Spectroscopic investigation of thulium doped tellurite glasses for 2?m laser applications

Abstract

Bu tezde, 2µm lazer uygulamaları için yeni geliştirilmiş tulyum katkılı tellürit camlarının spektroskopik karakterizasyonu için yapılan deneyler anlatılmaktadır. Potansiyel lazer kaynakları içinde tellürit camları birçok avantaja sahiptir. Kristal malzemelere göre daha ucuz ve kolay üretilebilmeleri, yüksek kimyasal kararlılığa ve morötesinden orta-kızılaltı bölgesine (0.35-5µm) kadar uzanan geniş bir optik geçirgenliğe (transmission) sahip olmaları bu avantajları arasında sayılabilir. Ayrıca, tellürit camları, nem, ısı gibi dış etkilere karşı dayanıklı ve mekanik olarak sağlam malzemeler olarak bilinirler. Bu özellikleriyle fiber uygulamalarında kullanılmaya elverişlidirler. Bu çalışmada, katkılanan iyon derişiminin ve camların kimyasal bileşiminin çapraz sönüm (cross-relaxation) mekanizması ve lüminesans kuantum verimleri üzerindeki etkisi incelenmiştir.İlk kısımda, katkılanan iyon miktarının lüminesans kuantum verimi ve çapraz sönüm mekanizması üzerindeki etkisini incelemek için potasyum oksit ve niyobyum oksit içeren tellürit camları ((Tm2O3:(0.70)TeO2-(0.15)K2O-(0.15)Nb2O5) farklı Tm2O3 derişimlerinde (0.125, 0.25, 0,5 ve 1,0 mol. %) hazırlanmıştır. Tepe noktaları 1460 nm (3F4 enerji seviyesi) ve 1860 nm'de (3H4 enerji seviyesi) olan iki bant için ışıma (emission) ölçümleri yapılmıştır. Deneysel verilerin analizinde Judd-Ofelt teorisi kullanılmıştır. Soğurma (absorption) bantları üzerinde yapılan Judd-Ofelt analizi sonucunda 3H4 ve 3F4 seviyeleri için ortalama ışıma ömrü (radiative lifetime) sırasıyla 2.57±0.17 ms ve 0.35±0.01 ms olarak elde edilmiştir. Tm2O3 derişimi 0.125 mol.% olan örnekte 3H4 geçişi için en yüksek kuantum verimi %32 olarak elde edilmiştir. 1860 nm bandı için ortalama ışıma kesit alanı (emission cross section) 6.01×10-21 cm2 olarak belirlenmiştir. Sonuçlar, kullanılan cam malzemenin 2µm lazer uygulamalarındaki potansiyelini ortaya koymaktadır. Işıma ölçümleri sonucunda, tulyum iyonu derişimindeki artışın 1460 nm bandında sönümlenmeye (quenching) ve 1860 nm ışımasında güçlenmeye neden olduğu gösterilmiştir.İkinci kısımda, camların kimyasal bileşimlerinin kuantum verimleri ve çapraz sönüm mekanizması üzerindeki etkisi incelenmiştir. Niyobyum oksit içeren tellürit camları iki farklı Tm2O3 derişiminde (x)Tm2O3 : (95)TeO2 - (5-x) Nb2O5, x=1 ve 0.25 mol.%. (bundan sonra TeNbTm-x olarak anılacaktır) , çinko oksit içeren tellürit camları dört farklı Tm2O3 derişiminde (x)Tm2O3 : (80)TeO2 ? (20-x) ZnO (bundan sonra TeZnTm-x olarak anılacaktır), x=1 ,0.5,0.25 ve 0.125 mol.% hazırlanmıştır. 1860 nm bandı için yapılan hesaplamalarda TeZnTm ve TeNbTm cam örneklerinin ortalama ışıma ömürleri (radiative lifetime) sırasıyla 2.55±0.07 ms ve 2.76±0.03 ms olarak elde edilmiştir. 3H4 ve 3F4 bantları için lüminesans kuantum verimleri, TeZnTm0125 örneği için, sırasıyla %32 ve %89, TeNbTm025 örneği için sırasıyla %32 ve %76 olarak hesaplanmıştır. Niyobyum oksit içeren tellürit camları (TeNbTm-x) için yapılan ölçümlerde, ortalama ışıma kesit alanları 1460 nm ve 1860 nm bantları için sırasıyla 2.62x10-21 ve 5.63x10-21 cm2 olarak; çinko oksit içeren tellürit camları (TeZnTm-x) için yapılan ölçüm ve hesaplamaların sonucunda ortalama ışıma kesit alanları 1460 nm ve 1860 nm bantları için sırasıyla 2.78x10-21 ve 6.33x10-21 cm2 olarak bulunmuştur. Bununla beraber, önceden incelediğimiz tellürit cam örnekleriyle kıyaslandığında TeZnTm örneklerinden 1860 nm bandı için daha yüksek (7.36 x10-21 cm2 kadar ) değerler elde edilmiştir. Elde edilen bu sonuçlar tulyum katkılı tellürit camlarının, hem kitlesel (bulk), hem de fiber olarak 2µm lazer kaynaklarının geliştirilmesinde kullanılmak üzere önemli bir potansiyeli olduğunu göstermektedir.

In this thesis work, we describe the detailed experiments that were performed in order to investigate the spectroscopic properties of novel tellurite based glass hosts doped with thulium, primarily for 2 ?m laser applications. Among the potential candidates as hosts, tellurite glasses (with network former TeO2) offer several advantages including ease and low cost of production in comparison with crystal counterparts, high chemical stability, and a wide transmission range from ultraviolet to mid infrared (0.35-5.0 µm). Tellurite glasses are known to be moisture resistant, thermally and mechanically stable materials, making them attractive for fiber applications as well. In this study, influence of the doping concentration together with the host composition which affects the strength of cross relaxation and luminescence quantum efficiency was investigated.In the first part, we worked on thulium doped tellurite glasses with potassium and niobium oxide prepared at different Tm2O3 concentrations (Tm2O3:(0.70)TeO2-(0.15)K2O-(0.15)Nb2O5 having Tm2O3 concentrations of 0.125, 0.25, 0.5, and 1.0 mol.%) in order to investigate the influence of doping level on the quantum yields and cross relaxation mechanism. The measurements were conducted at different Tm3+ ion concentrations for the two emission bands with peaks at 1460 nm (3F4 level) and 1860 nm (3H4 level). The Judd-Ofelt theory was used in the analysis of the experimental data. By performing a Judd-Ofelt analysis of the absorption bands, we obtained average radiative lifetimes of 2.57±0.17 ms and 0.35±0.01 ms for the 3H4 and 3F4 levels, respectively. For the 3H4 level, the highest quantum efficiency of 32 % was obtained for the sample doped with 0.125 mol. % Tm2O3. The average emission cross section of 6.01×10-21 cm2 measured for the 1860-nm band reveals the potential of this host for the development of 2-?m lasers. Results also show that cross relaxation becomes important as the ion concentration is increased, leading to the quenching of the 1460-nm band and enhancement of the 1860-nm emission.In the second part, we worked on the tellurite glasses with different glass modifiers in order to investigate the influence of the host composition on the strength of cross relaxation and quantum yields. Two tellurite based glass samples were prepared using niobium-oxide as a glass modifier: (x)Tm2O3 : (95)TeO2 - (5-x) Nb2O5 (will be referred as TeNbTm-x) where x=1 and 0.25 mol.% and four samples were prepared using zinc-oxide as a glass modifier: (x)Tm2O3 : (80)TeO2 ? (20-x) ZnO (will be referred as TeZnTm-x), where x=1,0.5,0.25 and 0.125 mol.%. We obtained average radiative lifetimes of 2.55±0.07 ms for the TeZnTm samples and 2.76±0.03 ms for the TeNbKTm samples for the 3H4 level. Highest quantum efficiency was obtained as 32% for the 1860 nm emission band and 89% for the 1460 nm emission band for the sample TeZnTm0125. For the sample TeNbTm025 we reported highest obtained quantum yields as 32% and 76% for the 1860 and 1460 nm emission bands, respectively. For the TeNbTm samples, average stimulated emission cross sections were obtained as 2.62x10-21 for the 1460 nm band and 5.63x10-21 cm2 for the 1860 nm band. For the samples containing zinc as a glass modifier (TeZnTm-x), the average emission cross sections were determined to be 2.78x10-21 and 6.33x10-21 cm2 for the 1460 and 1860 nm bands, respectively. These results compare well with values reported in the literature and for the TeZnTm sample we obtained higher stimulated emission cross sections (as high as 7. 36x10-21 cm2) in comparison with the tellurite glass samples which was previously analyzed for the 1860 nm emission band. Results suggest that thulium tellurite glass hosts with high emission cross sections are potentially important candidates for the development of 2-?m lasers in bulk as well as fiber configuration.