Un’ altra misura eseguita ´e stata quella del tempo di vita media del multipletto 4I
13/2 , che ´e stata utile fra l’ altro per il calcolo della
sezione d’ urto di emissione.
Le misure di vita media sul multipletto 4I
13/2 sono state eseguite
utilizzando la sorgente impulsata sintonizzata a 980 nm con ripe- tizione di impulso di 30 nsec.
La fluorescenza ´e sata rilevata perpendicolarmente al fascio di pom- pa ed il segnale ´e stato osservato a 1.532 µm (dove si trova il picco di intensit´a), corrispondentemente alla transizione 4I
13/2 → 4I15/2.
Il segnale ´e stato raccolto tramite un computer e i dati sono stati fittati con una curva esponenziale.
In fig 5.12 ´e riportato a titolo di esempio un grafico del segnale in uscita dal rivelatore e fittato con una curva esponenziale.
Il fascio di pompa a 980 nm andava a popolare il livello4I
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 I n t e n si t à ( m V ) t (ms) Fit esponenziale y = A1*exp(-x/t1) + y0
Figura 5.12: Misura del tempo di vita media del livello4I
13/2e fit esponenziale.
l’ Erbio ha un picco di assorbimento (fig 5.7). Non abbiamo pompa- to direttamente il livello 4I
13/2 per l’ assenza di una sorgente adatta
in quella regione. La vita media dello stesso livello ´e stata misurata per diverse concentrazioni del drogante, e i risultati ottenuti sono riportati nella tabella 5.2. Ogni misura ´e stata ripetuta 3 volte e il
Concentrazione Er τ (ms)
0.2 % 2.87
0.4 % 3.12
0.6 % 3.96
0.8 % 3.53
Tabella 5.2: Risultati delle misure dei tempi di vita media relativi al multipletto
4I
13/2. L’ incertezza sulle misure ´e di 0.02 ms.
dato sperimentale fornito ´e la media delle tre misure fatte.
La differenza tra i valori diversi del tempo di vita media riscon- trati per lo stesso livello nei campioni con drogaggio differente ´e spiegabile in termini di processi di intrappolamento (assorbimento e riemissione) della luce, che crescono all’ aumentare della quantit´a di
drogante. Tenendo conto di questo fatto, nel calcolo della sezione d’ urto di emissione il tempo di vita medio considerato ´e stato quello relativo alla fibra meno drogata (0.2 %).
Anche attraverso misure di vita media ´e possibile verificare l’ omo- geneit´a del drogaggio su tutta la lunghezza del cristallo. Abbiamo per questo montato la nostra fibra su un supporto verticale e misura- to i tempi di vita media dello stesso livello andando a far incidere il fascio di pompa ogni volta su un punto diverso. Se la concentrazione di drogante ´e spazialmente omogenea i tempi di vita media devono rimanere gli stessi per tutta la lunghezza della fibra. Questa misura ´e complementare a quella effettuata in assorbimento, nel senso che entrambe servono a studiare la distribuzione del drogante all’ inter- no del cristallo.
I risultati delle misure effettuate sono riportati nella tabella 5.3 e confermano l’ omogeneit´a spaziale lungo tutta la crescita della dis- tribuzione del drogante. Il valore numerico del tempo di vita media ´e in accordo con i dati pubblicati in letteratura.
Posizione (mm) τ (ms) 0 2.98 5 2.97 10 2.97 15 2.96 20 2.97
Tabella 5.3: Risultati delle misure dei tempi di vita media del livello 4I 13/2
efettuate in diverse zone di una stessa fibra di LiNbO3: 0.2 % Er. L’ incertezza
sulle misure ´e di 0.02 ms
Su una fibra con drogaggio pari allo 0.6% sono state effettuate anche le misure di vita media di altri livelli energetici, e precisamente dei livelli 4S
3/2, 4F9/2 e4I11/2.
Questi sono stati osservati andando a pompare un livello superiore (il4G
11/2 a 380 nm) mediante il laser titanio zaffiro impulsato a 760
I valori delle vite medie dei livelli cos´ı misurate sono riportate in tab. 5.4. livello λ τ (µs ) 4 S3/2 550 nm 26 4F 9/2 660 nm 22 4I 11/2 980 nm 215
Tabella 5.4: Risultati delle misure dei tempi di vita media dei livelli4
S3/2,4F9/2
e4I
11/2. L’ incertezza sulla misura ´e di 1 µs.
I dati da noi ricavati sono in buon accordo con quelli presenti in letteratura per tutti i livelli studiati [16] [18], ad eccezione di quello relativo al livello4F
9/2. ´E importante osservare che per quanto
riguarda questo livello, per come ´e stata effettuata la misura, il dato riportato non ´e direttamente interpretabile come valore del tempo di vita media. Infatti, osservando la struttura dei livelli energetici dell’ erbio (fig. 5.13), ´e evidente che ci´o che abbiamo effettivamente osservato ´e stato s´ı il decadimento da questo livello, ma in condizioni di continuo ripopolamento da parte del livello superiore, il 4S
3/2,
che secondo i dati i letteratura ha un tempo di vita circa dieci volte superiore.
4 G 11/2 4 S 3/2 4 F 9/2 4 I 15/2 = 26 s = 2 s
Figura 5.13: Schema dei livelli energetici dell’ erbio coinvolti nella transizione. Il dato del tempo di vita media del livello4F
5.4
Misure di fluorescenza
Le misure di fluorescenza sulle fibre di LiNbO3:Er sono state es-
eguite utilizzando come sorgente un laser a diodo a ∼ 973.4 nm con una potenza di 0.97 W.
Sono state eseguite misure di fluoresceza (con luce polarizzata e non) per diverse transizioni dell’ erbio, ed in particolare misure con luce polarizzata per la transizione 4I
13/2 → 4I15/2.
Le transizioni osservate sono state: • 4S 3/2 → 4I15/2 (550 nm) • 4I 13/2 → 4I15/2 (1.5µm) • 4I 11/2 → 4I13/2 (3 µm)
Dato che queste sono misure di intensit´a di luce, ´e necessario che l’ apparato sperimentale sia prima opportunamente tarato; in particolare, dato che abbiamo raccolto spettri di luce polarizzati, abbiamo dovuto effettuare una taratura relativamente ad ognuna delle polarizzazioni.
Come sorgente per tarare l’ apparato ´e stata utilizzata una comune lampadina alogena, la quale emette approssimativamente su uno spettro di corpo nero a circa 3000 K. Dalla conoscenza dello spettro di emissione di corpo nero ´e possibile dedurre la risposta del sistema alle varie lunghezze d’ onda e grazie a questo si pu´o arrivare ad ot- tenere misure di intensit´a tarate sulle caratteristiche dell’ apparato. Dal momento che un corpo nero 3000 K ha il massimo di intensit´a radiativa attorno a 1 µm, ´e stato possibile tarare lo strumento in quella regione di lunghezze d’ onda, quindi le misure relative alle transizioni 4S
3/2 → 4I15/2 (550 nm) e 4I13/2 → 4I15/2 (1.5µm) sono
state correttamente tarate. Lo spettro di corpo nero ´e infatti suf- ficientemente largo in lunghezze d’ onda da fornire un segnale ben rivelabile in quelle regioni, mentre per quanto riguarda la transizione
4I
11/2 → 4I13/2 (3 µm) non abbiamo potuto effettuare una taratura,
misura di fluorescenza di questo livello ´e comunque riportata per completezza.
Per dare un’ idea di quale sia effettivamente la risposta del nostro apparato di misura, riporto uno dei grafici relativi alle misure effet- tuate per la taratura (fig 5.14). Sullo stesso grafico ho riportato la simulazione della vera curva di corpo nero corrispondente a quella emessa dalla lampadina. Dal rapporto delle due curve si deduce la risposta dell’ apparato di misura.
Dopo aver effettuato la taratura, abbiamo misurato la fluorescenza
1440 1480 1520 1560 1600 1640 1680 1720 0,08 0,09 0,10 0,11 0,12 0,13 0,14 0,15 0,16 0,17 0,18 0,19 I n t e n si t à ( u . a . ) (nm) Segnale rivelato Simulazione corpo nero
Figura 5.14: Spettro di emissione di corpo nero simulato (linea rossa) e rilevato (linea nera). Miura effettuata con polarizzatore di ingresso del monocromatore parallelo al banco ottico.
delle transizioni di interesse nel seguente modo: abbiamo inviato sul campione il fascio laser di pompa focalizzandolo su una faccia lucidata del cristallo tramite una lente di ingresso. Il segnale di flu- orescenza ´e stato osservato perpendicolarmente, da un’ altra faccia. Le misure di fluorescenza sono state effettuate su cristalli con dro- gaggio pari allo 0.2%, 0.6% e 0.8%.
fibra di LiNbO3 : 0.2% Er nella regione del verde, relativamente
alla transizione 4S
3/2 → 4I15/2, nelle due polarizzazioni parallela e
ortogonale all’ asse ottico z (coincidente con c).
520 540 560 580 0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 F l u o r e sce n za ( u . a . ) λ (nm) E || c E ⊥ c
Figura 5.15: Spettro di fluorescenza della transizione 4S
3/2 → 4I15/2 in fibra
LiNbO3 : 0.2% Er .
Sulla stessa fibra ´e stato anche misurato lo spettro a 1.5 µm e il risultato ´e riportato in figura 5.16. Si tratta della transizione 4I
13/2
→ 4I
15/2 .
Su questo cristallo, data la bassa percentuale di drogante, non ´e stato possibile rivelare un segnale a 3 µm.
1450 1500 1550 1600 1650 1700 0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010 0,012 F l u o r e sce n za ( u . a . ) (nm) E c E || c
Figura 5.16: Spettro di fluorescenza della transizione 4
I13/2 → 4I15/2 in fibra
Abbiamo analizzato anche fibre con percentuale di drogaggio maggiore: per una fibra che presentava il drogaggio dello 0.8 % ´e stato possibile rivelare anche un (debole) segnale non polarizzato attorno ai 3 µm, quello emesso nella transizione 4I
11/2 → 4I13/2.
Questo ´e riportato in fig 5.17 cos´ı come letto dal PC, in quanto, come ho gi´a detto, non abbiamo potuto effettuare una taratura dell’ apparato di rivelazione in questa regione.
2600 2700 2800 2900 3000 0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 F l u o r e sce n za ( u . a . ) (nm)
Spettro non polarizzato
Figura 5.17: Spettro di fluorescenza della transizione 4I
11/2 → 4I13/2 in fibra
Su una fibra con drogaggio dell 0.6% abbiamo deciso di misurare anche il contributo di dipolo magnetico alla transizione 4I
13/2 →
4I
15/2, e per fare ci´o abbiamo raccolto spettri nelle tre diverse po-
larizzazioni α, β e σ (per la nomenclatura vedi tab. 5.2). Questo ´e stato ottenuto ruotando il cristallo nella direzione desiderata prima di ogni misura.
Gli spettri cos´ı raccolti sono mostrati insieme in un unico grafico, in fig 5.18.
Come gi´a per gli spettri di assorbimento, ´e evidente come la strut- tura dei picchi sia simile tra le polarizzazioni α e σ, ma diversa nella polarizzazione π. 1450 1500 1550 1600 1650 1700 0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,035 0,040 F l u o r e sce n za ( u . a . ) (nm)
Figura 5.18: Spettro di fluorescenza della transizione 4I
13/2 → 4I15/2 in fibra