Luận văn Nghiên cứu mở rộng băng thông cận hồng ngoại của erbium trong vật liệu thủy tinh silicate ứng dụng cho bộ khuếch đại sợi quang edfa

vật liệu đã chế tạo như phân tích nhiệt DTA, quang phổ hấp thụ, quang phổ phát xạ cận hồng ngoại, đo thời gian sống lifetimess [16]. 2.2. VẬT LIỆU THÍ NGHIỆM Nguyên vật liệu chính sử dụng để tạo vật liệu thủy tinh trong nghiên cứu đề tài này là: SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3. Tất cả các nguyên vật liệu này có độ tinh khiết cao (99,99%) và là nguyên vật liệu được sử dụng trong các phòng thí nghiệm. Thành phần nguyên vật liệu chính để chế tạo vật liệu thủy tinh silicate là từ hỗn hợp SiO2–AlF3–BaF2–LaF3–CaCO3. Thủy tinh silicate SABLC được tạo thành từ tỷ lệ nồng độ của SiO2, AlF3, BaF2, LaF3, CaCO3, trong đó 3 thành phần chính SiO2, AlF3, BaF2 được thay đổi sao cho đảm bảo các tỷ lệ này nằm trong vùng trạng thái thủy tinh được mô tả trên hình 2.1. 18 Hình 2.1. Tỷ lệ thành phần chính và trạng thái thủy tinh. 2.2.1. Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate Bảng 2.1. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đơn tạp Er3+ trong thủy tinh silicate SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 và 0.3 mol. %) [16- 18]. Ký hiệu mẫu thủy tinh SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 ErF3 SABLC-0.05Er 45 25 10 5 14.95 0.05 SABLC-0.1Er 45 25 10 5 14.9 0.10 SABLC-0.15Er 45 25 10 5 14.85 0.15 SABLC-0.2Er 45 25 10 5 14.8 0.20 SABLC-0.25Er 45 25 10 5 14.75 0.25 SABLC-0.3Er 45 25 10 5 14.7 0.30 19 2.2.2. Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate Bảng 2.2. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của Er3+ đơn tạp, Nd3+ đơn tạp và đồng pha tạp Nd3+/Er3+trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xNyE [ 17, 18]. Ký hiệu mẫu thủy tinh SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 NdF3 ErF3 SABLC-0Nd0.4Er 45 25 10 5 14.6 0 0.4 SABLC-0.5Nd0Er 45 25 10 5 14.5 0.5 0 SABLC-0.5Nd0.4Er 45 25 10 5 14.1 0.5 0.4 Bảng 2.3. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong thủy tinh silicate SABLC-0.5NxE (x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5 mol. %). Ký hiệu mẫu thủy tinh SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 NdF3 ErF3 SABLC-0.5Nd0.2Er 45 25 10 5 14.3 0.5 0.2 SABLC-0.5Nd0.3Er 45 25 10 5 14.2 0.5 0.3 SABLC-0.5Nd0.4Er 45 25 10 5 14.1 0.5 0.4 SABLC-0.5Nd0.5Er 45 25 10 5 14.0 0.5 0.5 20 Bảng 2.4. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xN0.2E (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %) [20]. Ký hiệu mẫu thủy tinh SiO 2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 NdF3 ErF3 SABLC-0Nd0.2Er 45 25 10 5 14.8 0 0.2 SABLC-0.5Nd0.2Er 45 25 10 5 14.3 0.5 0.2 SABLC-0.8Nd0.2Er 45 25 10 5 14 0.8 0.2 SABLC-1.0Nd0.2Er 45 25 10 5 13.8 1.0 0.2 SABLC-1.2Nd0.2Er 45 25 10 5 13.6 1.2 0.2 2.2.3. Vật liệu thí nghiệm cho nghiên cứu băng thông cận hồng ngoại của đồng pha tạp Pr3+/Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate Bảng 2.5. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của Er3+ đơn tạp, Pr3+ đơn tạp và đồng pha tạp Er3+/ Pr3+ trong thủy tinh silicate SABLC-xPryEr. Ký hiệu mẫu thủy tinh SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 Pr2O3 ErF3 SABLC-0.5Er 45 25 10 5 14.5 0 0.5 SABLC-0.5Pr 45 25 10 5 14.5 0.5 0 SABLC-0.5Pr0.5Er 45 25 10 5 14.0 0.5 0.5 21 Bảng 2.6. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Pr3+/Er3+ trong mẫu thủy tinh silicate SABLC-xPr0.1Er (x = 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 và 1.0 mol. %) [21, 22]. Ký hiệu mẫu thủy tinh SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 Pr2O3 ErF3 SABLC-0.5Pr0.1Er 45 25 10 5 14.4 0.5 0.1 SABLC-0.6Pr0.1Er 45 25 10 5 14.3 0.6 0.1 SABLC-0.7Pr0.1Er 45 25 10 5 14.2 0.7 0.1 SABLC-0.8Pr0.1Er 45 25 10 5 14.1 0.8 0.1 SABLC-0.9Pr0.1Er 45 25 10 5 14.0 0.9 0.1 SABLC-1.0Pr0.1Er 45 25 10 5 13.9 1.0 0.1 Bảng 2.7. Thành phần nguyên vật liệu thí nghiệm của đồng pha tạp Pr3+/ Er3+ trong thủy tinh silicate SABLC-0.8PrxEr (x = 0.15, 0.2, 0.25, 0.3 và 0.35 mol.%). Ký hiệu mẫu thủy tinh SiO2 AlF3 BaF2 LaF3 CaCO3 Pr2O3 ErF3 SABLC-0.8Pr0.15Er 45 25 10 5 14.05 0.8 0.15 SABLC-0.8Pr0.2Er 45 25 10 5 14.00 0.8 0.20 SABLC-0.8Pr0.25Er 45 25 10 5 13.95 0.8 0.25 SABLC-0.8Pr0.3Er 45 25 10 5 13.90 0.8 0.30 SABLC-0.8Pr0.35Er 45 25 10 5 13.85 0.8 0.35 22 2.2.4. Các mức năng lượng và mẫu vật liệu Hình 2.2. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Erbium. Hình 2.3. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Praseodymium. 23 Hình 2.4. Các mức năng lượng và chuyển tiếp của Neodymium. (a)ErF3 b)PrF3 (c)NdF3 Hình 2.5. Vật liệu thí nghiệm (a) ErF3, (b) PrF3, (c) NdF3 24 2.3. QUY TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẠC, PHÂN TÍCH THÍ NGHIỆM. 2.3.1. Quy trình thí nghiệm Quy trình thí nghiệm tạo mẫu thủy tinh silicate, ủ nhiệt, xử lý nhiệt và đo đạc các thông số quang phổ hấp thụ, quang phổ phát xạ cận hồng ngoại, thời gian sống được thực hiện theo sơ đồ ở hình 2.6 sau đây: Nguyên vật liệu Đun nóng chảy Đổ ra khuôn mẫu Ủ nhiệt Xử lý nhiệt Mài và đánh bóng mẫu Mẫu thủy tinh Đo quang phổ hấp thụ Đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR Đo lifetime Hình 2.6. Quy trình thí nghiệm tạo mẫu thủy tinh và đo đạc các thông số. Vật liệu thủy tinh với thành phần: SiO2, AlF3, BaF2, CaCO3, LaF3 đã được chế tạo bằng phương pháp nóng chảy thông thường. Hỗn hợp 15g nguyên liệu được trộn đều, nghiền nhỏ bằng cối và chày mã não. Hỗn hợp vật liệu này được đưa vào lò điện, nung nóng chảy ở nhiệt độ 1550oC, trong thời gian 45 phút. Sau đó, hỗn hợp nóng chảy này được đổ ra khuôn để tạo thành mẫu thủy tinh. Dựa vào kết quả phân tích nhiệt, các mẫu thủy tinh được ủ nhiệt ở nhiệt độ 535oC trong thời gian 6 giờ liên tục để tăng độ bền cơ học. Các mẫu thủy 25 tinh được cắt thành những mẫu với kích thước 10 mm 10 mm  2 mm và được đánh bóng bề mặt để thực hiện các phép đo quang phổ hấp thụ, quang phổ phát xạ NIR [16, 17]. Hình ảnh một vài mẫu thủy tinh (SABLC-0N0.2E, SABLC-0.5N0.2E, SABLC-0.8N0.2E, SABLC-1.0N0.2E, SABLC-1.2N0.2E) sau khi ủ nhiệt và đánh bóng bề mặt như hình 2.7. Từ hình ảnh các mẫu thủy tinh trên hình 2.7, có thể thấy rằng các mẫu thủy tinh này trong suốt và có bề mặt bóng. Hình 2.7. Hình ảnh các mẫu SABLC-0N0.2E, SABLC-0.5N0.2E, SABLC- 0.8N0.2E, SABLC-1.0N0.2E, SABLC-1.2N0.2E sau khi chế tạo, ủ nhiệt và đánh bóng bề mặt . 2.3.2. Phân tích nhiệt DTA (Differential thermal analysis). Phân tích nhiệt DTA được thực hiện để xác định các thông số nhiệt của mẫu thủy tinh để tiến hành ủ nhiệt, xử lý nhiệt các mẫu, khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến thuộc tính hóa học, quang học,của vật liệu thủy tinh. Phân tích nhiệt DTA của các mẫu thủy tinh được thực hiện trên máy đo Shimadzu DTA-60AH với tỷ lệ quét 10°C/min. Thiết bị phân tích nhiệt Shimadzu DTA-60AH được kết nối với máy tính, thực hiện cài đặt, đo đạc, phân tích các thông số thông qua phần mềm TA 60 kèm theo thiết bị đo này. Giao diện sử dụng của phần mềm TA 60 như hình 2.8. Từ phần mềm này người sử dụng có thể cài đặt các thông số đo, phân tích thuộc tính nhiệt của vật liệu. Kết quả phân tích sau đó được xuất ra các file dữ liệu ở dạng file .txt hoặc dạng ảnh .jpg. 26 Hình 2.8. Giao diện phần mềm TA 60 kèm theo thiết bị đo và phân tích nhiệt DTA-60AH-SHIMADZU. Để phân tích sự ổn định nhiệt, xác định các thông số nhiệt độ để ủ nhiệt, xử lý nhiệt cho mẫu thủy tinh SABLC đã chuẩn bị, chúng tôi tiến hành đo, phân tích nhiệt DTA. Kết quả phân tích nhiệt DTA được thể hiện trên đường cong DTA của hình 2.9. Từ kết quả trên đường cong DTA, chúng tôi xác định các thông số nhiệt của mẫu thủy tinh SABLC bao gồm: Nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) nằm ở khoảng nhiệt độ 5350C; nhiệt độ khởi phát kết tinh (Tx) ở khoảng nhiệt độ 6650C, hai giá trị nhiệt độ đỉnh kết tinh (Tp1, Tp2 ) lần lượt nằm ở khoảng nhiệt độ 6900C và 7200C . 27 Hình 2.9. Đường cong DTA của thủy tinh SABLC. Dựa vào kết quả phân tích DTA, trong nghiên cứu này, tất cả các mẫu thủy tinh SABLC được ủ nhiệt ở nhiệt độ 535°C liên tục trong suốt thời gian 6 giờ. Đồng thời, độ chênh lệch T giữa Tx và Tg (T =Tx - Tg) cũng được xác định như một chỉ số để đánh giá về độ ổn định nhiệt của thủy tinh. Trong nghiên cứu này độ chênh lệch nhiệt độ ΔT = 665°C - 535°C = 130°C. Giá trị ΔT >100°C chỉ ra rằng thủy tinh SABLC đã chế tạo ở trên có độ ổn định nhiệt và thích hợp cho các ứng dụng như bộ khuếch đại sợi quang, pin mặt trời và lasers [16- 18]. 2.3.3. Phân tích quang phổ hấp thụ. Quang phổ hấp thụ của các mẫu được thực hiện trên máy đo quang phổ hấp thụ UV/VIS Hitachi U-4100. Dải bước sóng đo khoảng từ 400 nm đến 1800 nm hoặc từ 300 nm đến 2200 nm tùy theo từng trường hợp thí nghiệm cụ thể. Hình ảnh thiết bị đo UV/VIS Hitachi U-4100 được mô tả trên hình 2.10. Mẫu thủy tinh cần đo quang phổ hấp thụ được đặt trong khoang đặt mẫu. Kích thước mẫu thủy tinh được cắt 10 mm x 10 mm x 2 mm để khớp với khuôn chứa mẫu. 28 Hình 2.10. Thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U-4100. Thiết bị đo quang phổ hấp thụ UV/VIS Hitachi U-4100 được thiết lập, kết nối với máy tính qua phần mềm kèm theo thiết bị Hitachi U-4100 do hãng Hitachi cung cấp. Thông qua phần mềm này, người sử dụng có thể cài đặt, thiết lập các thông số để đo quang phổ hấp thụ, chẳng hạn như chọn dải bước sóng đo, tốc độ quét của thiết bị. + Độ chính xác trong các bước đo có thể thiết lập: 0.1 nm; 0.2 nmhoặc 1.0 nm. + Độ nhạy của bước đo có thể thiết lập: 0.1 nm; 0.2 nm: 0.1 nm. + Tốc độ quét theo bước sóng có thể thiết lập: 60, 240, 1.200, 2.400, 12.000, 30.000 nm/phút. Người sử dụng cũng có thể phân tích, xác định các đỉnh hấp thụ, tính toán các thông số liên quan. Kết quả phân tích sau đó được xuất ra các file dữ liệu ở dạng file. txt. 29 Một phần giao diện sử dụng của phầm mềm đo quang phổ hấp thụ được trình bày như hình 2.11. Hình 2.11. Giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ hấp thụ Hitachi U- 4100. 2.3.4. Phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu trong nghiên cứu của luận văn này được thực hiện trên máy đo quang phổ cận hồng ngoại ZOLIX SBP300. + Dải bước sóng đo khoảng từ: 1200 nm đến 1800 nm hoặc từ 1000 nm đến 2200 nm, tùy theo vật liệu đo và dải bước sóng cần đo để phân tích. + Bước sóng kích thích trong nghiên cứu của luận văn này sử dụng bước sóng: 980 nm laser diode (LD) và 808 nm LD. 30 + Độ chính xác trong các bước đo: 0.2 nm. + Độ nhạy của bước đo: 0.1 nm. + Tốc độ quét theo bước sóng có thể thiết lập: 30, 60, 240, 1.200, 2.400, 12.000, 30.000, 60.000 nm/phút. Hình 2.12. Bộ phát bước sóng kích thích 980 nm LD. Đối với các bước sóng kích thích 980 nm LD và 808 nm LD, người sử dụng phải sử dụng các bộ phát sóng kích thích từ bên ngoài, chiếu vào mẫu đặt trong khoang chứa mẫu. Bộ phát tạo ra bước sóng kích thích 980 nm LD được mô tả như hình 2.12. Người sử dụng có thể điều chỉnh góc chiếu xạ cho các mẫu đo. Bộ phát tạo ra bước sóng kích thích 980 nm LD này có thể điều chỉnh được công suất nguồn kích thích, thông thường theo bước tăng công suất 0.5W, 1.0W, 1.5W, 2.0W, 2.5W hoặc 3W. Thiết bị đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại ZOLIX SBP300 được thiết lập, kết nối với máy tính qua phần mềm chuyên dụng kèm theo thiết bị ZOLIX SBP300. 31 Một phần giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại ZOLIX SBP300 được mô tả như hình 2.13. Hình 2.13. Giao diện phần mềm trên thiết bị đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại ZOLIX SBP300. Thông qua phần mềm này, người sử dụng có thể cài đặt, thiết lập các thông số để đo quang phổ phát xạ cận hồng ngoại, chẳng hạn như chọn dải bước sóng đo, tốc độ quét của thiết bị, bước sóng kích thích. Người sử dụng cũng có thể phân tích, xác định các đỉnh phát xạ cận hồng ngoại, phân tích các thông số liên quan. Kết quả phân tích sau đó được xuất ra các file dữ liệu ở dạng file *. txt, hoặc file ảnh dạng *.jpg. 2.3.5. Phân tích lifetimes. Đo thời gian sống (lifetimes) cho các mẫu thủy tinh nhằm xác định giá trị lifetimes để tính toán và là cơ sở đánh giá, minh chứng cho các quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+ với Nd3+ và Pr3+. Đo thời gian sống được thực hiện trên máy đo Edinburgh Instruments FLS-980 do Anh sản xuất. 32 Thiết bị đo Edinburgh Instruments FLS-980 được thiết lập, kết nối với máy tính qua phần mềm FLS-980 kèm theo thiết bị Edinburgh Instruments FLS-980. Thiết bị đo Edinburgh Instruments FLS-980 có thể đo được nhiều chức năng như: đo quang phổ hấp thụ, đo quang phổ phát xạ, đo thời gian sống lifetimes Thông qua thiết bị Edinburgh Instruments FLS-980 và phần mềm FLS- 980, người sử dụng có thể cài đặt các thông số để đo thời gian sống. Người sử dụng cũng có thể phân tích, xác định các giá trị thời gian sống và phân tích các thông số liên quan. Kết quả phân tích sau đó được xuất ra các file dữ liệu ở dạng file *. txt, hoặc file ảnh dạng *.jpg. Hình 2.14. Giao diện phần mềm FLS-980 đo thời gian sống trên thiết bị đo FLS-980. 33 Một phần giao diện sử dụng của phầm mềm phần mềm FLS-980 kèm theo thiết bị Edinburgh Instruments FLS-980 được trình bày như hình 2.14. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương 2 chúng tôi đã nghiên cứu được : - Thành phần nguyên vật liệu chính để chế tạo vật liệu thủy tinh 45 SiO2 – 25 AlF3 – 10 BaF2 – 5 LaF3 – 15 CaCO3 (viết tắt: SABLC). - Quy trình chế tạo được vật liệu thủy tinh silicate SABLC và các đơn tạp Er3+ , Nd3+, Pr3+ , đồng pha tạp Nd3+/Er3+ và Pr3+/Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate. - Phương pháp phân tích nhiệt DTA trên các thiết bị đo DTA-60AH- SHIMADZU và phần mềm TA 60 để làm cơ sở cho việc ủ nhiệt, xử lý nhiệt vật liệu thủy tinh Silicate. - Phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ trên các thiết bị đo Hitachi U- 4100 kết nối với máy tính qua phần mềm kèm theo thiết bị đó. - Phương pháp phân tích quang phổ phát xạ cận hồng ngoại trên các thiết bị đo ZOLIX SBP300 kết nối với máy tính qua phần mềm chuyên dụng kèm theo thiết bị đó. - Phương pháp đo lifetimes trên các thiết bị đo Edinburgh Instruments FLS- 980 do Anh sản xuất kết nối với máy tính qua phần mềm FLS-980 kèm theo thiết bị đó. Đo lifetimes các mẫu thủy tinh cần thiết nhằm xác định lifetimes để tính toán và cơ sở đánh giá quá trình chuyển giao năng lượng giữa Er3+ với Nd3+ và Pr3+của vật liệu đã chế tạo. 34 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐƠN TẠP Er3+ TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE. 3.1.1. Kết quả phân tích XRD Hình 3.1. Kết quả phân tích XRD 35 Kết quả phân tích XRD hiển thị trên hình 3.1 cho thấy các đỉnh nhiễu xạ không xuất hiện trong kết quả phân tích, đồng thời khi sử dụng phần mềm phân tích XRD chuyên dùng X'Pert HighScore Plus chúng tôi đã xác định được cấu trúc tinh thể bên trong vật liệu gốm thủy tinh trong suốt là tinh thể nano BaF2 với mã phân tích JCPDS: 001-0533 để phân tích thì không xác định được cấu trúc tinh thể. Chứng tỏ rằng vật liệu nghiên cứu của chúng tôi là thủy tinh. 3.1.2. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Er3+ Hình 3.2. Quang phổ hấp thụ của đơn tạp Er3+ trong mẫu thủy tinh SABLC-0.5Er. Hình 3.2 mô tả quang phổ hấp thụ của mẫu thủy tinh SABLC-0.5E trong phạm vi bước sóng 360 nm đến 2000 nm. Trong hình vẽ này phổ hấp thụ của Er3+ đơn tạp trong mẫu thủy tinh SABLC-0.5E bao gồm 9 đỉnh hấp thụ tại các bước sóng 1530 nm, 979 nm, 805 nm, 798 nm, 657 nm, 545 nm, 522 nm, 488 nm, 378 nm, tương ứng với các chuyển tiếp từ 4I15/2 đến 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S3/2, 2H11/2, 4F7/2, 2H9/2 và 4G11/2 [23, 24]. 36 3.1.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+. Hình 3.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Er3+ trong các mẫu thủy tinh SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 và 0.3 mol. %). Hình 3.3 mô tả quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Er3+ trong các mẫu thủy tinh SABLC-xEr (x = 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25 và 0.3 mol. %) dưới bước sóng kích thích 980 nm LD, đo trong dải bước sóng từ 1400 nm đến 1700 nm. Từ kết quả trên hình 3.3, đỉnh phát xạ của đơn tạp Er3+ trong các mẫu thủy tinh SABLC-xEr được quan sát tại bước sóng 1546 nm, đỉnh phát xạ tại bước sóng 1546 nm là do quá trình chuyển tiếp từ 4I13/2 → 4I15/2 của ion Er3+ tạo ra [25]. Kết quả đo băng thông FWHM của phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Er3+ trong mẫu thủy tinh SABLC-0.3Er khi kích thích bước sóng 980 nm LD đỉnh tại 1546 nm thể hiện trên hình 3.4. 37 3.1.4. Thảo luận, đánh giá kết quả Hình 3.4. FWHM (Full Width at Half Maximum) của đơn tạp Er3+ trong mẫu thủy tinh SABLC-0.3Er. Trong phần này, chúng tôi phân tích, đánh giá kết quả và thảo luận về các cơ chế phát xạ của đơn tạp Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate. Từ kết quả thí nghiệm của hình 3.3 đã cho thấy khi tăng nồng độ mol. % của Er3+ tăng từ 0.05 mol.% lên đến 0.3 mol.% thì cường độ phát xạ NIR của Er3+ đỉnh tại bước sóng 1546 nm tăng lên đáng kể và phát xạ NIR mạnh nhất khi nồng độ mol Er3+ bằng 0.3 mol.%. Từ kết quả trên hình 3.4 phát xạ cận hồng ngoại NIR của đơn tạp Er3+ trong mẫu thủy tinh SABLC-0.3Er khi kích thích bước sóng 980 nm LD đỉnh tại 1546 nm, tương ứng với quá trình chuyển tiếp từ 4I13/2 → 4I15/2 tạo ra băng thông với FWHM khoảng 97 nm. Sơ đồ các mức năng lượng và cơ chế cho phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+ trong mẫu thủy tinh SABLC được mô tả trên hình 3.5. 38 Hình 3.5. Sơ đồ mức năng lượng và phát xạ NIR của Er3+. 3.2. NGHIÊN CỨU BĂNG THÔNG CẬN HỒNG NGOẠI ĐỒNG PHA TẠP Nd3+/Er3+ TRONG VẬT LIỆU THỦY TINH SILICATE Các ions Er3+ có chuyển tiếp từ 4I9/2 → 4I15/2 phù hợp khi sử dụng bước sóng kích thích 808 nm LD. Tương tự các ions Nd3+ có chuyển tiếp 2H9/2 → 4I9/2 cũng phù hợp khi sử dụng bước sóng kích thích 808 nm LD. Mặt khác, cả Er3+ và Nd3+ đều có các mức năng lượng gần nhau trong vùng cận hồng ngoại. Do đó, khả năng kết hợp và chuyển giao năng lượng giữa Er3+ và Nd3+ được quan tâm nghiên cứu nhằm mở rộng FWHM cho các ứng dụng của bộ khuếch đại quang. Từ những kết quả thu được từ quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đơn tạp Er3+ trong mục 3.1.2. Trong phần này, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu 39 băng thông cận hồng ngoại của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong vật liệu thủy tinh silicate với mục tiêu tìm ra được tỷ lệ tối ưu nồng độ của Nd3+/Er3+ để FWHM của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong vật liệu thủy tinh SABLC tối ưu nhất. 3.2.1. Quang phổ hấp thụ của đồng pha tạp Nd3+/ Er3+ Hình 3.6 mô tả quang phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh SABLC- 0Nd0.4Er, SABLC-0.5Nd0Er và SABLC-0.5Nd0.4Er trong phạm vi bước sóng từ 400 nm đến 1800 nm. Từ kết quả đo cường độ hấp thụ theo bước sóng của các đường cong (a), (b) và (c) trên hình 3.6. Chúng tôi quan sát thấy rằng các mẫu có bước sóng hấp thụ mạnh nhất ở vùng bước sóng khoảng 542 nm, sự hấp thụ ở một số bước sóng khác có cường độ yếu hơn. Hình 3.6. Quang phổ hấp thụ của các mẫu thủy tinh SABLC-0Nd0.4Er, SABLC-0.5Nd0Er và SABLC-0.5Nd0.4Er. 40 Trong hình vẽ 3.6, đường cong (a) là phổ hấp thụ của mẫu đơn tạp SABLC-0Nd0.4Er. Phổ hấp thụ của mẫu đơn tạp Er3+ bao gồm 7 đỉnh hấp thụ có đỉnh tại các bước sóng 1530 nm, 979 nm, 798 nm, 657 nm, 545 nm, 522 nm và 488 nm, tương ứng với các chuyển tiếp từ trạng thái cơ bản 4I15/2 của Er3+ sang các trạng thái kích thích 4I13/2, 4I11/2, 4I9/2, 4F9/2, 4S3/2 2H11/2 và 4F7/2 [27, 28]. Đường cong (b) trên hình vẽ 3.6 là phổ hấp thụ của mẫu đơn tạp SABLC-0.5Nd0Er, phổ hấp thụ của của mẫu đơn tạp Nd3+ bao gồm 6 đỉnh hấp thụ tại các bước sóng 875 nm, 806 nm, 749 nm, 684 nm, 587nm và 528 nm, các đỉnh hấp thụ này tương ứng với các chuyển tiếp từ trạng thái cơ bản 4I9/2 của Nd3+ sang các trạng thái kích thích 4F3/2, (2H9/2, 4F5/2), (4S3/2, 4F7/2), 4F9/2, 2G7/2, ( 4G7/2, 2K13/2). Đường cong (c) trên hình vẽ 3.6 là phổ hấp thụ của mẫu đồng pha tạp SABLC-0.5Nd0.4Er, phổ hấp thụ của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ bao gồm 13 đỉnh hấp thụ tại các bước sóng 1530 nm, 979 nm, 875 nm, 806 nm, 798 nm, 749 nm, 684 nm, 657 nm, 587 nm, 545 nm, 528 nm, 522 nm và 488 nm, các đỉnh hấp thụ này tương ứng với các chuyển tiếp từ trạng thái cơ bản sang các trạng thái kích thích 4I15/2  4I13/2 (Er 3+), 4I15/2  4I11/2(Er 3+), 4I9/2  4F3/2 (Nd3+), 4I9/2  (2H9/2, 4F5/2)(Nd3+), 4I15/2  4I9/2, (4S3/2, 4F7/2), 4F9/2, 2G7/2, 4I15/2  4S3/2 (Er3+), 2G7/2 (2G7/2, 2K13/2). Ở đây, có sự kết hợp và chồng lấp của quang phổ hấp thụ xung quanh bước sóng 800 nm của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ do sự chồng chéo giữa chuyển tiếp 4I15/2 → 4I9/2 của Er3+ và chuyển tiếp (4I9/2 → (2H9/2, 4F5/2) của Nd3+. Điều này chỉ ra rằng đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong thủy tinh silicate SABLC trong suốt này có thể được kích thích hiệu quả bằng bước sóng 808 nm LD [29]. 3.2.2. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh SABLC- 0.5Nd0Er, SABLC-0Nd0.4Er và SABLC-0.5Nd0.4Er, dưới kích thích của 41 808 nm LD, được mô tả trên hình 3.7. Hình 3.7. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của các mẫu đơn tạp Nd3+, đơn tạp Er3+ và đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong thủy tinh SABLC. Trên hình 3.7, đường cong (a) là quang phổ phát xạ NIR của mẫu đơn tạp Er3+, dưới kích thích bước sóng 808 nm LD, đỉnh phát NIR của đơn tạp Er3+ tại bước sóng 1546 nm, tương ứng với chuyển tiếp 4I13/2  4I15/2 của Er3+. Phát xạ NIR của đơn tạp Er3+ trong thủy tinh SABLC, dưới kích thích bước sóng 808 nm LD, tạo ra một FWHM khoảng 97 nm. Trên hình 3.7, đường cong (b) quang phổ phát xạ NIR của đơn tạp Nd3+ trong thủy tinh SABLC, dưới kích thích bước sóng 808 nm LD. Đỉnh phát xạ NIR của đơn tạp Nd3+ tại bước sóng 1348 nm, tương ứng với chuyển tiếp 4F3/2  4I13/2 [13]. Phát xạ NIR của mẫu đơn tạp Nd3+, dưới kích thích 808 nm LD, tạo ra FWHM khoảng 91 nm. 42 Trên hình 3.7, đường cong (c) là quang phổ phát xạ NIR của mẫu đồng pha tạp Nd3+/Er3+, dưới kích thích 808 nm LD, đỉnh phát NIR của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ quan sát được tại bước sóng 1348 và 1546 nm, tương ứng với chuyển tiếp 4F3/2  4I13/2 của Nd3+ và chuyển tiếp 4I13/2  4I15/2 của Er3+. Quang phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong thủy tinh SABLC có sự kết hợp của Er3+ và Nd3+ tạo ra quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR với FWHM tương đối rộng hơn FWHM của các đơn tạp Er3+ và đơn tạp Nd3+ trong khoảng bước sóng từ 1250 nm đến 1650 nm [31, 32]. Độ lớn của FWHM được xác định khoảng 340 nm, bao phủ các băng tần O, E, S, C, L của các bộ khuếch đại quang [24]. Tuy nhiên, phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong khoảng bước sóng từ 1250 nm đến 1650 nm vẫn tối ưu. Do đó, chúng tôi tiếp tục nghiên cứu để tìm ra một tỷ lệ nồng độ tối ưu nhất giữa Nd3+ và Er3+ sao cho phổ phát xạ NIR của đồng pha tạp Nd3+/Er3+ trong khoảng bước sóng từ 1250 nm đến 1650 nm là tối ưu nhất. 3.2.3. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Er3+/Nd3+ khi thay đổi tỷ lệ nồng độ mol của Nd3+ Hình 3.8. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh ABLC-xNd-0.2Er (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %) 43 Hình 3.8 mô tả quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh SABLC-0.2Er-xNd (x = 0, 0.5, 0.8, 1.0 và 1.2 mol. %), trong đó giữ nồng độ mol của Er3+ không đổi ở 0.2 mol. % và thay đổi nồng độ mol. % của Nd3+. Từ kết quả của hình 3.8 cho thấy, khi nồng độ mol. % của Nd3+ tăng từ 0 đến 1.2 mol. % thì cường độ phát xạ NIR của Nd3+ tại bước sóng 1348 nm tăng lên. Đồng thời cường độ phát xạ NIR của Er3+ tại bước sóng 1546 nm cũng tăng đáng kể. Điều này chứng tỏ rằng, năng lượng của Nd3+ đã chuyển giao cho Er3+ [27, 28]. Quá trình chuyển giao năng lượng có thể từ chuyển tiếp 4F3/2  4I13/2 của Nd3+ sang chuyển tiếp 4I13/2  4I15/2 của Er3+. Quá trình chuyển giao năng lượng này được đề xuất như sau: 4F3/2 (Nd 3+) + 4I13/2 (Er 3+)  4I13/2 (Nd3+) + 4I15/2 (Er3+) (ET1) 3.2.4. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp Er3+/Nd3+ khi thay đổi tỷ lệ nồng độ mol.% của Er3+ Hình 3.9. Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5Nd-xEr (x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5 mol.%). 44 Hình 3.9 mô tả quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR của các mẫu thủy tinh SABLC-0.5NdxEr (x = 0.2, 0.3, 0.4 và 0.5 mol.%), trong đó giữ nguyên nồng độ của Nd3+ ở mức 0.5 mol.% và thay đổi nồng độ của Er3+. Từ kết quả của hình 3.8 cho thấy rằng khi nồng độ của Er3+ tăng từ 0.2 đến 0.5 mol.% thì cường độ phát xạ NIR của Er3+ tại bước sóng 1546 nm tăng lên, đồng thời cường độ phát xạ NIR của Nd3+ tại bước