,7 – 52,4
100 200
300
Ïîãëîùåííàÿ ìîùíîñòü, ìÂò
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ îò ìîùíîñòè íàêà÷êè.
0,1 k, ñì–1
0
2 1
–0,1
10 30 50 NYb×10–20, ñì–3
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 35 (1) è 210 ìÂò (2).
ìîñòè îò ìîùíîñòè ïîãëîùåííîãî èçëó÷åíèÿ íàêà÷-
êè (ðèñ. 3).
Èç ðèñ. 3. âèäíî, ÷òî äëÿ îáðàçöîâ 1 è 2, èìåþ-
ùèõ òèïè÷íóþ äëÿ êîììåð÷åñêèõ èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ëàçåðîâ êîíöåíòðàöèþ ýðáèÿ 0,29×1020 ñì–3 è èòòåðáèÿ – 10,5×1020 è 20,9×1020 ñì–3, çîíäèðóþùèé ñè-
ãíàë íà÷èíàåò óñèëèâàòüñÿ (k > 0) ïðè ïîãëîùåííûõ
ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè áîëåå 150 ìÂò è äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ 0,05 ñì–1 ïðè ìîùíîñòÿõ íàêà÷-
êè 300–350 ìÂò. Óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ (NYb > 20,9×1020 ñì–3) ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïîðîãà óñèëåíèÿ. Òàê, äëÿ êîíöåíòðàöèè NYb = 41,7×1020 ñì–3 êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ k > 0 ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè
50 ìÂò è äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ k = = 0,08–0,1 ñì–1 ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 200 ìÂò. Äàëü-
íåéøåå óâåëè÷åíèå ìîùíîñòè íàêà÷êè äî 300 ìÂò
ïðàêòè÷åñêè íå ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ. Ïðè ìàêñèìàëüíîé êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ (NYb = 52,4×1020 ñì–3) óñèëåíèå (k > 0) íàáëþäàåòñÿ óæå ïðè ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè 35 ìÂò. Ìàêñèìàëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ äëÿ ýòîé ïðåäåëüíîé êîíöåíòðàöèè äîñòèãàåò çíà÷åíèÿ 0,07 ñì–1 ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 70 ìÂò. Îäíàêî ïðè ìîùíîñòÿõ âûøå 150 ìÂò ïðîèñõîäèò ñíèæåíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ. Òàê, ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 300 ìÂò êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ñíèæàåòñÿ äî 0,01 ñì–1.
Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ äëÿ äâóõ çíà÷åíèé ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 4. Ïðè ìàëîé íàêà÷êå (35 ìÂò) êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ îòðèöàòåëåí è ïðàêòè÷åñêè ëèíåéíî çàâèñèò îò êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ. Ïðè áîëüøîé íàêà÷êå (210 ìÂò) êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïîëîæèòåëåí óæå ïðè ìàëûõ êîíöåíòðàöèÿõ. Óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ äî 41,7×1020 ñì–3 âåäåò ê ðîñòó êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ äî 0,1 ñì–1. Äàëüíåéøåå ïîâûøåíèå êîíöåíòðàöèè, ò. å. ïåðåõîä ê ìåòàôîñôàòó èòòåðáèÿ, ïðèâîäèò ê ðåçêîìó ñíèæåíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ.
Âîçìîæíûìè ïðè÷èíàìè ñíèæåíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ïðè áîëüøèõ êîíöåíòðàöèÿõ èòòåðáèÿ è âûñîêèõ ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè (ðèñ. 3 è 4) ÿâëÿþòñÿ íàãðåâ îáðàçöà çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ êîíöåíòðàöèè àêòèâàòîðà [8], à òàêæå óâåëè÷åíèå îáðàòíîãî ïåðåíîñà ýíåðãèè ñ ýðáèÿ íà èòòåðáèé. Îäíàêî ýòè ïðåäïîëîæåíèÿ íóæäàþòñÿ â äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèÿõ.
Âûâîäû
 ðàáîòå âïåðâûå ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ è ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè íà ñïåêòðû óñèëåíèÿ/ ïîòåðü ýðáèÿ â îáëàñòè 1,5 ìêì â èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ôîñôàòíûõ ñòåêëàõ. Êîíöåíòðàöèÿ èòòåðáèÿ èçìåíÿëàñü îò 0 äî ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ 52,4×10 20 ñì–3, à ïîãëîùåííàÿ ìîùíîñòü îò 25 äî 350 ìÂò. Ïîêàçàíî, ÷òî óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ íà÷èíàÿ ñ êîíöåíòðàöèè NYb = 20,9×1020 ñì–3 ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïîðîãà óñèëåíèÿ. Ñòåêëî ñ ïðåäåëüíîé êîíöåíòðàöèåé èòòåðáèÿ (ìåòàôîñôàò èòòåðáèÿ) èìååò ïîëîæèòåëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïðè ìàëûõ ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè 35 ìÂò. Ïîêàçàíî, ÷òî óâåëè÷åíèå ìîùíîñòè íàêà÷êè ïðèâîäèò ê íåìîíîòîííîìó èçìåíåíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ó ìåòàôîñôàòà èòòåðáèÿ. Íàèáîëüøèé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ 0,1 ñì–1 ïîëó÷åí íà îáðàçöå òîëùèíîé 0,5 ìì ñ êîíöåíòðàöèÿìè èòòåðáèÿ 41,7×1020 ñì–3 è ýðáèÿ 0,29×1020 ñì–3 ïðè ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè 210 ìÂò.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
81
Ðàáîòà âûïîëíåíà â ðàìêàõ ôåäåðàëüíîé öåëåâîé ïðîãðàììû “Èññëåäîâàíèÿ è ðàçðàáîòêè ïî ïðèîðèòåòíûì íàïðàâëåíèÿì ðàçâèòèÿ íàó÷íî-òåõíîëîãè÷åñêîãî êîìïëåêñà Ðîññèè íà 2007–2012 ãîäû” ïî ëîòó 4 (ìåðîïðèÿòèå 1.3 Ïðîãðàììû)”, øèôð 2007-3-1.3-24-01-177, ãîñóäàðñòâåííûé êîíòðàêò ¹ 02.513.11.3100, à òàêæå â ðàìêàõ ðåàëèçàöèè â ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ îáðàçîâàòåëüíîé ïðîãðàììû “Èííîâàöèîííàÿ ñèñòåìà ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ íîâîãî ïîêîëåíèÿ â îáëàñòè èíôîðìàöèîííûõ è îïòè÷åñêèõ òåõíîëîãèé”.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Desurvire E. Erbium-doped fiber amplifiers. N. Y.: Wiley, 1994.
12. Àëåêñååâ Í.Å., Ãàïîíöåâ Â.Ï., Æàáîòèíñêèé Ì.Å., Êðàâ÷åíêî Â.Á., Ðóäíèöêèé Þ.Ï. Ëàçåðíûå ôîñôàòíûå ñòåêëà. Ì.: Íàóêà, 1980. 352 ñ.
13. Lunter S.G., Fyodorov Yu K. Development of erbium laser glasses // Proc. of F. Simp. Light materials, Laser Technology material for Optic Telecomm. 1994. V. 2. Ð. 327–333.
14. Schott Glass Technologies “IOG-1 laser glasses”.
15. Kigre Inc. “QX-type glass”.
16. Georgiou E., Musset O., Boduqillon J-P, Denker B., Sverchkov S.E. 50mJ/30ns FTIR Q-switched diode pumped Er:Ybglass 1,54 μm laser // Opt. Comm. 2001. V. 198. Ð. 147–153.
17. Àñååâ Â.À., Íèêîíîðîâ Í.Â., Ïðæåâóñêèé À.Ê., ×óõàðåâ À.Â., Ðîõìèí À.Ñ. Èçìåðåíèå ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ ïîòåðü â âûñîêîêîíöåíòðèðîâàííûõ ëàçåðíûõ ñòåêëàõ, àêòèâèðîâàííûõ èòòåðáèé-ýðáèåì // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2003. Ò. 70. ¹ 11. Ñ. 18–22.
18. Nikonorov N.V., Przhevuskii A.K., Chukharev A.V. Characterization of non-linear upconversion quenching in Er-doped glasses: modeling and experiment // J. of NonCrystalline Solids. 2003. V. 324. Ð. 92–108.
82 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
ÑÏÅÊÒÐÛ ÓÑÈËÅÍÈß Â ÈÒÒÅÐÁÈÉ-ÝÐÁÈÅÂÛÕ ÌÅÒÀÔÎÑÔÀÒÍÛÕ ÑÒÅÊËÀÕ ÄËß ÌÈÊÐÎËÀÇÅÐÎÂ
© 2008 ã. © 2008 ã.
Â. À. Àñååâ*; À. Ñ. Çëàòîâ*; Í. Â. Íèêîíîðîâ*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; À. Ê. Ïðæåâóñêèé*, äîêòîð ôèç.-ìàò. íàóê; Þ. Ê. Ôåäîðîâ**, êàíä. òåõí. íàóê
** ÍÈÈ “Îïòîèíôîðìàòèêà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò èíôîðìàöèîííûõ ** òåõíîëîãèé, ìåõàíèêè è îïòèêè, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** Íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé è òåõíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò îïòè÷åñêîãî ìàòåðèàëîâåäåíèÿ ** ÂÍÖ “ÃÎÈ èì. Ñ.È. Âàâèëîâà”, Ñàíêò-Ïåòåðáóðã
** E-mail: Aseev@oi.ifmo.ru, Zlatov@oi.ifmo.ru
Ïðîâåäåíû ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü äëÿ îñíîâíîãî ïåðåõîäà èîíà ýðáèÿ (1,5 ìêì) â èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ôîñôàòíûõ ñòåêëàõ â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ è ìîùíîñòè ëàçåðíîé íàêà÷êè. Êîíöåíòðàöèÿ èòòåðáèÿ èçìåíÿëàñü îò 0 äî ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ 52,4×1020 ñì–3. Ïîêàçàíî, ÷òî óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ íà÷èíàÿ ñ êîíöåíòðàöèè NYb = 20,9×1020 ñì–3 ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïîðîãà óñèëåíèÿ. Íà ñòåêëå ñ ïðåäåëüíîé êîíöåíòðàöèåé èòòåðáèÿ (ìåòàôîñôàòå èòòåðáèÿ) äîñòèãíóòà èíâåðñèÿ íàñåëåííîñòè ïðè ìàëûõ ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè 35 ìÂò. Íàèáîëüøèé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ 0,1 ñì–1 ïîëó÷åí íà îáðàçöå òîëùèíîé 0,5 ìì ñ êîíöåíòðàöèÿìè èòòåðáèÿ 41,7×1020 ñì-3 è ýðáèÿ 0,29×1020 ñì–3 ïðè ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè 210 ìÂò.
Êîäû OCIS: 140.3070, 140.3380, 140.3500.
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 25.10.2007.
Ââåäåíèå
Èòòåðáèé-ýðáèåâûå ñòåêëà øèðîêî èñïîëüçóþòñÿ â êà÷åñòâå àêòèâíîé ñðåäû â ëàçåðàõ è îïòè÷åñêèõ óñèëèòåëÿõ. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî äëèíà âîëíû ãåíåðàöèè èîíà ýðáèÿ (1,5 ìêì) ÿâëÿåòñÿ, âî-ïåðâûõ, îïòèìàëüíîé äëÿ ïåðåäà÷è èíôîðìàöèè ïî âîëîêîííî-îïòè÷åñêèì ëèíèÿì ñâÿçè, âî-âòîðûõ, ëåæèò â áåçîïàñíîì äëÿ ãëàç äèàïàçîíå äëèí âîëí [1]. Èîí èòòåðáèÿ äîïîëíèòåëüíî ââîäèòñÿ â ñòåêëî äëÿ ïîâûøåíèÿ ýôôåêòèâíîñòè íàêà÷êè, ïîñêîëüêó ÿâëÿåòñÿ ñåíñèáèëèçàòîðîì äëÿ èîíà ýðáèÿ, à òàêæå èìååò èíòåíñèâíóþ ïîëîñó ïîãëîùåíèÿ â îáëàñòè 1 ìêì, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü äëÿ íàêà÷êè ìîùíûå ïîëóïðîâîäíèêîâûå ëàçåðíûå äèîäû [1, 2].
Òèïè÷íûå êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ, íàïðèìåð, â êîììåð÷åñêèõ èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ëàçåðíûõ ôîñôàòíûõ ñòåêëàõ, ñîñòàâëÿþò (19–21)×1020 ñì–3 [3–5]. Òàêèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ ïîçâîëÿþò îñóùåñòâëÿòü ýôôåêòèâíóþ íàêà÷êó è ïåðåäà÷ó âîçáóæäåíèÿ äëÿ êîíöåíòðàöèé èîíîâ ýðáèÿ âïëîòü äî 1×1020 ñì–3 [2]. Äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ýôôåêòèâíîñòè áåçûçëó÷àòåëüíîãî ïåðåíîñà îò èòòåðáèÿ ê ýðáèþ, ÷òî, íàðÿäó ñ äðóãèìè ôàêòîðàìè, íàïðèìåð, àï-êîíâåðñèåé, êîíöåíòðàöèîííûì òóøåíèåì, ñíèæàåò ýôôåêòèâíîñòü ëàçåðà. Óâåëè÷åíèå æå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ ìîæåò ñíèçèòü ïîðîãè ãåíåðàöèè, óâåëè÷èòü ïðåäåëüíûå êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ è óëó÷øèòü ãåíåðàöèîííûå ñâîéñòâà
ëàçåðîâ, ðàáîòàþùèõ â ðåæèìå ìîäóëèðîâàííîé äîáðîòíîñòè [6]. Îäíàêî ðàáîòû ïî ñîçäàíèþ è èññëåäîâàíèþ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ è ãåíåðàöèîííûõ õàðàêòåðèñòèê ñòåêîë ñ âûñîêèìè (áîëåå 21×1020 ñì–3) êîíöåíòðàöèÿìè èîíîâ èòòåðáèÿ îòñóòñòâóþò. Îñîáûé æå èíòåðåñ ïðåäñòàâëÿþò ñðåäû ñ ïðåäåëüíûìè ñîäåðæàíèÿìè àêòèâàòîðîâ. Íàïðèìåð, ìåòàôîñôàò èòòåðáèÿ – ñðåäà, ãäå èîí èòòåðáèÿ âõîäèò â îñíîâíóþ ñòðóêòóðó ñòåêëîîáðàçóþùåé ñåòêè. Ðàáîòû, ïîñâÿùåííûå èññëåäîâàíèþ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûõ ñâîéñòâ ìåòàôîñôàòà èòòåðáèÿ, àêòèâèðîâàííîãî ýðáèåì, òàêæå îòñóòñòâóþò.
 íàñòîÿùåé ðàáîòå áûëè ñèíòåçèðîâàíû ñòåêëà, àêòèâèðîâàííûå èîíàìè ýðáèÿ è èòòåðáèÿ âïëîòü äî ïðåäåëüíûõ êîíöåíòðàöèé (NYb = 52,4×1020 ñì–3). Ïðîâåäåíû èññëåäîâàíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü äëÿ îñíîâíîãî ëàçåðíîãî ïåðåõîäà íà 1,5 ìêì â èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ôîñôàòíûõ ñòåêëàõ â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ è ìîùíîñòè ëàçåðíîé íàêà÷êè.
Îáúåêò èññëåäîâàíèÿ è ìåòîäèêà ýêñïåðèìåíòà
 ðàáîòå ñèíòåçèðîâàíû ýðáèåâûå ìåòàôîñôàòíûå ñòåêëà â ñèñòåìå 75P2O2–25RE2O3 ìîë.%, ãäå RE2O3 = La2O3, Yb2O3, Er2O3. Ñòåêëà ñ ïåðåìåííûì ñîäåðæàíèåì èîíîâ èòòåðáèÿ áûëè ñèíòåçèðîâàíû â êâàðöåâûõ òèãëÿõ ïðè òåìïåðàòóðàõ 1450 –1550 °Ñ
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
79
Èòòåðáèåâûé ôîñôàòíûé ðÿä
¹ îáðàçöà
NEr×10–20, ñì–3
0
1
2 3 0,29
4
5
NYb×10–20, ñì–3
0 10,5 20,9 31,4 41,7 52,4
è îòîææåíû ïðè òåìïåðàòóðàõ 550–600 °Ñ â çàâèñèìîñòè îò ñîñòàâà.  õîäå âàðêè âñå ñòåêëà áûëè îáåçâîæåíû ïóòåì áàðáîòèðîâàíèÿ êèñëîðîäîì ÷åðåç êâàðöåâóþ òðóáêó. Ïîñëå îáåçâîæèâàíèÿ ðàñïëàâû îñâåòëÿëè â òå÷åíèå 90 ìèí äëÿ óäàëåíèÿ ïóçûðåé, çàòåì îòëèâàëè â ãðàôèòîâûå ôîðìû è îòæèãàëè.
 ðàáîòå áûë ïîëó÷åí ñëåäóþùèé êîíöåíòðàöèîííûé ðÿä ìåòàôîñôàòíûõ ñòåêîë: 75P2O2 – – (24,75 – x)La2O3 – xYb2O3, ãäå x = 0, 5, 10, 15, 20, 24,75 ìîë.%. Êîíöåíòðàöèÿ îêñèäà ýðáèÿ ñîñòàâëÿëà âî âñåõ ñëó÷àÿõ 0,25 ìîë.%, à êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ èòòåðáèÿ èçìåíÿëàñü îò 0 äî ìàêñèìàëüíî âîçìîæíîé NYb = 52,4×1020 ñì–3 çà ñ÷åò çàìåùåíèÿ èîíîâ ëàíòàíà ïðè ïîñòîÿííîé êîíöåíòðàöèè èîíîâ ýðáèÿ (NEr = 0,29×1020 ñì–3) (ñì. òàáëèöó). Òàêèì îáðàçîì, ïåðâîå ñòåêëî â ýòîì ðÿäó ïðåäñòàâëÿëî ñîáîé ìåòàôîñôàò ëàíòàíà, à ïîñëåäíåå – ìåòàôîñôàò èòòåðáèÿ. Ðàçìåðû ñå÷åíèÿ îáðàçöîâ ñîñòàâëÿëè 10×10 ìì. Òîëùèíà âûáèðàëàñü â çàâèñèìîñòè îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ è èçìåíÿëàñü â ïðåäåëàõ 0,3–2,7 ìì.
Ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü ïðîâîäèëèñü íà óñòàíîâêå, ïîêàçàííîé íà ðèñ. 1.
Äëÿ íàêà÷êè îáðàçöà 4 èñïîëüçîâàëîñü ëàçåðíîå èçëó÷åíèå îò ïîëóïðîâîäíèêîâîãî ëàçåðà 1 (LDD-10 ÇÀÎ “Ïîëóïðîâîäíèêîâûå ïðèáîðû”) íåïðåðûâíîãî äåéñòâèÿ ñ ìàêñèìàëüíîé ìîùíîñòüþ 1 Âò. Íàêà÷êà îñóùåñòâëÿëàñü íà äëèíå âîëíû 980 íì. Ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èçìåíÿëàñü îò 50 äî 590 ìÂò.  êà÷åñòâå çîíäà èñïîëüçîâàëîñü èçëó÷åíèå îò ëàìïû 6, êîòîðîå, ïðîõîäÿ ÷åðåç ìîíîõðîìàòîð 9, ðåãèñòðèðîâàëîñü InGaAsïðèåìíèêîì 10. Äàëåå ñèãíàë ïåðåäàâàëñÿ íà ñèíõðîííûé óñèëèòåëü 11 è îáðàáàòûâàëñÿ íà êîìïüþòåðå. Âñå èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ïðè êîìíàòíîé òåìïåðàòóðå.
 ðàáîòå áûëè ïðîâåäåíû ïðÿìûå èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü äëÿ ðàçëè÷íûõ óðîâíåé íàêà÷êè ïî ìåòîäèêå [7]. Íàêà÷êà N2/NEr (ãäå N2 – íàñåëåííîñòü óðîâíÿ 4I13/2, NEr – êîíöåíòðàöèÿ èîíîâ ýðáèÿ â ñòåêëå) îïðåäåëÿëàñü ïî èçìåðåíèÿì èçìåíåíèÿ ïîãëîùåíèÿ èç âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèÿ [7].
Ðåçóëüòàòû è îáñóæäåíèÿ
Ýêñïåðèìåíòàëüíûå çàâèñèìîñòè ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü ïðè ðàçëè÷íûõ ïîãëîùåííûõ ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè (Pïîãë) äëÿ îáðàçöà ñ êîíöåíòðàöèåé ýðáèÿ 0,29×1020 ñì–3 è èòòåðáèÿ 20,9×1020 ñì–3 (îáðàçåö ¹ 2) ïîêàçàíû íà ðèñ. 2. Ïðè óâåëè÷åíèè ìîùíîñòè íàêà÷êè ñíà÷àëà ïðîèñõîäèò ïðîñâåòëåíèå, çàòåì, ïðè ìîùíîñòÿõ áîëåå 150 ìÂò, ïðîõîäÿùèé ÷åðåç íàêà÷àííóþ îáëàñòü ñèãíàë íà÷èíàåò óñèëèâàòüñÿ, ò. å. êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ k > 0.
Äëÿ èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ íà êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ áûëè âçÿòû çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ íà äëèíå âîëíû 1535 íì è äëÿ âñåõ îáðàçöîâ ïîñòðîåíû åãî çàâèñè-
11 1
10 9
8 7
2
34 5
6 7
Ðèñ. 1. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè äëÿ èçìåðåíèÿ ñïåêòðîâ ïîãëîùåíèÿ èç îñíîâíîãî è âîçáóæäåííîãî ñîñòîÿíèé. 1 – ïîëóïðîâîäíèêîâûé ëàçåð, 2 – ïîëóïîçðà÷íîå çåðêàëî, 3 – äèàôðàãìà, 4 – îáúåìíûé îáðàçåö, 5 – ìîäóëÿòîð, 6 –ëàìïà íàêàëèâàíèÿ (λçîíä = 1,4–1,7 íì), 7 – ëèíçà, 8 – ñâåòîôèëüòð, 9 – ìîíîõðîìàòîð, 10 – InGaAs-ïðèåìíèê, 11 – ñèíõðîííûé óñèëèòåëü.
80
k, ñì–1 0
–0,1
4 5
3 2
1
–0,2 1460
1500
1540
1580
Äëèíà âîëíû, íì
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòè ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ïîòåðü
ïðè ðàçëè÷íûõ ìîùíîñòÿõ ïîãëîùåííîãî èçëó÷å-
íèÿ íàêà÷êè (îáðàçåö ¹ 2). 1 – 0, 2 – 35, 3 – 80, 4 –
150, 5 – 300 ìÂò. = 0,29×1020 ñì–3.
NYb
=
20,9×1020 ñì–3,
NEr
=
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
0,1 k, ñì–1
0
–0,1
–0,2 0
NEr = 0,29×1020 ñì–3
NYb, 1020 ñì–3
– 10,5
– 20,9 – 31,4
– 41,7 – 52,4
100 200
300
Ïîãëîùåííàÿ ìîùíîñòü, ìÂò
Ðèñ. 3. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ îò ìîùíîñòè íàêà÷êè.
0,1 k, ñì–1
0
2 1
–0,1
10 30 50 NYb×10–20, ñì–3
Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 35 (1) è 210 ìÂò (2).
ìîñòè îò ìîùíîñòè ïîãëîùåííîãî èçëó÷åíèÿ íàêà÷-
êè (ðèñ. 3).
Èç ðèñ. 3. âèäíî, ÷òî äëÿ îáðàçöîâ 1 è 2, èìåþ-
ùèõ òèïè÷íóþ äëÿ êîììåð÷åñêèõ èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ëàçåðîâ êîíöåíòðàöèþ ýðáèÿ 0,29×1020 ñì–3 è èòòåðáèÿ – 10,5×1020 è 20,9×1020 ñì–3, çîíäèðóþùèé ñè-
ãíàë íà÷èíàåò óñèëèâàòüñÿ (k > 0) ïðè ïîãëîùåííûõ
ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè áîëåå 150 ìÂò è äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ 0,05 ñì–1 ïðè ìîùíîñòÿõ íàêà÷-
êè 300–350 ìÂò. Óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ (NYb > 20,9×1020 ñì–3) ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïîðîãà óñèëåíèÿ. Òàê, äëÿ êîíöåíòðàöèè NYb = 41,7×1020 ñì–3 êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ k > 0 ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè
50 ìÂò è äîñòèãàåò ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ k = = 0,08–0,1 ñì–1 ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 200 ìÂò. Äàëü-
íåéøåå óâåëè÷åíèå ìîùíîñòè íàêà÷êè äî 300 ìÂò
ïðàêòè÷åñêè íå ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ. Ïðè ìàêñèìàëüíîé êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ (NYb = 52,4×1020 ñì–3) óñèëåíèå (k > 0) íàáëþäàåòñÿ óæå ïðè ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè 35 ìÂò. Ìàêñèìàëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ äëÿ ýòîé ïðåäåëüíîé êîíöåíòðàöèè äîñòèãàåò çíà÷åíèÿ 0,07 ñì–1 ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 70 ìÂò. Îäíàêî ïðè ìîùíîñòÿõ âûøå 150 ìÂò ïðîèñõîäèò ñíèæåíèå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ. Òàê, ïðè ìîùíîñòè íàêà÷êè 300 ìÂò êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ñíèæàåòñÿ äî 0,01 ñì–1.
Çàâèñèìîñòè êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ îò êîíöåíòðàöèè èîíîâ èòòåðáèÿ äëÿ äâóõ çíà÷åíèé ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 4. Ïðè ìàëîé íàêà÷êå (35 ìÂò) êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ îòðèöàòåëåí è ïðàêòè÷åñêè ëèíåéíî çàâèñèò îò êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ. Ïðè áîëüøîé íàêà÷êå (210 ìÂò) êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïîëîæèòåëåí óæå ïðè ìàëûõ êîíöåíòðàöèÿõ. Óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ äî 41,7×1020 ñì–3 âåäåò ê ðîñòó êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ äî 0,1 ñì–1. Äàëüíåéøåå ïîâûøåíèå êîíöåíòðàöèè, ò. å. ïåðåõîä ê ìåòàôîñôàòó èòòåðáèÿ, ïðèâîäèò ê ðåçêîìó ñíèæåíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ.
Âîçìîæíûìè ïðè÷èíàìè ñíèæåíèÿ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ïðè áîëüøèõ êîíöåíòðàöèÿõ èòòåðáèÿ è âûñîêèõ ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè (ðèñ. 3 è 4) ÿâëÿþòñÿ íàãðåâ îáðàçöà çà ñ÷åò óâåëè÷åíèÿ êîíöåíòðàöèè àêòèâàòîðà [8], à òàêæå óâåëè÷åíèå îáðàòíîãî ïåðåíîñà ýíåðãèè ñ ýðáèÿ íà èòòåðáèé. Îäíàêî ýòè ïðåäïîëîæåíèÿ íóæäàþòñÿ â äàëüíåéøèõ èññëåäîâàíèÿõ.
Âûâîäû
 ðàáîòå âïåðâûå ïðîâåäåíû êîìïëåêñíûå èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ è ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè íà ñïåêòðû óñèëåíèÿ/ ïîòåðü ýðáèÿ â îáëàñòè 1,5 ìêì â èòòåðáèé-ýðáèåâûõ ôîñôàòíûõ ñòåêëàõ. Êîíöåíòðàöèÿ èòòåðáèÿ èçìåíÿëàñü îò 0 äî ïðåäåëüíîãî çíà÷åíèÿ 52,4×10 20 ñì–3, à ïîãëîùåííàÿ ìîùíîñòü îò 25 äî 350 ìÂò. Ïîêàçàíî, ÷òî óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè èòòåðáèÿ íà÷èíàÿ ñ êîíöåíòðàöèè NYb = 20,9×1020 ñì–3 ïðèâîäèò ê ñíèæåíèþ ïîðîãà óñèëåíèÿ. Ñòåêëî ñ ïðåäåëüíîé êîíöåíòðàöèåé èòòåðáèÿ (ìåòàôîñôàò èòòåðáèÿ) èìååò ïîëîæèòåëüíûé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ ïðè ìàëûõ ìîùíîñòÿõ íàêà÷êè 35 ìÂò. Ïîêàçàíî, ÷òî óâåëè÷åíèå ìîùíîñòè íàêà÷êè ïðèâîäèò ê íåìîíîòîííîìó èçìåíåíèþ êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ó ìåòàôîñôàòà èòòåðáèÿ. Íàèáîëüøèé êîýôôèöèåíò óñèëåíèÿ 0,1 ñì–1 ïîëó÷åí íà îáðàçöå òîëùèíîé 0,5 ìì ñ êîíöåíòðàöèÿìè èòòåðáèÿ 41,7×1020 ñì–3 è ýðáèÿ 0,29×1020 ñì–3 ïðè ïîãëîùåííîé ìîùíîñòè íàêà÷êè 210 ìÂò.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008
81
Ðàáîòà âûïîëíåíà â ðàìêàõ ôåäåðàëüíîé öåëåâîé ïðîãðàììû “Èññëåäîâàíèÿ è ðàçðàáîòêè ïî ïðèîðèòåòíûì íàïðàâëåíèÿì ðàçâèòèÿ íàó÷íî-òåõíîëîãè÷åñêîãî êîìïëåêñà Ðîññèè íà 2007–2012 ãîäû” ïî ëîòó 4 (ìåðîïðèÿòèå 1.3 Ïðîãðàììû)”, øèôð 2007-3-1.3-24-01-177, ãîñóäàðñòâåííûé êîíòðàêò ¹ 02.513.11.3100, à òàêæå â ðàìêàõ ðåàëèçàöèè â ÑÏáÃÓ ÈÒÌÎ îáðàçîâàòåëüíîé ïðîãðàììû “Èííîâàöèîííàÿ ñèñòåìà ïîäãîòîâêè ñïåöèàëèñòîâ íîâîãî ïîêîëåíèÿ â îáëàñòè èíôîðìàöèîííûõ è îïòè÷åñêèõ òåõíîëîãèé”.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Desurvire E. Erbium-doped fiber amplifiers. N. Y.: Wiley, 1994.
12. Àëåêñååâ Í.Å., Ãàïîíöåâ Â.Ï., Æàáîòèíñêèé Ì.Å., Êðàâ÷åíêî Â.Á., Ðóäíèöêèé Þ.Ï. Ëàçåðíûå ôîñôàòíûå ñòåêëà. Ì.: Íàóêà, 1980. 352 ñ.
13. Lunter S.G., Fyodorov Yu K. Development of erbium laser glasses // Proc. of F. Simp. Light materials, Laser Technology material for Optic Telecomm. 1994. V. 2. Ð. 327–333.
14. Schott Glass Technologies “IOG-1 laser glasses”.
15. Kigre Inc. “QX-type glass”.
16. Georgiou E., Musset O., Boduqillon J-P, Denker B., Sverchkov S.E. 50mJ/30ns FTIR Q-switched diode pumped Er:Ybglass 1,54 μm laser // Opt. Comm. 2001. V. 198. Ð. 147–153.
17. Àñååâ Â.À., Íèêîíîðîâ Í.Â., Ïðæåâóñêèé À.Ê., ×óõàðåâ À.Â., Ðîõìèí À.Ñ. Èçìåðåíèå ñïåêòðîâ óñèëåíèÿ/ ïîòåðü â âûñîêîêîíöåíòðèðîâàííûõ ëàçåðíûõ ñòåêëàõ, àêòèâèðîâàííûõ èòòåðáèé-ýðáèåì // Îïòè÷åñêèé æóðíàë. 2003. Ò. 70. ¹ 11. Ñ. 18–22.
18. Nikonorov N.V., Przhevuskii A.K., Chukharev A.V. Characterization of non-linear upconversion quenching in Er-doped glasses: modeling and experiment // J. of NonCrystalline Solids. 2003. V. 324. Ð. 92–108.
82 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 75, ¹ 3, 2008