Population inversion between the sup(3)Hsub(4) and the sup(3)Fsub(4) excited states of Tmsup(3+) investigated by means of numerical solutions of the rate equations system in Tmsup(3+)-doped and Tmsup(3+), Hosup(3+)-codoped fluoride glasses

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Investigations on selected chalcogenide glasses towards the realization of photonic devices

Among various optical sensing schemes, infrared spectroscopy is a powerful tool for detecting and determining the composition of complex organic samples since vibrational finger prints of all biomolecules and organic species are located in this window. This spectroscopic technique is simple, reliable, fast, non-destructive, cost-effective while having low sensitivity. Use of metallic nanoparticles in association with a good IR transparent sensing substrate, is one of the promising solutions to enhance the sensitivity. Chalcogenide glasses are promising substrate material because of their extended optical transmission window starting from the visible to the far infrared range up to 20 μm, high refractive index usually between 2 and 3 and high optical nonlinearity, which make them good candidates as IR sensors and optical ultrafast nonlinear devices. These glasses are favorable sensor materials for the infrared spectral range because of their high IR transparency to allow for low optical loss at wavelengths corresponding to the characteristic optical absorption bands of organic molecules, high refractive index for tight confinement of optical energy within the resonator structure, processibility into thin film form, chemical compatibility for adhesion of silver nano particles and thin films and resistance to the chemical environment to be sensed. Molecules adsorbed to silver island structures shows enhanced IR absorption spectra and the extent of enhancement is determined by many factors such as the size, density and morphology of silver structures, optical and dielectric properties of the substrate material etc.

Synthesis and characterization of Tellurium oxide glasses for photonic applications

Tellurite glasses are photonic materials of special interest to the branch of optoelectronic and communication, due to its important optical properties such as high refractive index, broad IR transmittance, low phonon energy etc. Tellurite glasses are solutions to the search of potential candidates for nonlinear optical devices. Low phonon energy makes it an efficient host for dopant ions like rare earths, allowing a better environment for radiative transitions. The dopant ions maintain majority of their individual properties in the glass matrix. Tellurites are less toxic than chalcogenides, more chemically and thermally stable which makes them a highly suitable fiber material for nonlinear applications in the midinfrared and they are of increased research interest in applications like laser, amplifier, sensor etc. Low melting point and glass transition temperature helps tellurite glass preparation easier than other glass families.In order to probe into the versatility of tellurite glasses in optoelectronic industry; we have synthesized and undertaken various optical studies on tellurite glasses. We have proved that the highly nonlinear tellurite glasses are suitable candidates in optical limiting, with comparatively lower optical limiting threshold. Tuning the optical properties of glasses is an important factor in the optoelectronic research. We have found that thermal poling is an efficient mechanism in tuning the optical properties of these materials. Another important nonlinear phenomenon found in zinc tellurite glasses is their ability to switch from reverse saturable absorption to saturable absorption in the presence of lanthanide ions. The proposed thesis to be submitted will have seven chapters.

The role of glass modifiers in the solubility of Tm3+ ions in As2S3 glasses

Au cours des années une variété des compositions de verre chalcogénure a été étudiée en tant qu’une matrice hôte pour les ions Terres Rares (TR). Pourtant, l’obtention d’une matrice de verre avec une haute solubilité des ions TR et la fabrication d’une fibre chalcogénure dopée au TR avec une bonne qualité optique reste toujours un grand défi. La présente thèse de doctorat se concentre sur l’étude de nouveaux systèmes vitreux comme des matrices hôtes pour le dopage des ions TR, ce qui a permis d’obtenir des fibres optiques dopées au TR qui sont transparents dans l’IR proche et moyenne. Les systèmes vitreux étudiés ont été basés sur le verre de sulfure d’arsenic (As2S3) co-dopé aux ions de Tm3+ et aux différents modificateurs du verre. Premièrement, l’addition de Gallium (Ga), comme un co-dopant, a été examinée et son influence sur les propriétés d’émission des ions de Tm a été explorée. Avec l’incorporation de Ga, la matrice d’As2S3 dopée au Tm a montré trois bandes d’émission à 1.2 μm (1H5→3H6), 1.4 μm (3H4→3F4) et 1.8 μm (3F4→3H6), sous l’excitation des longueurs d’onde de 698 nm et 800 nm. Les concentrations de Tm et de Ga ont été optimisées afin d’obtenir le meilleur rendement possible de photoluminescence. À partir de la composition optimale, la fibre Ga-As-S dopée au Tm3+ a été étirée et ses propriétés de luminescence ont été étudiées. Un mécanisme de formation structurale a été proposé pour ce système vitreux par la caractérisation structurale des verres Ga-As-S dopés au Tm3+, en utilisant la spectroscopie Raman et l’analyse de spectrométrie d’absorption des rayons X (EXAFS) à seuil K d’As, seuil K de Ga et seuil L3 de Tm et il a été corrélé avec les caractéristiques de luminescence de Tm. Dans la deuxième partie, la modification des verres As2S3 dopés au Tm3+, avec l’incorporation d’halogénures (Iode (I2)), a été étudiée en tant qu’une méthode pour l’adaptation des paramètres du procédé de purification afin d’obtenir une matrice de verre de haute pureté par distillation chimique. Les trois bandes d’émission susmentionnées ont été aussi bien observées pour ce système sous l’excitation à 800 nm. Les propriétés optiques, thermiques et structurelles de ces systèmes vitreux ont été caractérisées expérimentalement en fonction de la concentration d’I2 et de Tm dans le verre, où l’attention a été concentrée sur deux aspects principaux: l’influence de la concentration d’I2 sur l’intensité d’émission de Tm et les mécanismes responsables pour l’augmentation de la solubilité des ions de Tm dans la matrice d’As2S3 avec l’addition I2.

Comparison of adhesion layers of gold on silicate glasses for SERS detection

Gold is one of the most widely used metals for building up plasmonic devices. Although slightly less efficient than silver for producing sharp resonance, its chemical properties make it one of the best choices for designing sensors. Sticking gold on a silicate glass substrate requires an adhesion layer, whose effect has to be taken into account. Traditionally, metals (Cr or Ti) or dielectric materials (TiO2 or Cr2O3 ) are deposited between the glass and the nanoparticle. Recently, indium tin oxide and (3-mercaptopropyl)trimethoxysilane (MPTMS) were used as a new adhesion layer. The aim of this work is to compare these six adhesion layers for surface- enhanced Raman scattering sensors by numerical modeling. The near-field and the far-field optical responses of gold nanocylinders on the different adhesion layers are then calculated. It is shown that MPTMS leads to the highest field enhancement, slightly larger than other dielectric materials. We attributed this effect to the lower refractive index of MPTMS compared with the others.