Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по физике  

На правах рукописи

ВЕЛЬМИСКИН ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

Волоконные световоды с активной сердцевиной, полученной путем спекания смеси порошкообразных оксидов исходных веществ

01.04.07 - Физика конденсированного состояния

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Москва - 2011

Работа выполнена в Научном центре волоконной оптики РАН

Научный руководитель:	доктор физико-математических наук Семенов Сергей Львович
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук Курков Андрей Семенович (ИОФ РАН) кандидат физико-математических наук Никитин Евгений Петрович (ВНИИКП)
Ведущая организация:	Институт химии высокочистых веществ РАН

Защита состоится  л30 января 2012 г. в 15 часов на заседании

Диссертационного совета Д 002.063.02 при

Институте общей физики им. А.М. Прохорова РАН

по адресу: 119991, г. Москва, ул. Вавилова 38, ИОФ РАН, корп. 1, конференц-зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики

им. А.М. Прохорова РАН

Автореферат разослан л___ декабря 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Макаров В.П.

                                                                      Тел. (499) 503-83-94

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В последние 20 лет различные типы лазеров все шире применяются в промышленности, производя революционные изменения в технологических процессах. Лазерная сварка, резка, гравировка и другие виды обработки материалов становятся обыденным делом. Однако действительно повсеместное использование лазеров часто сдерживается высокой стоимостью лазерных систем и сложностью в эксплуатации.

Высокая стоимость и сложность существующих твердотельных лазерных систем заставляют разработчиков лазерного оборудования все больше и больше обращаться к возможности использования волоконных световодов в качестве активных элементов лазеров. Преимуществами волоконных лазеров являются: прямая накачка лазерными диодами и ее полное поглощение на большой длине, что способствует высокому значению эффективности генерации (80% в случае использования легированного ионами иттербия кварцевого стекла в качестве активного материала); отсутствие проблем, связанных с термооптическими явлениями, которые представляют существенное ограничение для повышения мощности твердотельных лазеров; надежность и простота, по сравнению с неволоконными аналогами.

Дальнейшее развитие  идет по двум основным направлениям:  первым является повышение мощности, эффективности, качества выходного пучка для лазеров на ионах редкоземельных элементов (в первую очередь на ионах иттербия, а также эрбия, тулия и гольмия). Другое - поиск возможностей для получения генерации в областях спектра, которые не покрываются возможностями генерации на редкоземельных ионах.

В обоих случаях ключевую роль играет материал активной сердцевины волоконного световода. Это должно быть кварцевое стекло, легированное активным веществом (оксидом иттербия, эрбия, тулия, гольмия, висмута и т.п.) и солегированное оксидами алюминия, германия или фосфора. При этом даже небольшие неоднородности в показателе преломления сердцевины могут свести на нет все ухищрения в конструкции оболочки световода, обеспечивающие одномодовость и большой диаметр выходного пучка.

Хорошо отработанные методы получения высокочистого материала для световедущей сердцевины на основе кварцевого стекла, использующие в различных модификациях процесса осаждения из газовой фазы (MCVD, OVD, PCVD) позволяют в настоящее время производить десятки миллионов километров световодов в год для передачи оптического сигнала в линиях связи. Одним из самых важных параметров у световодов для передачи информации является оптическое затухание. В настоящее время у большинства производимых световодов оно не превышает 0,2 дБ/км на длине волны 1550 нм, вплотную приближаясь к значению затухания, обусловленному фундаментальными механизмами.

Однако, в случае активных световодов для волоконных лазеров и усилителей ситуация оказывается иной. Из-за небольшой длины используемых световодов (десятки метров), здесь не требуются сверхнизкие оптические потери. Достаточным оказывается 20 дБ/км, а при переходе на более эффективные конструкции, когда в одном лазере или каскаде усилителя будет использоваться 1 метр световода или меньше, приемлемыми будут оптические потери на уровне 100 дБ/км. В то же время существенно ужесточаются требования по равномерности распределения легирующих добавок по радиусу сердцевины, а главное, требуется введение в качестве легирующих добавок  оксидов редкоземельных металлов или, например, висмута.

В результате, процесс осаждения из газовой фазы существенно усложняется. Обеспечение равномерного легирования по радиусу сердцевины и по длине заготовки волоконного световода оказывается достаточно сложной задачей.

В таком случае возникает желание вернуться к издавна используемому методу получения легированного кварцевого стекла - его варке из смеси оксидов исходных веществ. Однако классический вариант - варка в тигле - для данной задачи, как правило, не подходит. Требуемая степень легирования кварцевого стекла сравнительно невысока (несколько молярных процентов в сумме по всем добавкам), поэтому нужна высокая температура варки (больше 1500 С), что требует специальных печей и специальных материалов тиглей. В таких условиях крайне проблематично обеспечить чистоту получаемого стекла на таком уровне, чтобы оптические потери не превышали хотя бы 100 дБ/км. Кроме того, неконтролируемые загрязнения, например из материала тигля, могут существенно исказить люминесцентные свойства стекла.

В то же время, бурное развитие микроструктурированных световодов привело к разработке и усовершенствованию технологии их изготовления, когда капилляры, предварительно вытянутые из высокочистого кварцевого стекла, собираются в требуемую структуру, помещаются в трубку также из высокочистого кварцевого стекла и затем спекаются (лконсолидируются) в заготовку, из которой затем вытягивается волоконный световод. Было показано, что при правильном соблюдении всех технологических предосторожностей, оптические потери в таких световодах могут выйти даже на уровень обычных световодов, то есть на 0,2 дБ/км.

Естественно, возникает желание попытаться совместить процесс варки стекла из смеси порошков оксидов с технологией получения микроструктурированных световодов, для получения стекла с приемлемыми для волоконной оптики оптическими потерями. Поэтому целью данной работы было развитие метода получения материала активной сердцевины из смеси порошков оксидов исходных веществ с использованием методик микроструктурирования.

Реализация намеченной цели предусматривала решение следующих зандач:

1. Разработать методику спекания смеси порошков оксидов внутри высокончистой кварцевой трубки, исключающую загрязнение материала и образование пузырьков.
2. Разработать методики анализа однородности получаемого материала.
3. Разработать методику дальнейшей гомогенизации полученного матенриала.
4. Изготовить световоды на основе полученных активных материалов.
5. Провести исследования оптических (в том числе генерационных) харакнтеристик полученных световодов.

Научная новизна работы

1. Впервые повышение однородности материала, полученного методом спекания оксидов, было проведено путем циклического перетягивания-спекания материала. В результате оптические потери  в световодах были снижены до уровня 60 дБ/км в случае легирования оксидом алюминия, и до 95 дБ/км в случае легирования оксидами алюминия и иттербия.
2. Данным методом впервые в мире получены волоконные световоды с сердцевиной из плавленого кварца, легированного висмутом и не содержащего дополнительных легирующих примесей. Также впервые в таких световодах измерены оптические потери в широкой спектральной области 190 - 1700 нм. Люминесцентные свойства (спектры поглощения и времена жизни) висмутовых активных центров в диапазоне 244 - 1700 нм исследованы как в заготовках, так и в вытянутых из них волоконных световодах.
3. Впервые получены легированные висмутом волоконные световоды с оболочкой из кварцевого стекла и с сердцевиной из многокомпонентного стекла (60 mol% SiO2, 30 mol% MgO, 10 mol% Al2O3). Впервые проведено сравнение оптических свойств объемных образцов магний-алюмо-силикатного стекла, легированного висмутом, и волоконных световодов аналогичного состава. Показано, что спектры люминесценции объемных образцов и световодов мало различаются между собой и близки к свойствам алюмосиликатных MCVD-световодов. Образцы объемного стекла, сваренные в иридиевом тигле, обладают примерно на порядок более высоким уровнем так называемых серых оптических потерь по сравнению с волоконными световодами, полученными спеканием оксидов в трубке из сверхчистого кварцевого стекла.

Научно-практическая значимость работы

Разработана методика получения активного материала сердцевины волоконных световодов путем спекания порошков оксидов в кварцевой трубке с последующим микроструктурированием (циклами перетягивание-спекание).

Полученные результаты могут быть использованы для разработки активных волоконных световодов с увеличенным размером поля моды, а также в исследованиях по получению новых активных материалов для волоконной оптики.

Работа выполнялась при поддержке Гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых № МК-8069.2010.2, а также Гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 10-02-00334-а.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы были представлены на девятой всенроссийской конференции с элементами молодежной научной школы (Саранск, 2010 г.), второй и третьей всероссийских конференциях по волоконной оптике (Пермь, 2009 г., Пермь, 2011г.), на симпозиуме международного общества оптического конструирования SPIE (Сан-Франциско, США, 2010 г.), европейской конференции по оптическим коммуникациям ECOC (Вена, Австрия, 20 - 24 сентября 2009 г.), третьем международном форуме по нанотехнологиям (Москва, 1 - 3 ноября 2011 г.), а также докладывались на семинарах НЦВО РАН. Основные результаты диссертации представлены в 10 публикациях, 2 из них - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на 101 странице машинописного текста и содержит 40 рисунков и 4 таблицы. Список литературы содержит 68 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность данной работы, сформулирована основная цель исследования.

Глава 1 представляет собой обзор литературных источников. В параграфе 1.1 дано краткое описание основных типов активных волоконных световодов и легирующих примесей, используемых в настоящее время (ионы редкоземельных элементов), а также таких перспективных, как висмут. Сформулирован ряд основных требований к свойствам активных волоконных световодов и методам их получения, позволяющих добиться высокого качества выходного лазерного пучка. Можно записать их в следующем виде:

1. Возможность получения оптического материала активной сердцевины с малыми флуктуациями показателя преломления с геометрическим размером (диаметром) не более d = 1 мкм (меньше длины волны излучения) и амплитудой не более n 10-5.
2. Возможность прецизионного введения в состав стекла легирующих примесей, зачастую в достаточно больших концентрациях (единицы весовых процентов). При этом, благодаря небольшим рабочим длинам (единицы и десятки метров), минимальный допустимый уровень оптических потерь в активных световодах может быть на порядки выше, чем в телекоммуникационных.
3. Возможность введения в состав материала разнообразных по химической природе примесей в нужных валентных состояниях, в определенных сочетаниях или в чистом виде. Немаловажным преимуществом метода будет возможность управления величиной показателя преломления материала сердцевины световодов.

В параграфе 1.2 сделан обзор методов получения активных волоконных световодов из газовой фазы, описаны их достоинства и недостатки. Главная особенность методов получения из газовой фазы заключается в том, что они изначально разрабатывались для получения телекоммуникационных волоконных световодов со сверхнизким уровнем оптических потерь и малыми концентрациями легирующих примесей, что делает их использование для изготовления активных световодов неэффективным и дорогостоящим. В параграфе 1.3 сделан обзор литературных источников, посвященных разработке и применению нового метода получения активных волоконных световодов - методу спекания из порошкообразных оксидов исходных веществ. Его основным преимуществом является возможность сравнительно легкого получения большого количества сильнолегированного оптического материала, недостатком же - наличие в полученных световодах крупных оптических неоднородностей, приводящих к сильному рассеянию излучения.

В параграфе 1.4 рассмотрены процессы, происходящие при спекании оптического материала и приводящие к возникновению неоднородностей. Сделан краткий обзор публикаций, посвященных устранению вышеназванного недостатка метода спекания из оксидов, в частности использованию мелкодисперсной оксидной шихты или нагреву смеси оксидов излучением СО2-лазера до высоких температур (более 2400 С).

В главе 2 приводится описание методов получения активных волоконных световодов, использованных в данной работе, а также методов исследования структурных и оптических свойств полученных световодов. В параграфе 2.1 подробно описана технология изготовления преформ волоконных световодов путем спекания оксидов, представлены основные параметры процесса спекания и характеристики использовавшихся прекурсоров. Типы полученных образцов и методики исследования их оптических и структурных свойств  рассмотрены в параграфе 2.2. В частности, в нем показана возможность использования средств атомно-силовой микроскопии для изучения распределения концентрации легирующих добавок по сечению сердцевины волоконных световодов и флуктуаций этих значений.

Глава 3 посвящена изучению свойств активных волоконных световодов, полученных при спекании оксидов и легированных ионами алюминия и иттербия. В параграфе 3.1 приводится схема разработанной методики оптимизации структуры материала сердцевины активных волоконных световодов, выглядящая следующим образом (рис. 1).

Рис. 1. Схема методики многократных перетягиваний и консолидаций

Полученные при спекании оксидной шихты стержни перетягиваются на меньшие диаметры в индукционной печи  вытяжной колонны при температурах 1850 - 1900 С и разделяются на равные отрезки заранее выбранной длины, обычно 300 - 500 мм. После проведения процедуры удаления загрязнений с поверхности стержней из них формируется сборка, которая помещается в канал  запаянной с одного конца трубы из стекла марки F300. Толщина стенки трубы и ее диаметр подбираются, исходя из размеров полученной сборки.

Затем полученная сборка консолидируется на горизонтальном стеклодувном станке. При нагреве до температуры размягчения кварцевого стекла (T 2000 C) и при пониженном давлении сборка  консолидируется в монолитный стержень. В результате получается преформа волоконного световода с легированной сердцевиной и чистой кварцевой оболочкой, которая затем  перетягивается в печи вытяжной башни на стержни малого диаметра. Далее весь процесс повторяется.

Сделана оценка влияния методики на величину неоднородностей на основании данных, полученных с помощью сканирующей электронной (СЭМ) и атомно-силовой микроскопии (АСМ). За один цикл оптимизации размер неоднородностей уменьшался примерно на один порядок. В настоящей работе для одного типа заготовок было проведено максимум три таких цикла, что позволило уменьшить размер неоднородностей в оптическом материале с первоначальных 100 мкм до 125 нм. Уменьшение геометрических размеров характеризующихся разным составом областей кварцевого стекла до субмикронных значений приводит к резкому усилению процессов взаимной диффузии, даже при относительно невысоких температурах (около 2000 С), что, в свою очередь, приводит к уменьшению флуктуаций показателя преломления материала сердцевины и снижению уровня оптических потерь на рассеяние.

В параграфе 3.2 проведено исследование свойств легированного ионами алюминия кварцевого волоконного световода, полученного с помощью метода спекания из оксидов совместно с использованием методики оптимизации структуры. Минимальные оптические потери в световоде с содержанием ~ 2 мол. % Al2O3 (диаметр оболочки - 125 мкм, диаметр легированной сердцевины - 30 мкм) после проведения одного цикла методики оптимизации и уменьшения характерного размера неоднородностей в материале заготовки со 100 мкм до 5 - 10 мкм составили 60 дБ/км (рис. 2).

Рис. 2. Спектр оптических потерь волоконного световода, легированного ионами Al3+ (сплошная кривая - данные, полученные для образца длиной 54 м, пунктирная - 262 м). Пики на 915 нм и 970 нм обусловлены наличием в световоде остаточных количеств ионов Yb3+.

В параграфе 3.3 приводятся результаты исследования оптических и структурных свойств заготовок и волоконных световодов аналогичного состава, дополнительно легированных оксидом иттербия Yb2O3, а также данные по влиянию оптимизации на размеры неоднородностей в активном материале. В работе было произведено две хронологически следующие друг за другом серии заготовок и волоконных световодов, легированных алюминием и иттербием. Показано, что в случае солегирования материала оксидом иттербия на уровне 0,25 мол. %, вследствие низкой растворимости последнего в кварцевом стекле, необходимо проведение минимум трех циклов методики оптимизации, чтобы достигнуть уровня оптических потерь менее 100 дБ/км (на длине волны = 1200 нм ~ 95 дБ/км) (Рис. 3).

Рис. 3. Электронные фотографии материала сердцевин легированных ионами Yb3+ и  Al3+ заготовок после проведения первого (1), второго (2) и третьего (3) циклов методики оптимизации (увеличено в 500 раз). Внизу: спектры оптических потерь, измеренные в соответствующих многомодовых волоконных световодах (кривые 1, 2 и 3, соответственно)

АСМ-исследование образцов показало, что при этом геометрические размеры неоднородностей в материале активной сердцевины уменьшаются на три порядка и в волоконных световодах после третьего цикла составляют ~ 100 нм (Рис. 4). При этом за счет интенсивно происходящих процессов взаимной диффузии исходных компонентов уменьшается амплитуда флуктуаций показателя преломления материала сердцевины.

Рис. 4. АСМ-изображения химически протравленных поверхностей торцов световодов

после первого (1), второго (2) и третьего (3,4) циклов методики оптимизации

(условия травления всех образцов идентичные)

В  изготовленном путем спекания оксидов одномодовом волоконном световоде с диаметром активной сердцевины 9 мкм и диаметром оболочки 125 мкм при накачке на 910 нм получена лазерная генерация с дифференциальной  эффективностью 65 - 70 % и порогом генерации 150 мВт. Исследование лазерного излучения на длине волны генерации показало, что в ближней зоне дифракции наблюдается устойчивая мода сердцевины с формой, приближенной к гауссовой.

Глава 4 посвящена получению с помощью метода спекания и изучению свойств двух новых типов активных волоконных световодов, легированных висмутом. В параграфе 4.1 представлены результаты изучения оптических и спектрально-люминесцентных свойств волоконных световодов на основе кварцевого стекла с сердцевиной из Mg-Al-силикатных стекол (60 mol% SiO2, 30 mol% MgO, 10 mol% Al2O3), легированных висмутом. Также проведено сравнение свойств полученных световодов со свойствами объемных образцов стекол аналогичного состава (рис. 5). В частности, показано, что:

1. Спектры люминесценции объемных образцов и световодов мало различаются между собой и близки к свойствам волоконных алюмосиликатных световодов, полученных MCVD-методом.
2. Образцы объемного стекла, сваренные в иридиевом тигле, обладают на порядок более высоким уровнем т.н. серых оптических потерь по сравнению с волоконными световодами, полученными спеканием оксидов в трубе из сверхчистого кварцевого стекла. Данное обстоятельство может служить объяснением того факта, что до настоящего времени не было получено лазерной генерации на объемных стеклах, легированных висмутом.

Рис. 5. Спектры оптического поглощения объемного образца стекла (1) и волоконного световода (2), легированных 0.125 at% висмута; волоконного световода без висмута (3).

В параграфе 4.2 приводятся описание методики получения и результаты исследования оптических свойств кварцевых волоконных световодов, легированных только висмутом и не содержащих дополнительных добавок. Система кварцевое стекло - висмут представляет значительный интерес с точки зрения изучения природы активных висмутовых центров, как одна из наиболее простых моделей.

Показано, что в случае содержания в кварцевом стекле менее 0,1 мол. % трёхвалентного оксида висмута оптические потери в световодах, полученных путем спекания оксидов, могут составлять менее 1 дБ/м, что позволяет использовать их без проведения дополнительной процедуры оптимизации структуры материала активной сердцевины. В настоящей работе получены заготовки и, впервые в мире, волоконные световоды с сердцевиной из кварцевого стекла, легированного висмутом и не содержащего дополнительных легирующих примесей. Представлены данные измерения оптических потерь в широкой спектральной области 190 - 1700 нм, впервые полученные в световодах такого типа. Как в заготовках, так и в вытянутых из них волоконных световодах в диапазоне 244 - 1700 нм были исследованы люминесцентные свойства (спектры поглощения и времена жизни) висмутовых активных центров (рис. 6).

Рис. 6. 1 - спектр оптических потерь волоконного световода. На врезке показан участок спектра в линейном масштабе по вертикальной оси. 2 - Спектры люминесценции световодов и их заготовок при возбуждении излучением с длиной волны: a) 244 нм, b) 457 нм, c) 532 нм, d) 808 нм, e) 1058 нм, f) 1230 нм.

В заключении представлены основные выводы по результатам проведенных исследований:

1. Разработана лабораторная технология изготовления материала сердцевины активных волоконных световодов путем спекания порошкообразных оксидов исходных веществ внутри опорной трубы из кварцевого стекла. Данная технология позволяет проводить легирование кварцевого стекла оксидами веществ, имеющими низкое давление пара при температуре получения стекла Т ~ 2000 C, в том числе Al2O3, Bi2O3, оксидами редкоземельных металлов.
2. Впервые получены кварцевые волоконные световоды с активной сердцевиной из магний-алюмосиликатного стекла (60 mol% SiO2, 30 mol% MgO, 10 mol% Al2O3), легированного висмутом. Благодаря использованию смеси исходных компонентов с температурой плавления менее 1500 С минимальный уровень оптических потерь в таких световодах составил менее 1 дБ/м. Показано, что в области длин волн ~ 1 мкм уровень оптических потерь в таких световодах на порядок ниже, чем в аналогичных по составу образцах стекла, сваренного традиционным методом в тигле.
3. При использовании разработанной технологии впервые удалось изготовить световоды на основе кварцевого стекла, легированного оксидом висмута с концентрацией до 0,1 mol% без дополнительных легантов. Оптические потери в световодах составили ~ 1 дБ/м. Впервые исследованы оптические и люминесцентные свойства таких световодов в видимом и ближнем ИК диапазонах длин волн.
4. Показано, что при использовании для спекания смеси порошков SiO2 и Al2O3 (содержание Al2O3 ~ 2 мол. %) с размерами частиц 50 - 100 мкм и 10 мкм, соответственно, оптическая однородность материала оказывается недостаточной для получения активных волоконных световодов с приемлемым уровнем оптических потерь (менее 100 дБ/км). С целью повышения однородности материала разработана методика перетягивание - консолидация, позволившая при проведении каждого цикла уменьшать поперечные геометрические размеры неоднородностей на один порядок и, благодаря интенсивно происходящим процессам диффузии, снижать величину флуктуаций показателя преломления. Показано, что для получения приемлемого уровня оптических потерь в световоде (60 дБ/км) исходные поперечные неоднородности в материале заготовки должны быть уменьшены до размера 5 - 10 мкм.
5. Экспериментально продемонстрировано, что в случае добавления к  смеси порошков SiO2 и Al2O3 оксида иттербия в диапазоне концентраций 0 - 1 мол. % для того, чтобы достигнуть в световоде оптических потерь в 100 дБ/км, поперечные неоднородности в заготовке должны быть уменьшены до 0,1 мкм. В одномодовом волоконном световоде с уровнем оптических потерь ~ 95 дБ/км на = 1200 нм, вытянутом из материала с таким размером неоднородностей, при накачке на длине волны 910 нм была получена лазерная генерация с дифференциальной эффективностью 65 - 70 %.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.В. Вельмискин, О.В. Егорова, С.Л. Семенов.  Порошков

   GEUM RU