Síntesis y caracterización de las propiedades termo-ópticas de vidrios suaves con impurezas de Er³+

Abstract

La fotónica cubre una amplia gama de actividades relacionadas con el estudio de los fenómenos de interacción de la luz con materiales puros o impurificados con átomos o moléculas, que actúan como centros ópticamente activos. En ella se estudian los procesos de emisión de luz, propagación, transmisión, deflexión, amplificación y su detección. La fotónica ha impulsado vertiginosamente la búsqueda de materiales que pueden tener una aplicación en tecnología; detectores de radiación, pantallas fluorescentes de color, filtros ópticos, convertidores de frecuencia óptica, como medios activos para láseres entonables en frecuencia, en dispositivos de opto-electrónica; medios transmisores de información, direccionadores y controladores opto-ópticos de radiación, memorias ópticas etc. En este sentido, los materiales vítreos han llamado la atención en el campo de materiales ópticos debido a factores como: que pueden prepararse en diferentes formas y tamaños, poseen transparencia a la luz en amplio intervalo visible-IR y pueden aceptar concentraciones relativamente altas de iones contaminantes, sin introducir procesos de cristalización. En los últimos años la técnica de síntesis sol-gel ha sido el centro de atención debido a la ventaja que posee sobre las técnicas tradicionales de fabricar materiales de estado sólido, las cuales involucran generalmente procesos a alta temperatura. El proceso sol-gel es una técnica de baja temperatura y vía húmeda a través de reacciones químicas que permite obtener un sólido inorgánico, cerámicos o vítreos, de una alta pureza y homogeneidad y sobre todo bajo costo ofreciendo un alto grado de flexibilidad compositiva en la combinación de contaminantes como de componentes de la matriz. Sus propiedades pueden ser modificadas ya sea variando las condiciones de síntesis, tratamientos térmicos, o incorporando materiales orgánicos e inorgánicos. Se pueden fabricar de formas geométricas diversas, ya sea en monolitos, películas delgadas o polvos. Las bajas temperaturas del proceso permiten la introducción de impurezas orgánicas luminiscentes en el gel, que no se pueden incorporar en matrices sólidas convencionales como cristales y vidrios. La técnica sol-gel es w1 proceso ideal para la fabricación de dispositivos ópticos integrados como guías de onda, amplificadores láser, así como nuevos fósforos eficientes para las fuentes de los dispositivos de exhibiciones del panel plano, de la lámpara fluorescente libre de mercurio, centelladores, convertidores pasivos de los dispositivos o amplificadores ópticos. En este sentido, recientemente se reportó la posibilidad de inducir cambios del índice de refracción en matrices vítreas sol-gel con impurezas de compuestos orgánicos y metálicas al ser expuestas a luz visible coherente. Los cambios observados en el índice de refacción en los vidrios sol-gel con impurezas de diácido de tetrafenilporfirina, H4 TPP/, son de carácter transitorio y permanente. Los autores identifican que el mecanismo precursor el cambio en el índice de refracción transitorio es de origen térmico y está relacionado con el efecto de "Lente Térmica", el cual se debe al calor depositado en el material producto del corrimiento de Stokes, entre la energía absorbida y la re-emitida por el material, es decir, por los decaimientos no radiactivos entre los niveles de energía de los átomos o moléculas involucrados en los procesos de absorción-emisión, observados en estos sistemas. El cambio permanente asociado no es un efecto térmico directo o un resultado de cualquier inestabilidad óptica de las impurezas orgánicas, más bien es asociado a la densificación local termo¬ inducido en la matriz vítrea. Este resultado abre la posibilidad de estudiar sistemas vítreos sol-gel, que puedan tener una mayor eficiencia en los cambios de índice de refracción tanto transitorios como en los permanentes. Es por esta razón que se planteó estudiar las propiedades optotérmicas de matrices vítreas sol-gel con impurezas de erbio. La selección específica de erbio en el desarrollo de esta tesis está basada en que este ión de las Tierras Raras, en principio, absorbe en la región correspondiente a los 488 nm que también es la longitud de onda con la cual es iluminada la muestra, permitiendo de esta manera una interpretación en forma completa de las transferencias de energía presentes en este ión, respecto a la red vítrea que lo contiene. Este escrito se presenta en 6 capítulos, que explican en forma consecutiva la intención del presente trabajo, las motivaciones, las ideas concernientes, los métodos de obtención de datos, resultados, etc. En el primer capítulo se abordan en forma breve la historia del vidrio, los acontecimientos que marcaron su producción y distribución a las formas equiparables a la actualidad, las características necesarias que debe presentar un material para su vitrificación, materiales que pueden ser vitrificables, la estructura molecular de vidrios y cristales y la diferenciación existente en dichos materiales, también se incluye información concerniente a la técnica de sol-gel utilizada para preparar materiales cerámicos inorgánicos a partir de monómeros precursores, como también la reseña histórica del mismo proceso y las reacciones involucradas en la evolución de las redes que forman los vidrios sol-gel. En el Capítulo consecutivo, se mencionan las características de los dos grupos de elementos de tierras raras (Lantánidos y Actínidos) como sus configuraciones electrónicas, energías de ionización y su distribución en la corteza terrestre, además de una detallada revisión de las propiedades ópticas de los Lantánidos Trivalentes, sus correspondientes reglas de selección y diagramas energéticos. En el Capítulo 3 se abordan las generalidades de la interacción de la radiación con la materia, tanto en su parte semiclásica que resulta en cierto modo incompleto para las finalidades de este trabajo como el modelo de Einstein para el proceso de absorción-emisión de radiación en el cual se describen procesos más complejos de la interacción de la radiación con la materia tomando en cuanta detalles como las variables de las cuales depende la intensidad de la línea espectral, tomando en cuenta también la emisión espontánea que debe ser incluida para comprender correctamente y de manera global los procesos de absorción-emisión de un sistema atómico interactuando con un campo electromagnético. Se incluye también en este capítulo la interpretación cualitativa del diagrama configuracional que modela las principales características de los procesos luminiscentes que ocurren en los sistemas cristalinos. En el cuarto capítulo se contemplan los diversos procesos que son involucrados en el efecto de lente térmica. Las características presentes en un haz Gaussiano, el depósito de energía en los materiales donde se hace incidir el haz contaminado con erbio Si02:Er que posteriormente produce una variación de manera muy característica debido a la distribución Gaussiana del haz. También se revisa la 3+ importancia de la distancia focal y de los demás parámetros involucrados en el proceso de lente térmica como el semiancho del haz, la potencia del láser, los coeficientes de absorción y reabsorción relacionados, la conductividad térmica del material, entre otros. En el Capítulo 5 se exponen las técnicas experimentales, se hacen observaciones referentes a las transferencias energéticas y a la deformación de los vidrios con diferentes concentraciones debido a la absorción característica del Erbio como dopante en dichos vidrios preparados mediante el método de sol-gel, se presenta el arreglo experimental en el cual se llevaron a cabo todas las mediciones y que permitió obtener los datos esperados, también se incluyen comparaciones de la energía depositada en las muestras en relación a su concentración. Finalmente el Capítulo 6 abarca lo concerniente a resultados, donde se confirma que hay una transferencia de tipo no radiactiva dentro del vidrio preparado mediante la técnica sol-gel ya que al comparar los espectros de absorción y de emisión del vidrio dopado con Erbio al 5% hay una concordancia de los máximos de absorción y los mínimos de emisión, una propuesta muy razonable sería la transferencia de tipo no radiactiva de los iones activos de erbio, los cuales absorben en 488nm y emiten donde el material vítreo presenta una mayor absorción, en forma adicional se presenta la tabla que contiene los datos que incluyen los valores de los parámetros en interés.