Область наук:

  • нанотехнології

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал

    Фотон-експрес


    Наукова стаття на тему 'кварцовий волоконних світловодів, активоване нанокристалів YAG: Nd3 +'

    Текст наукової роботи на тему «кварцовий волоконних світловодів, активоване нанокристалів YAG: Nd3 +»

    ?вкво-2019 - вкво-2019 Волоконні світловоди і волоконно-оптичні компоненти

    Кварцовий волоконних світловодів, активоване нанокристалів YAG: Nd3 +

    12 1 3 * 1 13

    Евстропов С.К. ', Асєєв В.А. , Демидов В.В. , Кузьменко Н.К. , Матросова А.С. ', Комаров А.В.3, Дукельский К.В.1'4, Ніконоров Н.В.1, Орешкіна К.В.1

    1 Університет ИТМО, м.Санкт-Петербург 2 Санкт-Петербурзький державний технологічний інститут (технічний університет),

    м. Санкт-Петербург

    3Научно-виробниче об'єднання Державний оптичний інститут ім. С.І. Вавилова,

    м. Санкт-Петербург

    4 Санкт-Петербурзький державний університет телекомунікацій ім. проф. МА. Бонч-Бруєвича,

    м. Санкт-Петербург

    '' E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    DOI 10.24411 / 2308-6920-2019-16067

    Лазери і підсилювачі, як активне середовище яких використовуються леговані іонами рідкоземельних металів кварцові волоконні світловоди (КВС), знаходять широке практичне застосування і є об'єктом інтенсивних досліджень [1-3]. Однак, незважаючи на високий рівень розвитку технології отримання кварцового скла, створення активних матриць з іонами рідкоземельних металів, що володіють високими люмінесцентними характеристиками, залишається важкою задачею.

    Відомо, що розташування іонів неодиму (Nd3 +) в матриці алюмо-ітрієві граната (Yttrium Aluminum Garnet, YAG) забезпечує чудові люмінесцентні властивості [2], завдяки чому цей лазерний матеріал отримав широке застосування на практиці. З іншого боку, жодна з існуючих технологій не дозволяє модифікувати кварцове скло кристалами YAG: Nd3 + з необхідною відтворюваністю. З цієї причини розробка КВС, активованих кристалами YAG: Nd3 +, являє собою актуальну проблему, вирішення якої має важливе значення для розвитку галузі потужних волоконних лазерів і підсилювачів.

    Мета цього дослідження полягала в розробці прототипу активного КВС, в матрицю якого введені високолюмінесцентние нанокристали YAG: Nd3 +, і характеризації його властивостей. Основна ідея полягала в використанні преформ мікроструктурованих КВС, що містять в каналах попередньо вирощені нанокристали малого розміру.

    Технологічний процес отримання оптичних елементів включав набір послідовних операцій: 1) приготування однорідного плівкоутворювального розчину, що володіє високою адгезійною здатністю з поверхнею кварцового скла; 2) просочення каналів попередньо підготовленої преформи мікроструктурованих КВС; 3) сушка і прожарювання просочених розчином преформ при температурі 1000-1100 ° C; 4) перетягування преформ в КВС при температурі 2000-2100 ° C. На Рис. 1 представлені зображення поперечного перерізу витягнутих оптичних елементів.

    • •

    • • V • •

    Діаметр елемента 120 мкм

    а) + б)

    Мал. 1. Зображення поперечного перерізу КВС з нанокристалами, отриманого відтягуванням

    локального ділянки преформи в полум'ї киснево-водневої пальника тепломеханічного верстата системи ИСУБ (а) і витягуванням преформи на вежі витягування при температурі 2000 ° С (б)

    136

    №6 2019 СПЕЦВИПУСК «ФОТОН-ЕКСПРЕС-НАУКА 2019» Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    вкво-2019 Волоконні світловоди і волоконно-оптичні компоненти

    Для формування покриттів на основі нанокристалів YAG: Nd3 + в каналах преформи мікроструктурованих КВС застосовувався рідинний полімерно-сольовий метод, який базується на використанні розчинів з вмістом термічно розкладаються солей металів і розчинної органічної полімеру [4]. Як прекурсорів для виготовлення покриттів були обрані водні розчини Y (NO3) 2, Al (NO3) 2, NdCl3 і полівінілпіролідон. Задані кількості цих компонентів змішували при інтенсивному перемішуванні протягом 30 хвилин в умовах кімнатної температури до отримання однорідних і прозорих плівкоутворюючих сумішей. Канали преформи заповнювалися отриманими сумішами також при кімнатній температурі. Після сушіння в природних умовах протягом 24 годин преформу піддавали термічній обробці в електричній печі при температурі 1100 ° C протягом 2 годин.

    Склад кристалічної фази в витягнутому КВС визначали рентгенівським дифрактометрів Rigaku Ultima IV. Для оцінки розмірів окремих кристалів використовували метод Дебая-Шеррер. Люмінесцентні характеристики матеріалу досліджували за допомогою експериментальної установки, що має в своєму складі твердотільний лазер на кристалі YAG: Nd і фотоприймач. Результати рентгенофазового аналізу і виміряний спектр люмінесценції наведені на Рис. 2.

    et і

    я але

    ? -

    про про я 21 Я

    Про Я 1) н я Я

    про про а

    З з про

    про " < СП про - ГЧ - 3 W

    \ 2 <N Про _ . > a я w > ^ А про

    J \ 1 <

    W Ulli л

    U

    я -

    про

    я я

    рр я і

    er

    і та я

    ?

    28

    32

    36

    40

    44

    48

    400 1000 1100 1200

    1300

    1400

    29

    Довжина хвилі, нм

    а) б)

    Мал. 2. Результати рентгенофазового аналізу (а) і спектр люмінесценції (б) КВС з нанокристалами YAG: Nd3 +, отриманого перетягуванням преформи на вежі витягування при температурі 2000 ° C

    Мал. 2а показує наявність орієнтованих нанокристалів YAG: Nd3 + в складі витягнутого КВС. Це свідчить про те, що нанокристали, попередньо сформовані в каналах преформи при температурі 1100 ° C, збереглися в матриці кварцового скла в процесі повторної термічної обробки при температурі 2000 ° C. Остання із зазначених температур вище температури плавлення об'ємного кристала YAG, складовою 1940 ° C [5]. Відсутність помітних змін в структурі нанокристалів при виготовленні КВС можна пояснити високою швидкістю процесу витягування і, відповідно, його малою тривалістю. Розмір нанокристалів склав від 25 до 38 нм, що, виходячи з високої різниці показників заломлення кварцового скла (n = 1,46) і нанокристалів YAG (n = 1,83), має сприяти мінімізації розсіювання світла. Виміряний методом обриву значення оптичних втрат на довжині хвилі 1064 нм виявилося рівним 10 дБ / м.

    Форма поданого на Рис. 2б спектра люмінесценції КВС з нанокристалами YAG: Nd3 + характерна для кристалів YAG: Nd і практично ідентична такій для об'ємних матеріалів, а також для нанокристалів, отриманих різними методами [6]. Основний пік випромінювання на довжині хвилі 1064 нм відповідає електронному переходу 4F3 / 2 ^ 4/11/2. Час загасання люмінесценції склало 248 мкс, що можна порівняти з аналогічним параметром для об'ємного кристала (292 мкс).

    Дослідження виконано за фінансової підтримки гранту Російського наукового фонду (проект № 19-19-00596).

    література

    1. Tammela S., et al, Proceedings ofSPIE 6116, 61160G (2006)

    2. Martial I, et al, Optics Express 19, 11667-11679 (2011)

    3. Mrazek J, et al, Applied Sciences 8, 833 (2018)

    4. Evstropiev S.K., et al, Optical Engineering 55, 047 108 (2016)

    5. Iida Y, et al, Vibrational Spectroscopy19, 399-405 (1999)

    6. Hreniak D., et al, Materials Science 20, 39-45 (2002)

    №6 2019 СПЕЦВИПУСК «ФОТОН-ЕКСПРЕС-НАУКА 2019»

    Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її. 137


    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити