ASAXS - Helmholtz-Zentrum Berlin

3.2 Eigenschaften von Lanthanoid dotierten Glaskeramiken
genügt.
Eine weitere häufig beobachtete Radienverteilung ist die logarithmische Normalverteilung.
Bergmann et al. führen das Auftreten einer logarithmischen Normalverteilung auf das Nichteintreten
der Ostwaldreifung zurück, d. h., die zweite Wachstumsphase findet nicht statt
[76, 77]. Die logarithmische Normalverteilung ist durch folgende Formel definiert
P (R) =
�
Der Erwartungswert der Verteilung ist 〈R〉 = exp
durch δ 〈R〉 = � exp (2µ + σ 2 ) (exp(σ 2 ) − 1).
�
1 (ln(R) − µ)2
√ exp −
2πσR 2σ2 �
. (3.11)
µ + σ2
2
�
. Die Standardabweichung ist geben
3.2 Eigenschaften von Lanthanoid dotierten Glaskeramiken
Dotierte Glaskeramiken mit seltenen Erden zeigen verstärkt nichtlineare optische Eigenschaften,
wenn der Volumenanteil der Nanokristallite hinreichend hoch ist. Häufig werden für die
Dotierung Lanthanoide (Elemente mit Ordnungszahl 57-71) verwendet. Die in der vorliegenden
Arbeit untersuchte Glaskeramik wurde mit Erbium und Ytterbium dotiert. Francois
Auzel veröffentlichte 2004 einen Übersichtsartikel über optische Eigenschaften von Lanthanoiden
[78]. Für potenzielle Anwendungen als optische Verstärker, Faseroptiken bzw. Faserlaser
ist vor allem die nichtlineare optische Eigenschaft der Frequenzerhöhung (frequency upconversion;
FUC) bzw. Frequenzerniedrigung (frequency downconversion; FDC) von Interesse
[55–57]. Die FUC ist ein Prozess bei dem die Fotolumineszenz durch sequenzielle Absorption
mehrerer Photonen induziert wird. Als Fotolumineszenz wird die Emission eines Photons eines
physikalischen Systems bezeichnet, die beim Übergang von einem angeregten elektronischen
Zustand zum Grundzustand erfolgt. Die Anregung des Systems vom Grundzustand in einen
höheren elektronischen Zustand erfolgt bei der Fotolumineszenz durch Photonen.
3.2.1 Mehrphotonisch angeregte Fotolumineszenz für Yb/Er dotierte
Systeme
Abbildung 3.3 zeigt das schematische Termschema der niederen Energieniveaus von Yb 3+
und Er 3+ . Der FUC-Mechanismus für das System Yb 3+ /Er 3+ basiert auf Energieübertrag
vom Yb 3+ -Ion auf das Er 3+ -Ion [79, 80]. Der gesamte Prozess lässt sich wie folgt beschreiben:
Im ersten Schritt absorbiert ein Yb 3+ -Ion im Grundzustand 2 F 7/2 ein Photon mit der
Wellenlänge 980 nm, wodurch ein Elektron in den Zustand 2 F 5/2 angeregt wird. Bei der Rekombination
in den Grundzustand 2 F 7/2 wird die freigesetzte Energie an ein angrenzendes
Er 3+ -Ion im Grundzustand 4 I 15/2 übertragen, wodurch ein Elektron in den Zustand 4 I 11/2 angeregt
wird. Absorbiert das Yb 3+ -Ion erneut ein Photon mit Wellenlänge 980 nm, innerhalb
der Lebensdauer des Zustandes 4 I 11/2 des Er 3+ -Ions, so wird die erneut übertragene Energie
vom Yb 3+ -Ion zum Er 3+ -Ion dieses in den höheren Zustand 4 F 7/2 anregen. Die Rekombination
in den Grundzustand 4 I 15/2 wird in mehreren Stufen und Zerfallsarten erfolgen. Direkt
nach der Anregung des Zustandes 4 F 7/2 finden strahlungsfreie Übergänge in niedere Zustände
statt 2 H 11/2, 4 S 3/2, 4 F 9/2 oder 4 I 9/2. Bei diesen strahlungsfreien Übergängen wird die freigesetzte
Energie in Phononen (Gitterschwingungen im Fall von Kristallen und Schwingungen
des Netzwerks im Fall von Glas) übertragen. Dieser Prozess wird als Multiphononrelaxation
bezeichnet [81, 82]. Die angeregten Zwischenzustände 2 H 11/2, 4 S 3/2, 4 F 9/2 und 4 I 9/2 können
durch Emission eines Photons in den Grundzustand 4 I 15/2 zerfallen. Hierbei emittiert der
Übergang 2 H 11/2 bzw. 4 S 3/2 Photonen mit einer Wellenlänge von 540 nm, der Übergang 4 F 9/2
21