Path: Top > S3-Dissertations > Physics-FMIPA > 2016

PENGEMBANGAN MEDIUM GELAS DIDOPING OLEH ION NEODIMIUM (Nd3+) SEBAGAI MEDIUM PENGUAT LASER

DEVELOPMENT OF GLASSES MEDIUM DOPED NEODYMIUM IONS (Nd3+) FOR LASER GAIN MEDIUM

PhD Theses from JBPTITBPP / 2017-09-27 15:44:49
Oleh : JUNIASTEL RAJAGUKGUK (NIM : 30212006), Department of Physics
Dibuat : 2016, dengan 7 file

Keyword : Emisi, Ion Neodimium, medium gelas, Nd:Borat, Nd:Fosfat, transisi

Pengembangan medium gain laser yang berbasis pada bahan gelas merupakan topik yang sangat populer dan terus diteliti khususnya dalam bidang optik dan laser. Dalam penelitian ini dilaporkan pembuatan medium gelas yang didoping oleh ion aktif Nd3+ untuk diaplikasikan sebagai medium laser gelas pada rentang operasi near infrared (NIR). Penelitian ini bertujuan untuk membentuk medium gelas dengan cara menyisipkan ion aktif neodimium (Nd3+) ke dalam host matriks gelas dan mengamati sifat fisis, struktur dan optik medium tersebut. Selain itu, penelitian ini juga bertujuan untuk mendesain sistem pemompa optik yang berbasis pada laser diode untuk mengamati spektrum luminesensi medium gelas yang dikembangkan pada rentang near infrared. Tahapan akhir dari penelitian ini adalah mengamati kemungkinan cahaya lasing yang dihasilkan oleh medium Nd:Gelas dengan metode signal reference locked pada panjang gelombang 1064 nm.


Host matriks gelas yang dikembangkan dalam penelitian ini berbasis pada gelas borat dan fosfat dengan masing-masing formula adalah (65-x)B2O3-15Na2O-10PbO-5ZnO-5Li2O -xNd2O3 (x = 0,0; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0; 2,0 dan 4,0 mol%) dan (50-x)P2O5-8Al2O3-12Na2O-10KF-10CaO -10CaF2-xNd2O3 (x = 0,0; 0,5; 1,0; 1,5 dan 2,0 mol%). Metode melt-quenching dengan suhu peleburan sampai dengan 1200 oC digunakan dalam proses pendopingan ion Nd3+ untuk memperoleh kehomogenan komposisi gelas.


Untuk memperoleh informasi terkait struktur gelas, sifat-sifat optik dan radiatif lainnya maka dilakukan beberapa pengamatan dan pengukuran terhadap gelas yang dibangun. Pengukuran indeks bias dan kerapatan gelas masing-masing dilakukan dengan menggunakan Atago Refractometer dan prinsip Arcimedes. Karakteristik struktur setiap gelas juga diketahui dari hasil pengukuran yang menggunakan X-Ray Difractometer (XRD) dan Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Sifat optik diantaranya pita serapan, celah pita energi (energy band gap) dan spektrum pita emisi setiap medium diamati dengan menggunakan UV-Vis-NIR tipe UV-3600 Shimadzu dan spektrofluorophotometer Quanta Master (QM-300) buatan Photon Technology International (PTI)-Horiba. Berdasarkan data-data hasil pengukuran sifat optik tersebut dapat diketahui beberapa parameter seperti halnya spektrum absorbsi, spektrum emisi, kekuatan osilator (f), intensitas spektroskopik ((simbol) 2, (simbol) 4 dan (simbol) 6), probabilitas transisi radiatif (AR), branching ratio (simbol r), lifetime (simbol), tampang lintang emisi (simbol e) dan efisiensi kuantum (simbol).


Berdasarkan hasil pengukuran spektrum absorpsi pada medium gelas Nd:Foshat dan Nd:Borat diperoleh transisi pita serapan yang hampir sama yakni 4I9/2 (simbol) 4D3/2; 2P1/2; 2G9/2+4G11/2; 4G7/2; 2G7/2+ 4G5/2; 2H11/2; 4F9/2; 4F7/2; 4F5/2 dan 4F3/2. Namun pada medium gelas Nd:Fosfat muncul transisi baru 4I9/2 (simbol) 4D7/2+2I13/2 pada posisi panjang gelombang 329 nm untuk gelas dengan konsentrasi Nd3+ 1,5 mol% (PANCaFN3) dan 2,0 mol% (PANCaFN4). Dari spektrum absorpsi juga diketahui bahwa transisi 4I9/2 (simbol) 2G7/2+ 4G5/2 pada panjang gelombnag 582 nm merupakan transisi hipersensitif. Hal ini terjadi akibat ion-ion di dalam host matriks dapat menyerap cahaya secara maksimum pada panjang gelombang 582 nm untuk terjadinya eksitasi elektron dari level dasar ke level yang lebih tinggi.


Penyisipan ion Nd3+ ke dalam sistem gelas Nd:Borat dan Nd:Fosfat telah menghasilkan emisi dengan transisi 4F3/2 (simbol) 4I9/2, 4F3/2 (simbol) 4I11/2 dan 4F3/2 (simbol) 4I13/2 di sekitar panjang gelombang 904 nm, 1064 nm dan 1330 nm untuk medium gelas Nd:Borat. Dari ketiga pita emisi telah diperoleh intensitas maksium pada transisi 4F3/2 (simbol) 4I11/2. Hasil tersebut menunjukkan bahwa medium gelas yang dikembangkan dalam penelitian ini dapat diaplikasikan sebagai medium laser untuk menghasilkan cahaya pada daerah mendekati infra merah.


Berdasarkan eksperimen pemompaan optik yang berbasis pada laser dioda 805 nm telah diperoleh spektrum luminesensi yang dihasilkan oleh medium gelas Nd:Borat dan Nd:Fosfat. Adapun intensitas luminesensi yang dihasilkan oleh medium gelas Nd:Fosfat lebih tinggi jika dibandingkan dengan gelas Nd:Borat. Namun posisi puncak luminesensi gelas Nd:Borat dengan gelas Nd:Fosfat sedikit berbeda khususnya pada transisi 4F3/2 (simbol) 4I11/2 sebesar 7 nm. Hal ini disebabkan peningkatan kopel vibrasi antar ion-ion di dalam host, sehingga terjadi ketidak koherenan pada setiap foton ketika turun dari keadaan tereksitasi menuju keadaan metastabil dan berlanjut pada saat ter-emisi. Dari eksperimen ini juga diperoleh bahwa medium gelas Nd:Borat dan Nd:Fosfat yang dikembangkan mampu menguatkan sinyal cahaya laser khususnya pada panjang gelombang 1064 nm. Hal ini terlihat dari gain maksimum yang dihasilkan oleh medium gelas Nd:Borat dan Nd:Fosfat masing-masing sebesar 2,03 dB (BNPZLiN4) dan 3,69 dB (PANCaFN2). Nilai gain yang dihasilkan oleh kedua jenis gelas tersebut mengindikasikan bahwa kemungkinan besar medium gelas yang dikembangkan dalam penelitian ini mampu menghasilkan cahaya lasing pada daerah panjang gelombang 1064 nm.

Deskripsi Alternatif :

Development of laser gain medium based on glass material was the most popular topic and continuously investigated especially in field of optics and lasers. In this study reported the synthesis of glass medium doped by Nd3+active ions to be applied as a glass laser medium operating at near infrared range. The aim of this research was establish the glass medium by inserting of Nd3+ ion into a host matrix glass and observe the physical properties, structure and optical medium. In addition, this study aims to design an optical pumping system based on laser diode to observe the luminescence spectra of the glass medium that developed in the near infrared range. The final stage of this research was to observe the possibility of the lasing produced by Nd:Glass medium with signal reference locked method at wavelength of 1064 nm.


Host matrix that was developed in this study based on borate and phosphate glasses with each formula are (65-x)B2O3-15Na2O-10PbO-5ZnO-5Li2O -xNd2O3 (with x = 0,0; 0,05; 0,1; 0,5; 1,0; 2,0 and 4,0 mol%) and (50-x)P2O5-8Al2O3-12Na2O-10KF-10CaO -10CaF2-xNd2O3 composition (with x = 0,0; 0,5; 1,0; 1,5 and 2,0 mol%). Melt-quenching method with temperature melting at 1200oC was used to prepare Nd3+ ion doped glasses.


Several observations and measurements of the glasses were carried to obtain information related to the structure of glasses, optical and radiative properties. Refractive index (n) and density (symbol) of each glass sample is performed by using an Atago refractometer and Archimedes principle respectively. The characteristic of the glass structure is also known from measurements using X-Ray Difractometer (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Optical properties, such as absorption band, optical energy band gap and emission band for each glass was observed by using UV-Vis-NIR spectrophotometer and Quanta Master (QM-300) spectrofluorophotometer from Photon Technology International (PTI)-Horiba. From the results of optical properties measurement can be known some parameters like absorption spectra, emission spectra, oscillatroe strength (f), spectroscopic intensities ((symbol) 2, (symbol) 4 dan (symbol) 6), radiative transition probability (AR), branching ratio (symbol r), lifetime (symbol), emission cross section (symbol e) and quantum efficiency (symbol). From the absorption spectra measurements for Nd:Borat and Nd:Fosfat have been obtained absorption band transition almost similar at 4I9/2 symbol 4D3/2; 2P1/2; 2G9/2+4G11/2; 4G7/2; 2G7/2+ 4G5/2; 2H11/2; 4F9/2; 4F7/2; 4F5/2 dan 4F3/2. However, for Nd:Phosphate glass medium appears the new transition 4I9/2 symbol 4D7/2+2I13/2 at position of 329 nm wavelength. This occurs on the glass samples with the Nd3+ concentration at 1.5 mol.% (PANCaFN3) and 2,0 mol.% (PANCaFN4) respectively. Both types of glass also shows the hypersensitive transition that is located at symbol = 582 nm which is assigned to 4I9/2 symbol 2G7/2+ 4G5/2. It is claimed that the ions in the host matrix can absorb maximum light at a wavelength of 582 nm for the excitation of electrons from the lower level to a higher level.


From the emission spectra of Nd:Borat and Nd:Fosfat glasses have been obtained three emission bands at 904 nm, 1064 nm and 1330 nm where these bands are assigned to the transitions 4F3/2( symbol) 4I9/2, 4F3/2 (symbol) 4I11/2 and 4F3/2 (symbol) 4I13/2 respectively. From three transitions above, the maximum emission band can be produces by 4F3/2 (symbol) 4I11/2 transition. It was shown that the glass medium that developed in this research can be applied as laser medium to obtain of light at near infrared (NIR) range.


Moreover the optical pumping experiments based on 805 nm laser diode was designed to observe the luminescence spectra produced by both of glasses, Nd:Borate and Nd:Phosphate. Consistently, the luminescence spectrum intensity of the Nd:Phosphate glass medium is higher than Nd:Borat glass. However the luminescence peak position was slightly shifts, especially on 4F3/2 (symbol) 4I11/2 transition for 9 nm. This is due to (an increase in vibration coupling between the ions in the host matrix, causing non coherent for each photon when dropped from an excited state to the metastable state and continues during emission process. Further, based on the experimental of the laser signal amplification at 1064 nm is obtained that Nd:Phosphate and Nd:Borate glasses were capable amplifies the 1064 nm reference signal. Special for Nd:Phosphate glass, the maximum gain is obtained 3.69 dB by PANCaFN2 glass. Whereas, for Nd:Borate glass can produce maximum gain 2,03 dB generated by BNPZLiN4 glass. From the gain value of the glasses medium indicating that the most likely glasses developed in this work could generate lasing at 1064 nm wavelength region.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiD
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Pembimbing : Prof. Dr.-Ing. Mitra Djamal, Editor: Ratnasari

File PDF...