funzione di migliorare la forma dello spot del laser; sempre per lo stesso motivo do- po i cristalli abbiamo usato un iride per selezionare solamente la parte centrale del waist. La radiazione così modificata viene raccolta da una lente, la quale focalizza sul campione cristallino; la fluorescenza è stata rivelata perpendicolarmente al fascio di pompa, così da evitare sovrapposizioni tra i due segnali (pompa, fluorescenza). Viene poi focalizzata sul monocromatore tramite un’altra lente e modulata da un chopper a frequenza di ω = 78 Hz; all’entrata del monocromatore abbiamo messo un filtro che taglia le lunghezze d’onda sotto i λ = 460 nm, per le misure nella regione spettrale del visibile; mentre per le misure nell’infrarosso, abbiamo usato un filtro al Germanio (Ge), che taglia a 1800 nm. In uscita dal monocromatore si amplifica il segnale con un lock-in, per visualizzare e poi analizzare il risultato tramite PC. Dopo aver eseguito tutte le misure, abbiamo misurato con un power meter al silicio la potenza del diodo laser di pompa, in funzione della corrente di pompa che sce- glievamo; il rivelatore è stato posizionato tra la lente e il campione, così da avere la migliore stima possibile della potenza della radiazione incidente su di esso.
Da ultimo abbiamo fatto la taratura delle misure, confrontando la risposta dell’appa- rato di misurazione con uno spettro noto, il corpo nero. Per questa misura abbiamo usato una lampada ad incandescenza, il nostro corpo nero; davanti ad essa abbiamo posizionato una piastra metallica, con dei fori dai quali esce il segnale luminoso della lampada. È importante allineare il foro di uscita con il filamento incandescente della lampada, per avere la sicurezza di ottenere lo spettro di corpo nero a 3000 K. Otte- nuta la misura, si è normalizzata con lo spettro di Planck noto, e abbiamo ottenuto il fattore di conversione da applicare ai dati di fluorescenza.
4.4
Apparato di misura vita media
Le misure di vita media sono state fatte misurando la fluorescenza emessa dallo ione di terra rara al variare del tempo, dopo un’eccitazione da parte di una sorgen- te impulsata. Nelle misure è particolarmente importante minimizzare, per quanto
possibile, l’energia dell’impulso di pompa, al fine di evitare effetti dipendenti dalla potenza della radiazione incidente. Inoltre il fascio laser viene focalizzato in una zona superficiale del cristallo per due motivi: primo per osservare una radiazione, che proviene da una frazione di volume pompata nel modo più uniforme possibile; e secondo per evitare effetti di intrappolamento della radiazione, che causerebbero un alterazione del tempo di vita del multipletto.
Il segnale luminoso viene sempre raccolto perpendicolarmente alla pompa, per i soliti motivi spiegati nel paragrafo precedente riguardante la fluorescenza. Abbiamo usato due diversi schemi di pompaggio per la misura della vita media, una a ∼ 440 nm per le misure nel visibile e a ∼ 892 nm per l’infrarosso. Lo schema del banco ottico utilizzato per la misura dei livelli nel visibile λ1 = 660 nm e λ2 = 550 nm è mostrato
in fig 4.7.
Il laser primario è una sorgente impulsata di N d : Y AG, che produce impulsi di
t ' 20 ns, tramite cui si pompa un laser costruito in laboratorio con elemento
attivo di T i : Al2O3. Quest’ultimo viene diviso in due tramite un beam splitter,
così da misurare con un wavemeter la lunghezza d’onda (λ ∼ 880 nm) della ra- diazione uscente. Dopodiciò si focalizza la radiazione su di un BBO (Borato di bario: BaB2O4), questo è un cristallo non lineare che duplica la frequenza del se-
gnale; infine il segnale impulsato e duplicato viene allineato sul campione cristallino. Il segnale della fluorescenza del nostro KY3F10 viene poi raccolto tramite una
lente e focalizzato all’entrata del monocromatore. Dopodichè viene rivelato con il fototubo S20 R1464, si amplifica con l’elettronica e si visualizza sull’oscillosco- pio digitale. Infine con il software Flukeview abbiamo visualizzato l’andamento del segnale, nella stessa finestra impostata sull’oscilloscopio, direttamente sul PC. La misura è stata fatta al variare della temperatura del cristallo, per ottenere l’anda- mento della vita media in funzione di essa; questo processo è stato seguito sia per i livelli nel visibile che nell’infrarosso.
4.4 – Apparato di misura vita media
Triax 320
PC
a)laser pompa b)beam splitter
c)misuratore di lunghezza d’onda d)cristallo non lineare
e)lente convergente f)campione g)criostato h)filtro i)monocromatore l)rivelatore fototubo m)oscilloscopio digitale Fluke Nd:YAG Ti:Al2O3 BBO a c e e e l m h i f g ω b d
Figura 4.7: Schema della misura delle vite medie per i livelli5F
5 λ = 660 nm e5S2
di prima, togliendo il cristallo di BBO; quindi in questo caso abbiamo pompato con impulsi a λ ∼ 892 nm, pompando il livello 5I
5. La ragione del cambio di lunghezza
d’onda nel pompaggio, sta nel tentativo di ottimizzare il popolamento del livello investigato; il pompaggio precedente a λ ∼ 440 nm, essendo lontano dalla regione infrarossa, causerebbe ripopolamenti e trasferimenti energetici che alterano la vita media del livello. Abbiamo anche usato una serie di filtri per attenuare l’intensità del fascio di pompa sul campione, lo schema è rappresentato in figura 4.8.
Triax 320
PC
a)laser pompa
b)misuratore di lunghezza d’onda c)filtro graduato d)lente convergente e)campione f)criostato g)monocromatore h)rivelatore InPb i)oscilloscopio digitale Fluke Nd:YAG Ti:Al2O3 a b d d h i g e f ω c
Figura 4.8: Schema della misura delle vite medie per i livelli5I
7 λ = 2042 nm e5I6
Capitolo 5
Risultati misure spettroscopiche
In questo capitolo vengono riportati i risultati ottenuti nell’indagine spettroscopica effettuata sul campione. Lo studio del materiale cresciuto si divide sommariamente in tre fasi: la spettroscopia di assorbimento; la spettroscopia di fluorescenza ecci- tando i livelli in base ai risultati ottenuti nelle misure di assorbimento; la misura della vita media dei livelli di interesse, investigati durante le misure di fluorescenza.
5.1
Spettri d’assorbimento
Le misure di assorbimento sono state acquisite con lo spettrofotometro Cary 500, che ho già descritto nella sezione 4.2 del precedente capitolo. Per ottenere un mag- gior dettaglio della struttura dei livelli dell’Ho3+ nel KY
3F10 sono state effettuate
due serie di misure: una a temperatura ambiente ed una a 10K, dove la larghezza delle righe è più stretta e consente di risolvere lo spettro.
Lo spettro, investigato a temperatura ambiente, va dalla regione dell’infrarosso a quella dell’ultravioletto. In particolare la misura è stata effetuata con una risolu- zione spettrale (SBW =Spectral Band Width) di 0.6 nm nella regione UV-visibile, da 180 nm a 800 nm; mentre con una SBW di 1.5 nm per la regione del vicino infrarosso, da 800 nm a 2300 nm.
dell’Olmio trivalente. Osservando lo spettro del cristallo cresciuto durante questa te- si, si verifica anzitutto l’assenza di picchi di assorbimento dovuti a contaminanti vari. Questo è stato verificato confrontando le misure da noi effettuate con la letteratura presente. Dal confronto è emerso, che il nostro campione presenta la stessa struttura di picchi di assorbimento di altre matrici ospitanti olmio cresciute in altri laborato- ri [4][15][22], confermando l’assenza di contaminanti entro la sensibilità delle misure.
Figura 5.1: Spettro di assorbimento del campione a temperatura ambiente, e livelli dell’olmio trivalente.
Si può osservare una banda larga nel vicino infrarosso, intorno a 2 µm, che rap- presenta l’assorbimento del livello 5I
7; mentre a λ ≈ 1200 cm−1, si nota il livello 5I
6. In particolare la transizione del 5I7, come già accennato in precedenza (cap.
3), è di grande interesse per applicazioni metereologiche, nel monitoraggio di H2O,
CO2 in atmosfera.
5.1 – Spettri d’assorbimento
a partire da circa 500 nm si osserva un assorbimento di fondo crescente, sovrapposto alle bande dell’Ho3+. L’effetto va ad aumentare andando verso lunghezze d’onda
più corte ed è dovuto all’assorbimento della matrice ospitante. I fluoruri hanno una finestra di trasparenza che generalmente va da 300 nm a 6000 nm, questa può va- riare, anche di centinaia di nm, a seconda sia della matrice in questione che dalle possibili imperfezioni strutturali dovute alla crescita. Inoltre la lavorazione mecca- nica delle superfici del campione, può provocare riflessioni indesiderate e scattering, soprattutto nelle regioni a bassa lunghezza d’onda.
Essendo l’Ho3+ un drogante che presenta canali di emissione laser sia nel visibile
che nell’infrarosso è stato affrontato uno studio dettagliato in tre regioni spettrali: 400 − 700 nm, 800 − 1250 nm, 1850 − 2100 nm.
Regione 1850-2100 nm
in fig. 5.2a è stato riportato l’assorbimento a 2 µm in dettaglio; per questa misura abbiamo usato una risoluzione spettrale di 0.5 nm, tre volte più risolta della prece- dente, per apprezzare al meglio la struttura della banda 5I
7, e per osservare i vari
sottolivelli stark visibili. Il massimo dell’assorbimento di questa transizione, è stato registrato alla lunghezza d’onda di λ = 1964 nm con α = 0.85 cm−1.
Per la transizione5I
8 −→ 5I7, abbiamo misurato anche l’assorbimento a bassa tem-
peratura (10K), con una risoluzione SBW = 0.2 nm riportato in fig. 5.2b.
Regione 800-1250 nm
Nella misura a temperatura ambiente dei multipletti 5I
6 e 5I5, nella regione del
vicino infrarosso, abbiamo usato una risoluzione SBW = 1 nm, (figura 5.3a). An- che in questo caso abbiamo fatto la misura a 10K, con una risoluzione spettrale
(a)
(b)
Figura 5.2: Spettri di assorbimento per il livello 5I
5.1 – Spettri d’assorbimento
per la transizione 5I8 −→ 5I6 a 10K; si nota confrontando con il corrispondente
a temperatura ambiente (5.3a), che l’allargamento dei picchi dovuto al campo fo- nonico è molto meno pronunciato, inoltre il massimo dell’assorbimento si sposta in corrispondenza di 1153 nm.
(a) (b)
Figura 5.3: Spettri di assorbimento per il livello 5I
6 a 300K e 10K.
Regione 400-650 nm
Abbiamo quindi effettuato un assorbimento nella regione del visibile a temperatura ambiente, con un SBW = 0.15 nm, dove sono stati rivelati i vari picchi, si ottengono tre assorbimenti principali (fig. 5.4):
Rosso Corrispondente alla transizione 5I8 −→5 F5 intorno a λ ∼ 650 nm
Verde Corrispondente alla transizione 5I
8 −→5 F4,5S2, intorno a λ ∼ 540 nm
Blu Corrispondente alla transizione 5I
8 −→5 F3,5F2, intorno a λ ∼ 480 nm
Si nota facilmente che i livelli nella regione del visibile assorbono di più rispetto a quelli nell’IR. Lo spettro riportato è utile per capire, quali sorgenti di pompa pos- siamo usare per eccitare il materiale in questione; inoltre i dati relativi al coefficiente
di assorbimento possono essere usati per calcolare lo spessore dei campioni per ap- plicazioni laser in modo da ottenere la massima efficienza di pompaggio. Nel nostro caso, come già accennato nel capitolo precedente, abbiamo eccitato la transizione
5I 8 →5F1 a λ ∼ 445 nm. 400 450 500 550 600 650 0 1 2 3 4 5 3 K 8 , 5 F 2 5 G 5 5 F 1 , 5 G 6 5 F 3 5 S 2 , 5 F 4 ( cm - 1 ) wavelength (nm) 5 F 5
Figura 5.4: Particolare dell’assorbimento dei livelli nel visibile a 300K. In un secondo momento per le transizioni nel verde e nel rosso, abbiamo fatto l’assorbimento a 10K, con i quali abbiamo riscontrato analoghi cambiamenti già notati per i grafici precedenti nella regione infrarossa. Da commentare il risulta- to sull’assorbimento del canale verde, dovuto a due transizioni: 5I
8 −→ 5F4 e 5I
8 −→ 5S2. Tramite quest’ultima misura si riesce a separare graficamente i due
multipletti, come ho riportato nella figura 5.5, cosa che non era stato possibile per le misure a temperatura ambiente. Il picco massimo per il livello 5F
4 risulta essere
∼ 536 nm, mentre per il 5S
5.1 – Spettri d’assorbimento
Nel caso della transizione5I8 −→ 5F5 sul rosso, cambia la posizione del picco prin-
cipale con la temperatura, da ∼ 650 nm per la misura a 300K, a ∼ 640 nm a 10K, figura 5.6.
Figura 5.5: Dettaglio dell’assorbimento per i livelli 5F
4 e5S2 a 10K.
Tutte le misure di assorbimento a temperatura ambiente o a 10K, sono state effettuate non polarizzate in quanto il KY3F10 presenta una struttura cubica. Viene
riportata in fondo alla sezione, una tabella (5.1) con i coefficienti di assorbimento mi- surati a temperatura ambiente, in corrispondenza dei vari livelli energetici riscontrati e riportati nei grafici.
Figura 5.6: Dettaglio dell’assorbimento per il livello 5F 5 a 10K. Livello λmax (nm) α (cm−1) 5I 7 1964 0.85 5I 6 1186 0.46 5I 5 893 0.13 5F 5 640 2.58 5S 2+5F4 537 4.26 5F 3 485 1.59 3K 8+5F2 468 0.66 5F 1 456 3.27 5G 6 451 3.04 3G 5 416 1.91
Tabella 5.1: Elenco dei vari picchi di assorbimento con nomenclatura spettroscopica e relativo coefficiente di assorbimento a temperatura ambiente.
5.1 – Spettri d’assorbimento
5.1.1
Calcolo sezione d’urto d’assorbimento
Con i dati dell’assorbimento per il livello5I
7 a ∼ 2 µm è possibile stimare la sezione
d’urto di assorbimento determinata soltanto a temperatura ambiente. Il calcolo è immediato conoscendo α dalla misura di assorbimento e la concentrazione degli ioni di olmio nel materiale (N).
σabs =
α
n (5.1)
Si ricava il numero di ioni d’olmio della cella unitaria sapendo che sono presenti otto unità di formula del KY3F10 nella cella elementare, e che il drogaggio è dello
0.8%. Infine dividendo per il volume della cella elementare del KY3F10, abbiamo
la concentrazione n = 1,246 · 1020 ionicm3. Il risultato ottenuto dalla formula viene
riportato sotto forma di grafico in figura 5.7.
Figura 5.7: Andamento della sigma di assorbimento per la transizione 5I8 −→ 5I7