(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của mn2+ đến phát xạ cận hồng ngoại của đồng pha tạp tm3+ ho3+ yb3+ trong thủy tinh silicate ứng dụng cho bộ khuếch đại quang tdfa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LƢU THỊ THANH KỲ NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA Mn2+ ĐẾN PHÁT XẠ CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐỒNG PHA TẠP Tm3+Ho3+-Yb3+ TRONG THỦY TINH SILICATE ỨNG h DỤNG CHO BỘ KHUẾCH ĐẠI QUANG TDFA Chuyên ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Ngƣời hƣớng dẫn: TS HỒ KIM DÂN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu luận văn: “Nghiên cứu nh hƣởng củ Mn2+ n ph t cận hồng ngo i củ ồng ph t p Tm3+-Ho3+-Yb3+ thủy tinh silic te ứng dụng cho khu ch i quang TDFA” kết nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc công bố cơng trình nghiên cứu Học viên Lƣu Thị Th nh Kỳ h LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Hồ Kim Dân tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ, bảo động viên tơi hồn thành luận văn Trong q trình thực luận văn tơi nhận đƣợc nhiều quan tâm tạo điều kiện Thầy, Cô khoa Khoa học Tự nhiên - Trƣờng Đại học Quy Nhơn Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới quý Thầy, Cô Tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè tập thể lớp Cao học Vật l chất rắn K động viên, khích lệ tinh thần suốt q trình học tập nghiên cứu khoa học Mặc dù cố gắng thời gian thực luận văn nhƣng cịn hạn chế kiến thức nhƣ thời gian, kinh nghiệm nghiên cứu nên không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đƣợc thơng cảm ý h kiến đóng góp qu báu từ quý Thầy, Cơ để luận văn đƣợc hồn thiện Tơi xin chân thành cảm ơn! Học viên Lƣu Thị Th nh Kỳ MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CẢM ƠN DANH MỤC CÁC K HI U, CÁC CH VI T TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 KỸ THUẬT GHÉP KÊNH PHÂN CHIA BƢỚC SÓNG WDM 1.1.1 Tổng quan kỹ thuật gh p kênh phân chia bƣớc sóng WDM 1.1.2 Nguyên lí hoạt động hệ thống WDM 1.1.3 Phân loại kỹ thuật ghép kênh WDM h 1.1 Ứng dụng kỹ thuật ghép kênh WDM BỘ KHU CH ĐẠI SỢI QUANG TDFA .1 Tổng quan khuếch đại quang TDFA 1.2.2 Nguyên lý hoạt động TDFA 10 Ứng dụng khuếch đại quang TDFA 12 TỔNG QUAN VỀ VẬT LI U THỦY TINH SILICATE 13 .1 Tổng quan vật liệu thủy tinh silicate 13 Đặc tính thủy tinh silicate 15 CHƢƠNG THỰC NGHIỆM 18 GIỚI THI U 18 VẬT LI U THÍ NGHI M 18 2.3 QUY TRÌNH VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẠC, PHÂN TÍCH THÍ NGHI M 21 Quy trình th nghiệm 21 Phân t ch nhiệt DTA Differential thermal analysis 25 Đo, phân t ch XRD mẫu thủy tinh silicate 27 Đo, phân t ch quang phổ hấp thụ đơn tạp Ho3+, Tm3+, Yb3+ đồng pha tạp Tm3+-Ho3+-Yb3+ vật liệu thủy tinh silicate SiO2– Al2O3–LaF3–CaCO3 28 Đo, phân t ch quang phổ phát xạ cận hồng ngoạicác đơn tạp Ho 3+, Tm3+, Yb3+ đồng pha tạp Tm3+-Ho3+-Yb3+ vật liệu thủy tinh silicate SiO2–Al2O3–LaF3–CaCO3 30 Đo, phân t ch thời gian sống (lifetimes) ions Ho3+, Tm3+ 32 h CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN 35 K T QUẢ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH DTA, XRD CỦA VẬT LI U THỦY TINH SILICATE SiO2–Al2O3–LaF3–CaCO3 35 3.1.1 Phân tích DTA mẫu thủy tinh SALC 35 Phân t ch XRD mẫu thủy tinh SALC 36 3.1.3 Phân t ch ảnh SEM mẫu thủy tinh SALC 37 3.2 K T QUẢ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH QUANG PHỔ HẤP THỤ CỦA ĐỒNG PHA TẠP Tm3+-Ho3+-Yb3+ TRONG VẬT LI U THỦY TINH SILICATE SiO2–Al2O3–LaF3–CaCO3 38 3.2.1 Quang phổ hấp thụ đơn tạp Tm3+ thủy tinh silicate SALC 39 Quang phổ phát xạ cận hồng ngoại NIR đơn tạp Tm3+ thủy tinh silicate SALC 39 3.2.3 Quang phổ hấp thụ đồng pha tạp Ho3+-Yb3+ thủy tinh silicate SALC 44 3.2.4 Quang phát xạ cận hồng ngoại đồng pha tạp Ho3+-Yb3+ thủy tinh silicate SALC 45 K T QUẢ NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH B NG TH NG CẬN HỒNG NGOẠI CỦA ĐỒNG PHA TẠP Tm3+-Ho3+-Yb3+ TRONG VẬT LI U TRONG THỦY TINH SILICATE SiO2–Al2O3–LaF3–CaCO3 48 3.3.1 Quang phổ hấp thụ đồng pha tạp Tm3+-Ho3+-Yb3+ vật liệu thủy tinh silicate SiO2–Al2O3–LaF3–CaCO3 48 Phát xạ cận hồng ngoại đồng pha tạp Tm3+-Ho3+-Yb3+ vật liệu thủy tinh silicate SALC 50 PHÂN TÍCH ẢNH HƢỞNG CỦA Mn2+ Đ N PHÁT XẠ CẬN HỒNG h NGOẠI CỦA ĐỒNG PHA TẠP Tm3+-Ho3+-Yb3+ TRONG VẬT LI U THỦY TINH SILICATE SiO2–Al2O3–LaF3–CaCO3 53 3.4.1 Quang phổ hấp thụ đồng pha tạp Mn2+-Yb3+, Ho3+-Mn2+-Yb3+ Tm3+-Ho3+-Mn2+-Yb3+ vật liệu thủy tinh SALC 53 3.4.2 Vai trò Mn2+ đến phát xạ hồng ngoại đồng pha tạp Tm3+Ho3+-Yb3+ vật liệu thủy tinh SALC 55 3.4.3 Các mức lƣợng trình chuyển giao lƣợng Ho3+, Tm3+ Yb3+ đồng pha tạp Tm3+-Ho3+-Yb3+ Mn2+ 56 3.4.4 Ảnh hƣởng Mn2+ đến độ ph ng băng thông phát xạ cận hồng đồng pha tạp Tm3+-Ho3+-Yb3+ 58 PHÂN TÍCH Q TRÌNH CHUYỂN GIAO N NG LƢỢNG GI A CÁC IONS Ho3+, Tm3+, Yb3+ VÀ KIM LOẠI CHUYỂN TI P Mn2+ 60 3.5.1 Phân t ch trình chuyển giao lƣợng Mn2+-Yb3+ Ho3+ 60 3.5.2 Phân t ch trình chuyển giao lƣợng Mn2+-Yb3+ Tm3+ 62 KẾT LUẬN V KIẾN NGHỊ 65 KẾT LUẬN 65 KIẾN NGHỊ 66 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) h DANH MỤC CÁC K HIỆU CÁC CH K HIỆU TÊN TIẾNG ANH VIẾT TẮT TÊN TIẾNG VIỆT Differential thermal analysis Phân t ch nhiệt vi sai DWDM Dense Wavelength Division Multiplexing Gh p kênh theo bƣớc sóng mật độ cao DEMUX Demultiplexer Mạch giải gh p kênh EDFA Erbium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi quang Erbium FRA Fiber-Raman Amplifier Khuếch đại theo hiệu ứng phi tuyến Raman FBA Fiber-Brillouin Amplifier Khuếch đại theo hiệu ứng phi tuyến Brillouin FWHM Full Width at Half Maximum Một n a giá tr cực đại hàm truyền đa MUX Multiplexer Mạch gh p kênh NIR Near Infrared Cận hồng ngoại SEM Scanning Electron Microscope K nh hiển vi điện t qu t TEM Transmission Electron Microscopes K nh hiển vi điện t truyền qua TDFA Thulium-Doped Fiber Amplifier Bộ khuếch đại sợi quang Thulium TDF Thulium-Doped Fiber Sợi đơn tạp Thulium WDM Wavelength Division Multiplexing Gh p kênh phân chia theo bƣớc sóng XRD X-ray diffraction Nhiễu xạ tia X h DTA DANH MỤC BẢNG Bảng Thành phần nguyên vật liệu th nghiệm cho mẫu thủy tinh silicate: 45SiO2–(28-x)Al2O3–17LaF3–10CaCO3–xTm2O3 19 Bảng Thành phần nguyên vật liệu th nghiệm cho mẫu thủy tinh silicate: 45SiO2–(26-y)Al2O3–17LaF3–10CaCO3–yTm2O3–2Yb2O3 20 Bảng Thành phần nguyên vật liệu th nghiệm cho mẫu thủy tinh silicate: 45SiO2–(27.5-z)Al2O3–17LaF3–10CaCO3–0.5Ho2O3-zYb2O3 20 Bảng Thành phần nguyên vật liệu th nghiệm cho mẫu thủy tinh silicate: 45SiO2–(25.5-p)Al2O3–17LaF3–10CaCO3–0.5Tm2O3–pHo2O3–2Yb2O3 20 Bảng Thành phần nguyên vật liệu th nghiệm cho mẫu thủy tinh silicate: 45SiO2–25.3Al2O3–17LaF3–(10-q)CaCO3–0.5Ho2O3–0.2Tm2O3–2Yb2O3qMnCO3 21 h DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ chức hệ thống WDM Hình Bộ khuếch đại TDFA Hình 1.3 Biểu đồ mức lƣợng ion Tm3+ 10 Hình 1.4 Phân loại khuếch đại quang TDFA 12 Hình 2.1 Tỷ lệ thành phần ch nh trạng thái thủy tinh silicate 19 Hình Quy trình th nghiệm tạo mẫu thủy tinh đo đạc thơng số 23 Hình 2.3 Cốc sứ đựng nguyên liệu để chế tạo mẫu 24 Hình 2.4 Hình ảnh lị nung Nabertherm dùng để nung nóng chảy h n hợp vật liệu chế tạo thủy tinh 24 Hình 2.5 Hình ảnh mẫu SALC sau chế tạo, ủ nhiệt đánh bóng bề mặt 25 h Hình Thiết b phân t ch nhiệt Shimadzu DTA-60AH dùng đo phân t ch nhiệt cho vật liệu 26 Hình 2.7 Giao diện phần mềm TA-60 kèm theo thiết b đo phân t ch nhiệt Shimadzu DTA-60AH 27 Hình 2.8 Thiết b đo quang phổ hấp thụ Hitachi U-4100 28 Hình Khoang đặt mẫu đo thiết b đo quang phổ hấp thụ Hitachi U4100 29 Hình 2.10 Giao diện phần mềm thiết b đo quang phổ hấp thụ Hitachi U4100 30 Hình 2.11 Bộ phát bƣớc sóng k ch th ch nm LD 31 Hình 2.12 Giao diện phần mềm thiết b đo quang phổ 32 Hình 2.13 Giao diện s dụng phần mềm FLS-980 kèm theo thiết b Edinburgh Instruments FLS9 dùng đo thời gian sống 33 Hình Kết phân t ch DTA mẫu thủy tinh SALC 35