Coherent and incoherent light generation with rare earth doped crystals

In this thesis fluorides and oxides Pr-doped are characterized as new Solid State sources in the visible range. Since the trivalent Praseodymium ion (Pr) has several transitions in the visible spectral range, it is suitable for both incoherent white light emission and for visible laser emission. Suitable laser diodes based on GaN, emitting in the blue spectral region, have been commercially available since 2003. Compared to the mixing of three colours obtained from three different ions (Er,Tm, Ho usually) the Pr emission efficiency is potentially higher because it is minimized the interaction between energy levels of different ions which can cause quenching of the emission. Moreover the efficiency is not limited by the up-conversion process. Besides, the inorganic bulk fluorides investigated have very low phonon energy (a few hundreds of cm−1 ), and they usually show lower non-radiative decay rates owing to the quenching of radiation. Fluorides are relatively hard, not hygroscopic and not prone to ageing problems therefore they posses a virtually unlimited lifetime and better power scalability than LEDs and OLEDs. This work also investigates other promising rare earth as visible emitters, such as Dysprosium in oxide (YPO4 ) and Europium and Samarium in fluorides (BaY2F8), all this materials has interesting emission in the visible light and could be excited using some inexpensive GaN laser diode, with an emission of ∼ 405 nm. The last part of the thesis regards the coherent light generation in the 1.9 micron regions, that is part of the so called “eye safe” wavelength region. Laser systems that operate in this region offer exceptional advantages for free space applications compared to conventional systems that operate at shorter wavelengths. This gives them a great market potential for the use in LIDAR and gas sensing systems and for direct optical communication applications. The favourable absorption in water makes such lasers also very useful for medical applications

Materiali fotoluminescenti nel visibile ad alta efficienza intrinseca

Negli ultimi anni il risparmio energetico è divenuto un tema molto dibattuto e molto sentito. Per questo motivo molti sforzi sono stati prodotti nella realizzazione di sorgenti per l'illuminazione con efficienze sempre maggiori. Tale esigenza è dovuta al fatto che nel mondo industrializzato, la maggior parte dei luoghi pubblici, ambienti lavorativi ed abitativi necessitano di illuminazione artificiale anche durante le ore diurne, e non solo in quelle notturne. La riduzione anche in parte di un consumo così massiccio di risorse energetiche, porterebbe ad un beneficio sia in termini economici (minor consumo di corrente elettrica), sia in termini ecologici (minor emissione da parte delle centrali elettriche). In questo lavoro di tesi si vuole presentare lo studio e la caratterizzazione di materiali per la produzione di sorgenti di luce bianca a stato solido per il risparmio energetico. Tali materiali sono cristalli fluorurici (BaY2F8, KYF4, KF3Y10 e LiLuF4) drogati con Praseodimio (Pr) trivalente. L'idea di base per l'uso di tali materiali, come sorgenti luminose, sta nell'illuminarli con una sorgente laser monocromatica, e sfruttare la fotoluminescenza di quest'ultimi, insieme alla radiazione laser, come sorgente luminosa. Tale approccio si colloca tra le nuove proposte per la realizzazione di sorgenti di luce bianca a stato solido. Si ha un grande interesse verso questo tipo di soluzioni, in quanto caratterizzate da una maggiore efficienza e da una vita media molto superiore rispetto alle lampade fin ora utilizzate (ad incandescenza, alogene, fluorescenti ai vapori di mercurio, . . . ). La caratterizzazione di tali materiali verte quindi nel valutarne l'assorbimento, questo per poter determinare quale sia la sorgente di pompaggio più ideonea da usare. Le misure successivamente affrontate sono quelle di fluorescenza di tali campioni, usando come sorgente di pompaggio un laser ad Argon ad un lunghezza d'onda di 457,9 nm. Attraverso queste misure si valuta quale siano le coordinate cromatiche CIE (Commission International d'Eclairage) del 1931 di questi campioni. Tale misura diviene di fondamentale importanza per valutare che tipo di luce possano emettere questo tipo di campioni, ed in particolare per valutare se la luce emessa sia adatta allo scopo dell'illuminazione. Il miglior risultato ottenuto per le coordinate cromatiche è il valore di (0.35;0.32), molto vicino al punto acromatico situato in (0.33;0.33). Trattandosi di un lavoro improntato al risparmio energetico non poteva mancare una misura sull'efficienza della sorgente luminosa. Vista la scarsa efficienza della sorgente primaria di pompaggio (il laser ad Argon) e il basso assorbimento ottico dei campioni alla = 457.9 nm si è valutata solo l'efficienza intrinseca dei vari campioni. Tale misura viene fatta attraverso l'uso di una sfera integratrice, questo per valutare la potenza dell'emissione integrata su tutto l'angolo solido. I risultati ottenuti sono di fatto incoraggianti, le efficienze intrinseche stimate sono superiori al 50%. Nel proseguo di questo progetto di ricerca, di cui fa parte questo lavoro di tesi, la valutazione delle efficienze continuerà usando una sorgente di pompaggio ottico sia più efficiente sia con una lunghezza d'onda di emissione più adatta al pompaggio dei campioni in questione

Structural effects on the emission properties of Pr(3+)-doped Ba(2)NaNb(5)O(15) crystals

Single crystals of Ba(2)NaNb(5)O(15) doped with Pr(3+) have been grown from sodium tetraborate flux. Their emission properties have been measured as a function of the doping level under different excitation and temperature conditions. The experimental observations have been accounted for by considering the effects of the crystal structure, of the doping mechanisms and of the interactions between host lattice and doping ions. The proposed conclusions have been verified by means of single crystal x-ray diffraction measurements and the resulting site occupancies of the active ions have been discussed in the light of the synthesis procedure

Passively Q-switched Tm:YLF laser

Stable passive Q-switching of a Tm: LiYF4 laser is obtained using polycrystalline Cr2+: ZnS as a saturable absorber. The achieved maximum pulse energy of 0.9 mJ and peak power of 65 kW for a pulse duration of ∼14 ns represent substantial improvement and highest values for a passively Q-switched diode-pumped Tm laser operating at ∼1.9 μm

Aberration-corrected cryoimmersion light microscopy

Cryogenic fluorescent light microscopy of flash-frozen cells stands out by artifact-free fixation and very little photobleaching of the fluorophores used. To attain the highest level of resolution, aberration-free immersion objectives with accurately matched immersion media are required, but both do not exist for imaging below the glass-transition temperature of water. Here, we resolve this challenge by combining a cryoimmersion medium, HFE-7200, which matches the refractive index of room-temperature water, with a technological concept in which the body of the objective and the front lens are not in thermal equilibrium. We implemented this concept by replacing the metallic front-lens mount of a standard bioimaging water immersion objective with an insulating ceramic mount heated around its perimeter. In this way, the objective metal housing can be maintained at room temperature, while creating a thermally shielded cold microenvironment around the sample and front lens. To demonstrate the range of potential applications, we show that our method can provide superior contrast in Escherichia coli and yeast cells expressing fluorescent proteins and resolve submicrometer structures in multicolor immunolabeled human bone osteosarcoma epithelial (U2OS) cells at −140°C