Lubna Shamshad (Ph.D Student) Supervisor Dr.GulRooh Luminescence and White Light Generation Analysis of Dy3+-doped Silico-borate Glasses By Lubna Shamshad (Ph.D Student) Supervisor Dr.GulRooh Department of Physics Abdul Wali Khan University Mardan, Pakistan. t

Contents Introduction Experiment Results Conclusion หัวข้อในการทำเสนอ ประกอบด้วย

Introduction

Glass An amorphous hard, brittle and transparent super cooled liquid of infinite viscosity. Exploit the properties of liquid in solid phase. Good electrical insulator. Resistant to air, water, acid or chemical reagents except HF. Ease of fabrication in different shape and size. No definite crystal structure means glass have high compressive strength. Allow higher concentration of doping. Can absorb, transmit and reflect light. Low cost

Why silico-borate glass ????? Inexpensive. Reasonably hard. Chemically stable. Extremely workable. Wide spread area of application. [1] Zhu, X. and Peyghambarian, N. (2010). High-Power ZBLAN Glass Fiber Lasers: Review and Prospect. Advances in Optoelectronics, 2010 (2010). [2] Sharma, Y. K., Surana, S. S. L and Singh, R.K. (2008). Optical absorption and fluorescence spectra of Pr(III) doped borosilicate glasses and their Judd-Offlet analysis to study lasing characteristics. Indian Journal of pure and applied Physics, 2008 (46), 239-244.

40Li2O-15Gd2O3-5SiO2- (40-x)B2O3: x Dy2O3 Glass Glass Composition Si strong photo-emission[5] Dy3+ , Sm3+ and Eu3+ Gd Dy Increase density and hardness of glass [3] Enhance chemical durability [4] Increase refractive index [4] B Li Accelerates the fusion of glasss -ถ้าพิจารณาองค์ประกอบของ RE พบว่า การใส่ La ลงไปในแก้วจะช่วยเพิ่ม ความหนาแน่น ความแข็ง ...... -ในส่วนของ Ln ไอออนที่เจือเข้าไปดูการเปล่งแสงเราจะเจือ 3 ตัว คือ Dy Sm & Eu ไอออน -สูตรของแก้วแสดงที่กรอบ -โดยความเข้มที่เจือ Dy & Sm… -จะเจือตั้งแต่ 0.05- 6 mol% เนื่องจากเราต้องการหาความเข้มข้นที่ Eu เกิดการเปล่งแสงที่ดีที่สุด Conserve %W ratio 40Li2O-15Gd2O3-5SiO2- (40-x)B2O3: x Dy2O3 Glass x=0.0, 0.05, 0.1, 0.5, 1.0, 2.0 mol% [3] M. Zinkevicha, S. Geupela, F. Aldingera, A. Duryginb, S.K. Saxenab, Mei Yangc, Zi-Kui Liu, Journal of Physics and Chemistry of Solids 67 (2006) 1901–1907. [4] L. Aleksandrov, T.Komatsu, R.Iordanova, Y.Dimitriev, Journal of Physics and Chemistry of Solids 72 (2011) 263–268. [5] Y.Ch. Li, Y.H. Chang, Y.F. Lin,Y.S. Chang, Y.J. Lin, Journal of Alloys and Compounds 439 (2007) 367–375.

Experimental

Melt Quenching Technique LGSiB : Dy3+ glasses Glass preparation Characterization Decay Time IH Model Optical Absorption spectra Excitation spectra Emission spectra Lasing potential J-O theory Melt Quenching Technique CIE 1931 CCT

Prepared by the melt-quenching technique. Synthesis Prepared by the melt-quenching technique. Melted at 1200°C for 3hrs Annealed at 500°C for 3hrs Melted Weight ~ 30 g Annealed

1931 CIE Chromaticity (x, y) 𝑋= 360 830 𝐼 𝜆 𝑥 𝜆 𝑑𝜆 𝑥= 𝑋 (𝑋+𝑌+𝑍) 𝑋= 360 830 𝐼 𝜆 𝑥 𝜆 𝑑𝜆 𝑌= 360 830 𝐼 𝜆 𝑦 𝜆 𝑑𝜆 𝑍= 360 830 𝐼 𝜆 𝑧 𝜆 𝑑𝜆 𝑥= 𝑋 (𝑋+𝑌+𝑍) (x, y) 𝑦= 𝑌 (𝑋+𝑌+𝑍) 𝑧= 𝑍 (𝑋+𝑌+𝑍) สีของแสงตามมาตรฐาน CIE 1931 นำสเปตรัมการเปล่งแสงมาวิเคราะห์โดยอาศัยมาตรฐาน CIE 1931 ได้คู่อันดับ x,y พล็อตลงในแผนภาพ 16

Concept of Judd-Oflet analysis Ligand arrangement → dramatically effect to the emission of Ln3+ (Asymmetric ligands can enhance 4f-4f transition) Spectral study Absorption spectra Emission spectra Relation between Ln3+ & ligand J-O parameter (Ω2) (Asymmetric & Covalency) Radiation Stimulated emission cross section (σ) Branching ratio (βR) Laser = “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” ; ภาคตัดขวางของการเปล่งแสงแบบถูกกระตุ้น r : สัดส่วนการเปล่งแสง  มีค่าสูง แสดงว่าวัสดุดังกล่าวสามารถถูกกระตุ้นให้เกิดการเปล่งแสงเลเซอร์โดยใช้พลังงานต่ำ (low laser threshold) และให้กำเนิดแสงเลเซอร์กลับออกมาได้ในปริมาณมาก (high gain laser application) r ที่มีค่าเกิน 0.5 ทำให้ทราบว่าแก้วให้กำเนิดแสงเลเซอร์ความยาวคลื่น.... ที่มีกำลังสูงออกมา High σ and βR value → High potential for using as laser medium 17

Process and equation of J-O analysis Absorption spectrum fexp Least-square fitting βR Ω2, Ω4, Ω6 & fcal A f : Oscillator strength ค่าความแรงของการสั่นในการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงาน A: radiative transition probability ความน่าจะเป็นในการเปลี่ยนระดับชั้นพลังงานแล้วทำให้เกิดการเปล่งแสง r : branching ratio สัดส่วนการเปล่งแสง ; stimulated emission cross section ภาคตัดขวางของการเปล่งแสงแบบถูกกระตุ้น Emission spectrum σ 18

Results And Discussion

Optical absorption analysis Table 1: Measured and calculated oscillator strengths (f ×10-6) of 1.00 mol% Dy3+ ions doped glass. Level (λ, nm) ( λ, cm-1) fcal fexp 4I15/2 451 22173 - 6F3/2 751 13316 0.3770 0.2197 6F5/2 801 12500 1.1600 1.1671 6F7/2 898 11123 2.3400 2.3814 6F9/2 1086 9200 2.7200 0.0985 6F11/2 1264 7886 3.5800 3.5686 6H11/2 1676 5967 1.1500 1.2356 Fig.1Optical absorption spectra of LGSiBDy glasses at different concentration of Dy2O3

Judd–Ofelt 2 4& 6 viscosity & rigidity Table 2 The Judd-Ofelt parameters (λ× 10-20 cm2) of 1.00 mol% Dy3+ systems Glass Ω2 Ω4 Ω6 Trend Ω4/Ω6 LGSiBDy10 5.06 3.51 3.0723 Ω2˃Ω6˃Ω4 1.14 Lead borate 4.90 0.94 2.07 0.45   Barium fluoroborate 2.90 1.09 0.98 Ω2˃Ω4˃Ω6 1.11 Tellurite glass 1.46 2.32 3.6 0.64 Fluorosilicate glass 8.14 2.04 2.26 0.90 ZBLAN 3.12 0.95 2.30 1.00 2 asymmetry & covalency Fluorosilicate> LGSiBDy10 > Lead borate > ZBLAN > Barium fluoroborate> Tellurite 4& 6 viscosity & rigidity > LGSiBDy10 > Tellurite> Fluorosilicate > ZBLAN > Barium fluoroborate

Photoluminescence (PL) Fig. 2 Excitation spectra of LGSiBDy glasses at different con centration of Dy2O3 at λemi=575 nm

Fig. 4 emission energy level diagram of LGSiB:Dy3+glasses. Emission spectra Fig. 4 emission energy level diagram of LGSiB:Dy3+glasses. Fig. 3 Emission spectra of LGSiBDy glasses at different concentration of Dy2O3

low threshold and high gain laser [9, 12] Judd–Ofelt Table 4 Emission band positions (λp), radiative transition probability (A), stimulated emission cross-sections ((λp), ×10-22) and experiment and calculated branching ratios (R) of 1.00 mol% Dy3+ ions doped glass. Level 6F9/2 λp [nm] A [s-1] (λp) [cm2] R Exp Cal 6H15/2 6H13/2 6H11/2 6H9/2+6F11/2   482 575 662 752 278.02 697 72.78 79.43 5.394 21.927 4.400 5.116 0.4124 0.5834 0.0254 0.0159 0.2726 0.5723 0.0489 0.0190  มีค่าสูง แสดงว่าวัสดุดังกล่าวสามารถถูกกระตุ้นให้เกิดการเปล่งแสงเลเซอร์โดยใช้พลังงานต่ำ (low laser threshold) และให้กำเนิดแสงเลเซอร์กลับออกมาได้ในปริมาณมาก (high gain laser application) r ที่มีค่าเกิน 0.5 ทำให้ทราบว่าแก้วให้กำเนิดแสงเลเซอร์ความยาวคลื่น 575 nm ที่มีกำลังสูงออกมา ดังนั้นสามารถกล่าวได้ว่า แก้ว LiLaB ที่เจือด้วย Dy 1.00 mol% เป็นวัสดุที่มีศักยภาพสูงเหมาะต่อการนำไปใช้เป็นวัสดุตัวกลางเลเซอร์ที่เปล่งแสงความยาวคลื่น 575 nm low threshold and high gain laser [9, 12] R  0.5 High lasing power [11] [7] K. Linganna, Ch. Srinivasa Rao, C.K. Jayasankar, Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 118 (2013) 40–48. [8] K. Linganna, C.K. Jayasankar, Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy 97 (2012) 788–797. [9] N. Vijaya, C.K. Jayasankar, Journal of Molecular Structure 1036 (2012) 42–50./.

Yellow to Blue (Y/B) ratio Sample Concentration (mol%) Y/B LGSiBDy005 0.05 1.31 LGSiBDy01 0.1 1.34 LGSiBDy05 0.5 1.38 LGSiBDy10 1.0 1.41 LGSiBDy20 2.0 1.0 mol% Concentration quenching effect Fig.5 variation in the Yellow to Blue ratio of LGSiBDy glasses at λexc= 388 nm

Color Coordinates (x, y) Color analysis Sample Color Coordinates (x, y) CCT LGSiBDy005 (0.36, 0.40) 4584 LGSiBDy01 4509 LGSiBDy05 4450 LGSiBDy10 4413 LGSiBDy20 4235 SLBiBDy10 (0.44, 0.42) - PbFPDy10 (0.31, 0.34) White light (0.33, 0.33) 5455 Fluorescent, warm white (0.44, 0.40) 2940 Fig.6 CIE 1931chromaticity coordinates of LGSiBDy glasses at λexc =388 nm.

Concentration dependent decay rate Fig. 7 The decay rate for the 4F9/2 level of Dy3+ ion in LGSiBDy glasses. The scattered points represents experimental data and the solid line is the IH model fit for S=6.

CONCLUSION

Conclusion The optical and luminescence analysis and the application of J-O theory reflects that the present glasses are the good candidates for laser action to produce intense yellow emission at 575 nm and could be suitable for fiber laser materials to produce intense yellow fluorescence at 575nm, pumped by the commercial blue-violet GaN or near-UV InGaN LEDs and also to generate white luminescence under 385 nm excitation wavelength. The CIE chromaticity coordinates and yellow-to-blue emission intensity ratios confirms the feasibility of white light generation . The obtained CCT values shows that the studied glasses could be used for the generation of warm white light.

Thanks