초록 ▼

유리재료의 활용 중, 희토류 원소를 첨가한 유리의 up-conversion현상은 여기 광원으로 고출력의 적외선 반도체 laser를 이용할 수 있기 때문에 효율을 높일수 있다면 실용적인 단파장 laser 광원으로 사용이 유력시되고 있다. 본 연구에서는 현재상용화된 반도체 laser중 고출력을 얻을 수 있는 800㎚ 대역을 이용하여 희토류 원소들을phonon energy가 상대적으로 작은 fluoride 유리에 복합 첨가하여 청색대(480㎚)의 가시광선을 얻고자 하였다.fluoride 유리의 제조 기술은 fluoride 화합물

유리재료의 활용 중, 희토류 원소를 첨가한 유리의 up-conversion현상은 여기 광원으로 고출력의 적외선 반도체 laser를 이용할 수 있기 때문에 효율을 높일수 있다면 실용적인 단파장 laser 광원으로 사용이 유력시되고 있다. 본 연구에서는 현재상용화된 반도체 laser중 고출력을 얻을 수 있는 800㎚ 대역을 이용하여 희토류 원소들을phonon energy가 상대적으로 작은 fluoride 유리에 복합 첨가하여 청색대(480㎚)의 가시광선을 얻고자 하였다.fluoride 유리의 제조 기술은 fluoride 화합물들의 특별한 화학적 성질로 인하여 제조가어려워 일반 산화물 유리에 비하여 매우 기초적인 단계에 있다. 따라서 본 연구에서는up-convertor 개발을 위해 fluoride 유리의 제조와 희토류 원소 첨가에 의한 광학적 현상을연구하고, 이에 수반되는 물리 화학적 성질의 규명에 주력하여 고능률의 능동적 광학재료개발에 주도하고자 하였다. 본 연구의 시행으로 예상되는 기술적 효과는 현재 국내의 유리생산 기술은 수동적 기능을 이용하는 단계에 있으나 이를 능동적 기능에 응용함으로써 차세대 첨단 산업 도약의 발판을 마련할 수 있다는 점이다. 부수적으로 여러 가지 능동적광 재료의 개발을 통하여 아직 초보단계에 머무르고 있는 국내의 광산업 연구 및 개발 수준을 향상시킬 수 있다. 본 연구의 학술적 효과는 본 연구의 대상으로 하는 fluoride 유리재료는 전 세계적으로 연구 초기 단계의 새로운 물질이므로 재료 자체에 대한 기초적 연구를 통한 재료의 물성 및 광학적 성질에 대한 이해가 시급한 실정이다. 또한 fluoride 유리재료의 결정화 현상 및 화학적 안정성에 대한 이해, 새로운 광학 유리의 합성 및 물성 연구에 대한 자료 수집 등 부수적 효과도 기대할 수 있다.5가지 희토류 원소들을 복합 첨가한 10가지 종류의 희토류 복합 첨가 fluoride 유리들을 수소(N2) 분위기의 glove-box내에서 제조하여 유리화, 용융성, 유리전이온도, 결정화 온도, 밀도, chemical durability, 경도, 굴절률 등의 기본적인 유리의 물성 들을 분석을 하였으며, 복합 첨가된 희토류에 의한 energy 준위간의 흡수 현상과 800㎚대의 pumping source를이용하여 형광특성을 측정하였다. 10가지 종류의 희토류 복합 첨가 조성들 중,Yb3+/Tm3+이 복합 첨가된 ZBLAN 유리에서 청색대 (480㎚)의 형광을 얻었으며, 종래의 유리에서 980㎚의 여기 광을 이용한 3단계 천이가 아닌 2단계의 천이에 의하여 상향 전이가일어나는 것으로 판명되어 상향 전이 효율의 증가가 예상되며 그에 따른 청색 상향 기구를제안하였다.

Abstract ▼

Up-conversion of rare-earth elements added glasses ispromising area for short wavelength laser source by utilizing high power semiconductorinfra-red laser if the efficiency can be increased by proper method. In this study,relatively low phonon energy flouride glasses were prepared by

Up-conversion of rare-earth elements added glasses ispromising area for short wavelength laser source by utilizing high power semiconductorinfra-red laser if the efficiency can be increased by proper method. In this study,relatively low phonon energy flouride glasses were prepared by co-doping rare-earthelements to get fluorescences at 480㎚ wavelength (blue up-conversion) with commercial800㎚ semiconductor laser.Preparation of fluoride glasses is very difficult because of special properties offluoride chemicals. In this proposed research project, effect was concentrated on thepreparation of fluoride glasses with the optimum rare-earth combinations to realize thehigh efficiency up-convertor. The physical, chemical, and optical properties ofco-doped fluoride glasses were also measured. Since the difficulties of handling andmelting of fluoride glasses, it is its early stage for making fluoride glasses. By doingthis research, basic properties of fluoride glasses such as, glass crystallization, chemicaldurability, new glass forming composition etc., are collected as valuable data to promoteoptic industry.10 combinations of 5 different rare-earth fluoride elements doped samples wereprepared inside the glove-box which filled with nitrogen gas and their glass transitiontemperatures, crystallization temperatures, chemical durabilities, densities, hardness,refractive indices, absorptions, fluorescences, and fluorescence lifetimes were measured.480㎚ wavelengths blue up-conversion was found in the glass sample with Yb3+/Tm3+co-doping with 800㎚ laser source. This up-conversion seems to be done by 2-stepexcitation in stead of 3-step excitation with 980㎚ laser source and this will increase theefficiency of up-conversion.

목차 Contents

• 목 차...8
• 1) 서론...10
• 1. 연구의 배경...10
• 2. 연구목적...13
• 3. 연구범위, 내용 및 방법...14
• (1) 제 1차 년도 연구내용, 범위 및 방법...14
• 가) fluoride 유리의 제조...14
• 나) 유리재료의 물성 분석...14
• 다) 희토류 원소의 선택 및 용융성 조사...14
• (2) 제 2차 년도 연구내용, 범위 및 방법...14
• 가) 광학적 특성분석...14
• 나) 희토류 원소 첨가에 따른 유리 재료의 물성 변화 측정...15
• 다) 청색상향전이 현상에 미치는 역할 및 반응기구 분석...15
• 2) 연구 방법 및 이론...16
• 1. 연구 내용...16
• (1) fluoride 유리의 제조...16
• (2) X-선 회절...16
• (3) 경도...16
• (4) Chemical durability...17
• (5) 굴절률 측정...17
• (6) 열 특성 측정...18
• (7) 밀도 및 희토류 ion의 농도 측정...18
• (8) 흡수 spectrum 측정...18
• (9) 형광 spectrum 및 형광 수명 측정...18
• 3) 결과...20
• 1. 유리상태...20
• 2. 경도 및 chemical durability...20
• 3. 굴절률...20
• 4. 열 특성 측정...21
• 5. 밀도 및 희토류 ion의 농도...22
• 6. 희토류 복합 첨가 조성의 형광 spectra...23
• 7. 흡수 spectrum 측정...25
• 8. 형광 spectrum...29
• 9. 희토류의 최적 첨가 조성...29
• 4) 고찰...32
• 1. 청색 상향 전이 현상의 기구...32
• (1) 복합 첨가의 효과...32
• (2) $Tm^{3+}{\to}Yb^{3+}$ energy 전달...34
• (3) 비복사 천이 현상...35
• 가) Multi-phonon relaxation(MPR)...35
• 나) Excited State Absorption(ESA)...35
• 다) Cross-relaxation (CR)...36
• (4) Ion간 energy 전달(Energy transfer)...36
• 가) 복사 전달 (Radiative transfer)...36
• 나) 비복사 전달(Non-radiative transfer)...36
• 다) Phonon assisted transfer(PAT)...37
• 라) Donor ion 간 상호 작용이 있을 경우의 energy 전달...38
• 마) Judd-Ofelt 분석...39
• 바) Energy 전달 효율...42
• (5) $YB^{3+}{\to}TM^{3+}$ energy 전달...42
• 2. 청색 상향 기구의 분석...43
• 5) 결론...45
• 6) 인용문헌...46