Nadir toprak iyonları ile katkılandırılmış çinko oksit tellürit (TeO2-ZnO) camlarda beyaz ışık üretimi ve karakterizasyonu
Characterization and generation of white light in rare earth ions doped zinc oxide telluride (TeO2-ZnO) glasses
Yazar: AYFER KAYA
Danışman: PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: EDFA = EDFA ; Infrared spektroskopi =   ; Kızılötesi ışık = Infrared light ; Multifoton süreçleri = Multiphoton processe ; İterbiyum = Ytterbium

Özet:
Son yıllarda renkli görüntüleme cihazları için, katıhal aydınlatma elemanlarında yeni bir teknik olarak çokrenkli görüntüleme tekniği geliştirilmektedir. Literatürde beyaz ışık, çokrenkli görüntüleme cihazları için, arka plan rengi olarak tanımlanmaktadır. Beyaz ışık eldesi için optik, fotonik ve elektronikteki potansiyel uygulama alanlarında, özellikle son on yılda çok sayıda deneysel teknik kullanılmıştır. Üst enerji dönüşüm mekanizması, beyaz ışık lazerlerin yapımına imkan tanımakla birlikte, üç boyutlu görüntüleme cihazlarında arka plan aydınlatması için kullanılmaktadır. Beyaz ışık kaynağı olarak ve biyomedikal uygulamaları da dahil olmak üzere, birçok görüntüleme ve görselleştirme cihazlarının geliştirilmesinde bu üst enerji dönüşüm mekanizması kullanılmaktadır. Bunların yanında beyaz ışık konusu, beyaz ışık yayan lazer ve LED'lerin geliştirilmesinde büyük önem taşımaktadır. 
Bu çerçevede, bu çalışmada literatüre katkıda bulunmak hedeflenmiş olup, oksitlerin eritilmesi yöntemiyle sentezi gerçekleştirilen optik malzemelerin soğurma özellikleri, luminesans özellikleri ve ışımalı yaşam süreleri, nadir toprak iyonları (REI) arasında oluşabilecek etkileşmelere bağlı olarak araştırılmıştır.  
Çalışmada ana malzemeyi TeO2-ZnO (çinko oksit tellürit), katkı malzemesini nadir toprak iyonlarından  erbiyum, tulyum, iterbiyum (Er3+, Tm3+, Yb3+) oluşturmaktadır. Bu matriste üretilen kompozit camlar, öngörülen oranlarda tekli, ikili ve üçlü olarak katkılandırılmıştır. 
Sentezlenen cam numuneler, deneysel ölçümler için gerekli zımparalama ve parlatma işlemleri ile pürüzsüzleştirildikten sonra, fiziksel özellikleri belirlenip, soğurma ve lüminesans spektrum ölçümlerini elde etme aşamasına geçilmiştir. 
Optik malzeme olarak sentezlenen cam numunelerin, luminesans şiddetlerinin oranına ve ışıma yapan seviyelerin yaşam sürelerinin ölçülmesine dayalı iki optik yöntem kullanılarak optik özellikleri araştırılmıştır. 
Soğurma spektrumları kaydedildikten sonra, TZ (TeO2-ZnO) camlar için band gap hesapları yapılmış ve literatürle uyumlu sonuçlar elde edildiği görülmüştür.  
Üst enerji dönüşüm mekanizması, nadir toprak iyonları arasında oluşabilecek etkileşmelere bağlıdır ve Judd-Ofelt (J-O) teorisi ile bu etkileşmeler hesaplanabilmektedir. Dolayısıyla, kompozit camların Judd-Ofelt analizleri yapılmış ve ilgili şiddet parametreleri elde edilmiştir.  
Sonrasında lüminesans ve üst dönüşüm lüminesans emisyonlarının spektrumları elde edilmek üzere, camlar 805.2 ve 980 nm lazer ışığı ile uyarılarak, üst enerji dönüşüm mekanizmasına dayalı olarak beyaz ışık üretimi için kullanılabilirliği ve beyaz ışık üretimini etkileyen optik parametreler: CIE 1931 x-y koordinatları, renkle ilişkili sıcaklık (color correlated temperature-CCT) değerleri ve renk sunuş endeksi (color rendering index-CRI) değerleri araştırılmıştır. 
Lantanit iyonları (Ln3+) ile katkılanmış kompozit cam numunelerin, morötesi ve yakın kızılötesi ve kızılötesi aralıklarında uyarılması ile, üst dönüşüm mekanizması sayesinde elde edilen spektral veriler kullanılarak camların kırmızı, yeşil, mavi (RGB) renklerin tüm frekanslarında yaydığı ışık ölçülmüş ve luminans verimi hesaplanmak üzere data elde edilmiştir. 
Numunelerin herbiri için, temel fiziksel özelliklerinden: kalınlık (l), moleküler ağırlık (mw), yoğunluk (d), iyon konsantrasyonu (N0) belirlenip, tablo halinde çalışma yayınlanmıştır. Sonuç olarak, morötesi ve görünür bölge aralığında (3002000 nm) alınan soğurma spektrumlarından elde edilen deneysel sonuçlar: soğurma spektrumları ve elektronik geçişler, ölçülen çizgi şiddeti (fmeas), hesaplanmış çizgi şiddeti (fcalc), J-O şiddet parametreleri (Ω2, Ω4, ve Ω6),  spektroskopik kalite faktörleri (Ω4/Ω6), kendiliğinden geçiş olasılıkları (Aed), dallanma oranları (β), ışımalı yaşam süreleri (τR), grafikler, tablolar ve değerler halinde çalışmada bulgular bölümünde ve sonuçlar bölümünde  yayınlanmıştır.
Camlardan, 805.2 ve 980 nm lazer ile uyarılma sonucu elde edilen lüminesans spektrumları ve elektronik geçiş seviyeleri çalışmada bulgular bölümünde, grafikler halinde yer almıştır.  
Ayrıca UC mekanizması ile 805.2 ve 980 nm lazer ile uyarılma sonucu elde edilen lüminesans spektrum verileri yanında, numunelerin 980 nm laserle uyarılma ile UC mekanizması çalıştırılarak, çıkış akımı değiştirilerek değişen güce bağlı lüminesans spektrumları ve piklerin güce bağlı değişim grafiklerinden okunan eğimler ile, foton sayıları (n) elde edilmiş ve lantanit iyonları arasındaki enerji transferini (ET) gösteren şemaların çizilebilmesi için gerekli data elde edilmiştir. ET şemaları çizilerek yayınlanmıştır. 
Çalışmada son olarak, nadir toprak iyonları ile katkılandırılmış cam numunelerinin, 805.2 nm ve 980 nm laser ışığı etkisinde UC mekanizması sayesinde ölçülmüş olan CCT, CRI, CIE x-y değerleri tablolar halinde sonuçlar bölümünde sunulmuştur. Sonuç olarak, elde edilen bu değerler, renk koordinatları (x,y), CIE 1931 x-y uluslararası renk standart diyagramında (CIE 1931 x-y Chromaticity diagram) tanımlı olan beyaz nokta (white point/ white region) verileri ile karşılaştırılarak yorumlanmıştır. 
Bu çalışmada, üretilen kompozit-cam numuneleri üzerinde yapılan araştırmayla, beyaz ışık kullanımını içeren fotonik cihazların tasarım ve yapımının gerçekleştirilmesine doğrudan katkı sağlamak amaçlanmıştır.

Abstract:
Today, multicolor visualization and optical devices and their progression convey a great importance, owing to the mass usage of vision display devices and the widespread indoor utilization of three dimensional (3D) displays. Apart from personal utilization, techniques and devices of visualisation and vision display appear to be practical also in the field of bio-medical applications. A large scale of devices used for visualization, aim to broadcast quality that the vision will flow in the original data quality without creating any obstacles in the eye at visible light spectrum (VIS), which can be perceived by human eye. Transfering total visible spectrum comprising the medium tones of color and liveliness, together with technical backgound to procure the least pause in the flow of vision, there appears the need for the white light (WL). Numerous investigations are carried out to meet the deficiency. Recent studies are conducted also by upconversion (UC) method, with mixing tellurite glasses, fluorid glasses, ceramics and rare earth (RE) elements.  It is accentuated in the literature that amongst advantages of the techniques of white light UC there can be pronounced a much more sensitive attaining of the perceived and transmitted color, its high resolution, stability, visualisation interval, volume of tehnique treated in devices, duration of cheaper production. The objective of our study is to contribute to the meeting of the required progress and industrial requirements. Emission characteristics of RE ions (REI's) for display technology and other solid state illuminations are wavelength, spectral line width, and line intensity respectively. Spectral width of emission for REI's originate by the gliding of free ion levels due to the presence of the effectiveness by braid phonons. Whereas there is some weak effectiveness between the REI's and the braid, gliding of these levels are insignificant, which realizes a favourable benefit in display applicatons. Line strength depends upon the nature of special transitions and hosting materials, due to rare-earth ions. The probability for a given emission is the function of the strength of local electric dipole depending upon the index of refraction on REI's and line strength. Whereas the radiative lifetime or quantum efficiency is a function of emission probability, materials with higher refractive index  present higher quantum efficiency. Colors and wavelengths of lights that can be seen with bare eyes in visible spectrum can be measured at room temperature as blue (476 nm), green (530 and 545 nm), and red (656 nm). There are filtering methods to obtain all visible colors in visualisation devices (display units). The basic values defined for color by the photometer are known as tristimulus values namely HUE, saturation, brightness (luminence) (HSB/ HSL). Their reciprocals in physical optics are dominant wavelength (HUE), intensity of light (intensity/ saturation) and value of illuminance (luminance/ brightness). CIE 1931 RGB which is known as the international color standard accepts the values of  tristimulus values as basis, which is the standard color characterization. The study of Tm3+, Er3+, and Yb3+ doped zinc tellurite glasses (TeO2-ZnO) aims the emission at the frequencies of red, green and blue under laser excitation 805 nm and 980 nm via UC mechanism and the relative productivity of luminescence output. Transformation mechanism of up-conversion depends upon the effectivity between rare earth ions.  For the white light upconversion, due to the applicatons in optics, photonics and electronics, as can be noticed by the examinaton of literature, numerous experimental techniques have been used in the recent years. For solid color visualisation devices, the multicolor display technique is under progression as a new technique. Altough up-conversion process allows the making of white light laser, the background illumination in three dimensional displaying devices are utilized in white light source and for developing systems that can be used in displaying/ visualisation devices. They also have great importance in the development of white light laser and LED. There are additional numerous areas of applicaton. Further, the study comprises upper energy transformation processes in tellurium zinc oxide glass materials mixed with rare earth elements and the examination of optic parameters effecting the production of WL. Lifetime of the optical materials whose synthesis have been materialized by meltquenching method have been examined, with regards to REI's concentration. Optical specifications of zinc oxide-tellur dioxide host materials doped with Er3+ , Tm3+ , and Yb3+ have been examined by using two optical methods regarding to the ratio of luminescence intensity and measurement of lifetime of the transition levels. The procured color coordinates (x-y-z) will be compared with the white point datum identified in international color standard diagram (CIE x-y 1931 chromaticity diagram). The present study has been conducted at the Laser Material Research Laboratory in ITU (Istanbul Technical University) Physics Department. Subject of the research comprises whether TeO2 -ZnO composite materials doped with Er3+, Tm3+, and Yb3+ ions by excitation at NIR-IR-VIS intervals via up-conversion mechanism can be utilized at the UC of white lights, using luminescence intensity, line position and lifetime techniques. The synthesis of TeO2 -ZnO composite glass materials doped and co-doped with Er3+/ Tm3+/ Yb3+ at various combinations have been compared with white light region (white point/white region) in color coordinates chromaticity diagram, prepared according to CIE 1931 x-y standards, using laser spectroscopy techniques utilizing luminescence, dominant wavelength and light intensity specifications of the materials. Luminescence spectroscopy is used in the measurement of lifetime of electronic transitions and width of luminescence transition lines that optically occur in solids doped with active ions and their positions,. 
The effect of the annealing heat on position of luminescence transition lines, width of band duration of life, and intensity of illumination be examined. 
The study will definitely help to the research and progression activities in the field of three dimensional visualisaton, which are known to be the latest techniques of WL  up-conversion solid color display devices considerably required in industrial applications of photonic and optical devices. 
In accordance with the aim of our study, it has been examined whether zinc oxidetellur dioxide composite glasses can be used for the production of white light base on upper energy transition mechanism, by excitation of 805.2 and 980 nm laser light, following the mixture with Er3+, Tm3+, Yb3+ ions at the suggested proportions. Thus it has been aimed to directly contribute to the realizaton of the project and production of photonic devices comprising WL usage. 
Moreover, in addition to the luminescence spectrum data obtained by the stimulation of 805.2 and 980 nm laser with UC mechanism, by stimulating the patterns with 980 nm laser and diversing the source of the current via operating the UC mechanism, quantity of the photons (n) has been procured by curve analysis of luminescence spectrum graphics of cast iron due to varying power. 
Thus, the required data has been procured for sketching the scheme displaying the energy transfer amongst lanthanide ions. The same has been published.  
The study finally displays by tables at the conclusion chapter the CCT, CRI, CIE x-y values of rare earth ion doped glass patterns that are measured by UC mechanism under 805.2 nm and 980 nm laser beam. As a result, these values have been interpreted by comparing the color coordinates (x-y) and white point/white region data quoted in CIE 1931 x-y International Choromaticity diagram.