Studio e fabbricazione di un laser in fibra ottica operante nel campo visibile basato su vetri fosfati = Study and fabbrication of a fiber laser operating in the visible field based on phosphate glasses

Negli ultimi anni è cresciuto notevolmente l’interesse da parte della comunità scientifica verso i laser a stato solido, in particolare i laser in fibra ottica, con emissione nel visibile, alle frequenze del giallo/arancione, utili per applicazioni biomediche. Particolare interesse è stato rivolto verso i vetri fosfati drogati con ioni di terre rare come possibili candidati per la produzione di un laser in fibra ottica. I vetri fosfati sono utilizzati perché mostrano un’elevata solubilità verso gli ioni di terre rare, aumentando così la concentrazione di ioni attivi per cui avviene il quenching della fluorescenza. Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di sviluppare un vetro fosfato attivo drogato con ioni Praseodimio che, eccitato con un diodo laser a 450 nm, emetta nel visibile e che possa essere utilizzato in futuro come vetro costituente il nucleo di un laser in fibra ottica. Il lavoro inizia con una discussione teorica riguardante i vetri fosfati, le fibre ottiche ed infine i laser, per poi concentrarsi sulle proprietà spettroscopiche delle terre rare. Successivamente si discuterà la parte sperimentale, suddivisa in: sintesi di quattro vetri fosfati con diverse concentrazioni di ioni Praseodimio (Pr1, Pr2, Pr3 e Pr4), caratterizzazione termo-meccanica (misura di densità, dilatometria e DTA) e caratterizzazione ottica (misura dell’indice di rifrazione, spettroscopia di assorbimento, spettroscopia di emissione risolta in frequenza e nel tempo). Lo studio delle proprietà termo-meccaniche del vetro è stato condotto al fine di valutarne la filabilità in vista della fabbricazione della fibra ottica. La misura dell’indice di rifrazione è utile per valutare la propagazione della luce nella fibra ottica. La caratterizzazione spettroscopica intende indagare quale sia la sorgente luminosa migliore per eccitare il vetro drogato con ioni Praseodimio. Intende inoltre valutare lo spettro di emissione così come la concentrazione di quenching ed i tempi di vita dello stato eccitato. É stato possibile sintetizzare vetri fosfati omogenei, questi vetri mostrano caratteristiche termo-meccaniche che li rendono filabili (Tx - Tg = 170 °C), inoltre è stato determinato un CTE pari a 14.47*10^(-6) K^(-1). L’indice di rifrazione a 633 nm è risultato essere pari a 1.533, sono state anche valutate le curve di dispersione per tutti e quattro i campioni. Dall’analisi spettroscopica di assorbimento UV-VIS-NIR è stato evidenziato un picco di assorbimento a 444 nm, un laser a diodo InGaN è quindi adatto per eccitare gli ioni Praseodimio. Il Praseodimio mostra un’emissione significativa attorno a 600 nm. Il tempo di vita dello stato eccitato corrispondente all’emissione a 600 nm diminuisce con l’aumentare della concentrazione di ioni Praseodimio, si è trovata una concentrazione di quenching pari a 5.4 *10^19 ioni/cm3. Uno dei quattro campioni studiati (Pr2, concentrazione di ioni Pr3+ pari a 2.6*10^19 ioni/cm^3, tempo di vita dello stato eccitato 1D2 pari a 170 ± 5 µs) potrebbe essere un valido candidato come vetro costituente il nucleo di un laser in fibra ottica.