ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 1, с. 146-150
СПЕКТРОСКОПИЯ КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ
УДК 535.372:546.666:536.51
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ОТНОШЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЕЙ ПОЛОС АПКОНВЕРСИОННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ АКТИВИРОВАННЫХ ИОНАМИ ЭРБИЯ КРИСТАЛЛОВ YVO4 И YGdVO4 И СВИНЦОВО-ФТОРИДНЫХ НАНОСТЕКЛОКЕРАМИК
© 2015 г. Ю. А. Варакса*, Г. В. Синицын*, М. А. Ходасевич*, **, В. А. Асеев**, Е. В. Колобкова**, А. С. Ясюкевич***
* Институт физики им. Б.И. Степанова НАНБеларуси, 220072 Минск, Беларусь ** Университет ИТМО, 197101 Санкт-Петербург, Россия *** Научно-исследовательский центр оптических материалов и технологий Белорусского национального
технического университета, 220013 Минск, Беларусь E-mail: m.khodasevich@dragon.bas-net.by Поступила в редакцию 18.06.2014 г.
Исследованы спектры апконверсионной флуоресценции кристаллов YVO4 и YGdVO4 и свинцово-фторидных наностеклокерамик, соактивированных ионами эрбия и иттербия, в диапазоне длин волн 520—560 нм при накачке на длине волны 967 нм. Измерено отношение интенсивностей полос флуоресценции, расположенных вблизи 520—530 и 540—550 нм, в диапазоне температур от комнатной до 150°С. Показано, что рассмотренные материалы могут использоваться для изготовления чувствительного элемента оптических флуоресцентных температурных датчиков, причем по чувствительности измерения температуры наностеклокерамики могут приближаться к кристаллическим образцам.
DOI: 10.7868/S0030403415010237
ВВЕДЕНИЕ
Явление антистоксовой флуоресценции кристаллов и стекол, активированных ионами редкоземельных элементов, известное также как апконвер-сионная флуоресценция, продемонстрировано для большинства редкоземельных элементов [1]. Интерес к этому явлению обусловлен возможностью его использования для преобразования частоты оптического излучения в солнечных фотоэлементах, дисплеях, сенсорах и других устройствах, а также для лазерной генерации. Кроме того, зависимость от температуры величины отношения интенсивностей полос апконверсионной флуоресценции с двух близкорасположенных уровней энергии позволяет реализовать оптический флуоресцентный датчик температуры (fluorescence intensity ratio (Р1Я)-датчик). Для такого вида датчиков характерна независимость от флуктуаций уровня накачки, более высокая чувствительность и более простая схемотехника детектирующей электроники, чем у датчиков на основе измерения времени затухания флуоресценции [2]. Такие датчики не создают электромагнитных помех, могут использоваться в неблагоприятных условиях, например в устройствах, испытывающих постоянное воздействие сильных электромагнитных полей, в частности в мощных транформато-рах, а также в химически агрессивных средах. Еще
одна возможная область применения таких датчиков — лазерная хирургия, где в качестве чувствительного элемента можно использовать конец самого волокна, используемого для доставки излучения в зону хирургического воздействия, для чего предлагается допировать его ионами эрбия [3].
Таким образом, актуальным является исследование температурной зависимости флуоресценции с двух близкорасположенных уровней энергии активатора в различных материалах с целью их применения в качестве активной среды датчиков температуры.
Среди таких материалов в первую очередь следует упомянуть активированные ионами Ег или других редкоземельных элементов кристаллы, которые являются широко используемым и активно исследуемым классом лазерно-оптических сред благодаря высокому квантовому выходу люминесценции, механической прочности и хорошей теплопроводности. Однако для применения в волоконно-оптических датчиках необходимы среды, для которых в отличие от кристаллов легко осуществляется вытяжка оптического волокна. Такими средами являются в первую очередь стекла. В последние годы активно исследуются новые оптические материалы — наностеклокерамики, представляющие собой стеклянную матрицу, в
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ОТНОШЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТЕИ ПОЛОС
147
Интенсивность флуоресценции, отн. ед.
520
540 560
Длина волны, нм
Рис. 1. Нормированные спектры флуоресценции в зеленой области спектра при температуре 40°С. Штрихпунктирной линией показан уровень 0.1. 1 — У0(1У04, 2 — УУ04, 3 — стеклокерамика 1, 4 — стеклокерамика 2.
объеме которой имеются нанокристаллы. Активированные наностеклокерамики благодаря наличию нанокристаллической фазы потенциально обладают хорошими люминесцентными свойствами и подобно стеклам позволяют осуществлять вытяжку оптического волокна.
В связи с этим представляет интерес сравнение спектрально--люминесцентных свойств кристаллов и наностеклокерамик с целью оценки возможности их последующего применения в температурных БЖ-датчиках.
В настоящей работе проводится исследование температурной зависимости спектра апконверси-онной флуоресценции ионов эрбия в кристаллах УУ04 и УСёУ04 и двух свинцово-фторидных на-ностеклокерамиках, соактивированных ионами Ег и УЬ, и возможности измерения температуры с помощью определения отношения интенсивно-стей полос апконверсионной флуоресценции в данных материалах.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА АПКОНВЕРСИОННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
Предметом нашего рассмотрения являлись температурные зависимости флуоресценции кристаллов иттриевого ванадата и иттрий-гадолини-евого ванадата, содопированных ионами эрбия (0.6%) и иттербия, а также прозрачных свинцово-фторидных наностеклокерамик следующего состава: 30 8Ю2, 18 РЬБ2, 15 А1203, 29 СёР2, 5 2пБ2 мол. %. Стеклокерамики отличаются временем вторичной термообработки при 520°С — 10 ч для первого образца и 4 ч для второго образца, а также кон-
центрацией активаторов: 2.5 мол. % YbF3, 0.5 мол. % ErF3 для первого и 2.8 мол. % YbF3, 0.2 мол. % ErF3 для второго [4].
Регистрировалась флуоресценция с двух (2H11/2 и 4^3/2) температурно связанных уровней энергии эрбия. Для накачки применялся лазерный диод ML-151 ("Милон", Россия) с волоконным выводом, генерирующий при токе 1.5 А неполяризо-ванное излучение оптической мощностью 1 Вт, спектр которого имеет сложную структуру с максимумом около 967 нм. Температура образцов изменялась и контролировалась с точностью 0.1 °С с помощью печи PV10 ("Coversion Ltd", Англия) с температурным контроллером TS-200 ("Thorlabs", США). Спектры флуоресценции ионов эрбия регистрировались спектрометром S-100 ("Солар ЛС", Беларусь) с усреднением по 100 отсчетам длительностью 7 мс в режиме вычитания темнового шума. На рис. 1 приведены нормированные спектры флуоресценции исследованных кристаллов и стеклокерамик при температуре 40° С (минимальная температура, для которой были получены спектры флуоресценции для всех исследованных образцов).
Спектры апконверсионной флуоресценции включают две полосы в области около 520—530 и 540—550 нм. Видно, что в спектрах флуоресценции двух кристаллов различие наблюдается лишь в коротковолновой полосе. Для стеклокерамик характерна меньшая по сравнению с кристаллами изрезанность спектров, а также заметна тенденция к смещению пиков в коротковолновую область; длинноволновая полоса спектра заметно более широкая, чем у кристаллов. Термическое перераспределение населенностей излучающих
148
ВАРАКСА и др.
ч о
я 100
н о
к
и
я я
о
я
о о
р
о ^
ч
-е 13
о о
I70
о
я
в
Я
К 60
90
80
30 °с 40 °С 50 °С 60 °С 70 °С 80 °С 90 °С 100 °С 110 °С 120 °С 130 °С 140 °С 150 °С
528 529
530
552 553
554
Длина волны, нм
Рис. 2. Участки спектров флуоресценции кристалла УО(1У04 с противоположными температурными зависимостями.
уровней приводит к тому, что интенсивность пиков в каждой из полос зависит от температуры, причем эта зависимость носит противоположно направленный характер: с ростом температуры интенсивность флуоресценции в длинноволновой полосе (с пиком около 553 нм для кристаллов УУ04 и УСёУ04, 540 нм для стеклокерамик) падает, а в коротковолновой полосе (пик с длиной волны около 529 нм для кристаллов и 523 нм для стеклокерамик) растет. Характер такого изменения для кристалла УСёУ04 показан на рис. 2.
Таким образом, можно видеть, что отношение интенсивностей флуоресценции в данных пиках будет иметь выраженную зависимость от температуры.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для исследования отношения интенсивностей полос флуоресценции выбирались два участка спектров с интенсивностью, превышающей уровень 0.1 от максимума нормированных спектров. Для иттрий-гадолиниевого ванадата длины волн соответствующих полос составляют 520.8—535.6 и 541.7—557.9 нм, ванадата иттрия — 521.3—534.0 и 544.4—556.0 нм, для стеклокерамики 1 полосы лежат в диапазоне 517.6—533.0 и 535.4—557.6 нм, стеклокерамики 2 — 520.5—530.6 и 536.7—557.1 нм.
На рис. 3 представлено отношение интенсив-ностей флуоресценции коротковолновой полосы к интенсивности длинноволновой полосы в зависимости от температуры в печи (усредненное по трем измерениям для каждого из кристаллов и по пяти измерениям для каждой из стеклокерамик).
Видно, что в рассматриваемом температурном диапазоне полученные экспериментальные зави-
симости отношения интенсивностей от температуры однозначны и близки к линейным. Такой характер зависимости наиболее удобен для определения температуры. При этом как абсолютная величина, так и скорость изменения отношения интенсивностей обладают наибольшими значениями для рассмотренных кристаллов, различие между которыми невелико. По отношению интенсивностей керамика 1 уступает кристаллам более чем в 2 раза, а керамика 2 — более чем в 5 раз.
Одной из важнейших характеристик БЖ-дат-чика температуры является чувствительность, показывающая относительное изменение отношения интенсивностей флуоресценции при изменении температуры на один градус. На рис. 4 приведены зависимости чувствительности от температуры для исследованных образцов. Для расчета чувствительности зависимости отношения интенсивностей от температуры аппроксимировались полиномом третьей степени.
Чувствительность в рассматриваемом диапазоне температур для УОёУ04 и УУ04 лежит в диапазоне около 0.005—0.011 К-1, для стеклокерамики 1 — 0.004-0.006 К-1, для стеклокерамики 2 — 0.004—0.012 К-1. Таким образом, несмотря на значительное отличие по отношению интенсивно-стей флуо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.