Các nguyên tố đất hiếm được chia làm 2 nhóm: họ Lantanit có số nguyên tử
từ 57→71 và họ Actinit có số nguyên tử từ 89→103 trong bảng hệ thống tuần hoàn. Trên thực tế chỉ có họ Lantanit được pha tạp vào làm tăng đặc tính quang của các bộ truyền dẫn.
Cấu hình electron chung của các Lantanit.
1S2 2S2 2P6 3S2 3P6 3d10 4S2 4P6 4d10 4fn 5S2 5P6 5dm 6S2
Trong đó: n thay đổi từ 0 đến 14
m chỉ nhận các giá trị là 0 hoặc 1
Lớp 4f nằm gần lõi hạt nhân nguyên tử nên có những đặc tính quan trọng như: phát xạ và hấp thụ ở dải sóng hẹp, thời gian sống ở các trạng thái giả bền cao, các chuyển mức phát xạ ra photon có bước sóng thích hợp trong truyền dẫn quang. Lý thuyết giải thích cho hiện tượng này được đưa ra lần đầu tiên bởi M.Mayer và cộng sự vào năm 1941. Ông đã tính toán cấu trúc nguyên tử của các
nguyên tố thuộc nhóm Lantan.
Khi xem xét bức tranh cổ điển về các nguyên tử, thì thấy rằng hạt nhân được bao bọc bởi các lớp vỏ điện tử, các lớp này được điền đầy một cách từ từ khi tiến dần theo chiều tăng điện tích của bảng hệ thống tuần hoàn.
Hình ảnh quang phổ của các nguyên tố đất hiếm được quan sát lần đầu tiên vào những năm 1900 bởi J.Becquerel. Đó là quang phổ vạch của muối đất hiếm
được làm lạnh xuống nhiệt độ thấp (<100K) [5].
Hình 1.14. Mô tả những mức năng lượng của các ion đất hiếm hoá trị 3. Độ
rộng của mức đặc trưng cho sự tách vạch trong trường tinh thể của chúng. Sự phân loại cho trong ký hiệu Russell – Sauders, những nửa vòng tròn xác định những mứcphátxạ.
Trong vật liệu thủy tinh tương tác tĩnh điện giữa ion đất hiếm và mạng nền chiếm ưu thế, do đó các mức năng lượng của ion đất hiếm bị tách theo hiệu ứng Stark. Chính các mức năng lượng tách vạch Stark này quyết định đến vùng phổ
hấpphụ cũng nhưđặc tính truyền quang củacác ion đất hiếm.
Khi các ion đất hiếm ở trong trường tinh thể tĩnh, sẽ có hiện tượng tách các mức năng lượng. Sự tách mức năng lượng do nhiều nguyên nhân, hình 1.11. thể
hiện sơđồ tách mức năng lượng theo các nguyên nhân khác nhau [2], [8].
- Tách mức do lực nguyên tử: Theo vật lý chất rắn và cơ học lượng tử, khi các nguyên tửở gần nhau thì chúng sẽ tương tác với nhau và dẫn tới sự tách mức.
- Tách mức do trường vật liệu nền: Khi pha các nguyên tốđất hiếm vào một mạng nền nào đó, có sự tương tác của trường vật liệu nền với các ion đất hiếm, làm cho hàm sóng của các ion này bị nhiễu loạn và cũng gây ra sự tách mức.
- Tách mức do tương tác spin: Ion đất hiếm có lớp vỏ 4f chưa được điền đầy
điện tử, dẫn tới hình thành cấu hình điện tử khác nhau với các mức năng lượng khác nhau do tương tác tương tác spin-spin và tương tác spin - quỹđạo.
- Khi pha nguyên tố đất hiếm vào vật liệu nền SiO2 gây ra hiện tượng tách vạch stark của các mức năng lượng khác nhau của ion đất hiếm. Kết quả
là có sự mở rộng các chuyển mức quang học.
Hình 1.15. Sơđồ tách mức năng lượng