Document 517494

Е.А. САВЕЛЬЕВ, А.С. ШИКИН1, К.М. ГОЛАНТ
Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, Москва
1
Московский физико-технический институт (государственный университет)
КООПЕРАТИВНАЯ ФОТОЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ИОНОВ Yb3+ В ДИОКСИДЕ КРЕМНИЯ
Представлены результаты исследования кооперативной люминесценции в легированных иттербием
образцах диоксида кремния, синтезированных методом плазмохимического осаждения. Опираясь на
предыдущие работы в этой области, мы предполагаем, что интенсивность кооперативной люминесценции
может служить характеристикой степени кластеризации ионов Yb3+ и поэтому может быть использована для
поиска оптимальных технологических решений при синтезе лазерных материалов.
В последние два десятилетия появилось немало работ, посвященных решению проблем оптимизации
технологий для создания активных оптических волокон. Наиболее серьезной является проблема
кластеризации, когда активные центры (в нашем случае это ионы иттербия) распределяются по волокну не
равномерно, а группами. Вследствие этого возрастает негативное влияния кооперативных процессов на
деактивацию активных центров.
В 1970 году японскими учеными Шионоя и Наказава при исследованиях кристалла YbPO 4 была
обнаружено явление, которое они назвали кооперативной люминесценцией [1]. При сближении двух
одинаковых систем, находящихся в возбужденных состояниях, возрастает вероятность одновременного
перехода этих систем в основное состояние с испусканием только одного фотона, но с удвоенной энергией
[2,3]. Было показано, что наблюдение кооперативной люминесценции в ионах Yb3+ возможно только тогда,
когда расстояние между соседними ионам не превышает 5 Å [2]. При типичной для наших образцов
концентрации Yb3+ 1020 см-3 и равномерном распределении ионов в матрице диоксида кремния расстояние
между соседними ионами составляет порядка 20 Å. Тем самым по интенсивности кооперативной
люминесценции можно судить о степени кластеризации иттербия [2, 4, 5]. Мы предполагаем, что
существенное влияние на долю кластеризованных ионов иттербия в кварцевом стекле оказывает наличие
стадии проплавления в технологическом процессе. Для сравнения характеристик образцов проходивших и
не проходивших стадию проплавления мы провели эксперименты по регистрации кооперативной
люминесценции в них.
Рис. 1. Сравнение спектра кооперативной и свертки ИК люминесценции
С помощью технологии плазмохимического осаждения из газовой фазы [6] были получены образцы
стекла с иттербием не прошедшие стадию проплавления. Плавленые же образцы получались при
последующем проплавлении осажденного слоя в пламени кислородно-водородной горелки. По спектру
поглощения и известному коэффициенту экстинкции были сделаны оценки концентрации ионов Yb3+ в
синтезированных стеклах. В эксперименте были измерены спектры и времена затухания инфракрасной и
кооперативной люминесценций. Вычисленная свертка спектра инфракрасной люминесценции хорошо
совпала с наблюдаемым спектром кооперативной (рис. 1). Хорошее совпадение спектров свидетельствует о
том, что доля загрязняющих примесей редкоземельных элементов (Er, Tm), способных посредством
апконверсионных процессов дать вклад в наблюдаемый сигнал кооперативной люминесценции, не
превышает 5 ppm.
Список литературы
1. Nakazawa E., Shionoya S. Cooperative luminescence in YbPO4. Phys. Rev. Lett. 1970. 25. P.1710–1712.
2. Auzel F., Meichenin D., Pellé F., Goldner P. Cooperative luminescence as a defining process for RE-ions
clustering in glasses and crystals. Opt. Mater. 1994. V.4. P.35-41.
3. Goldner P., Schaudel B., Prassas M. Dependence of cooperative luminescence intensity on Yb3+ spatial
distribution in crystals and glasses. Phys. Rev. B. 2002. V.65.
4. Auzel F. Towards rare-earth clustering control in doped glasses. Opt. Mater. 2001. V.16. P.93–103.
5. Schaudel B., Goldner P., Prassas M., Auzel F. Cooperative luminescence as a probe of clustering in Yb3+
doped glasses. J. Alloy. Comp. 2000. 300–301(1-2). P.443–449.
6. Golant K.M. Surface plasma chemical vapor deposition: 20 years of application in glass synthesis for
lightguides (a review). XXI International Congress on Glass, Strasbourg, 2007. P.L13.