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Solid State Laser Cooling in Ytterbium Doped Oxide Glass

Jyothis Thomas

Ph.D. thesis (2023)

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Abstract

Solid-state optical cooling, which utilizes the anti-Stokes fluorescence phenomenon, has significant implications for diverse applications such as cryocooler systems, sensors, satellite devices, radiation balanced lasers, and more. Its unique features, including minimal mechanical vibrations, absence of mechanical components, and enhanced reliability, make it an attractive option for these applications. As foreseen by the optical cryocoolers industry, almost 70 % of early adopters have shown their interest in low phonon energy single crystals. Nevertheless, the substantial expenses and constrained design possibilities associated with those materials have generated a need for more adaptable alternatives to enhance the scope of applications. In this context, rare earth (RE) doped silica glasses and glass ceramics (GCs) stand out due to their remarkable attributes, including exceptional stability, robust mechanical and chemical resilience, resistance to high temperatures, moldability, and exceptional purity. Despite its potential benefits, solid-state laser cooling faces a significant challenge due to the high phonon energy of silica and the tendency of RE ions to aggregate at high doping concentrations in oxide glasses. This poses a challenge in achieving maximum cooling efficiency and necessitates better material purification and an increase in the RE ion concentration. Therefore, the subject of the thesis is focused on ‘Solid-state laser cooling in ytterbium doped oxide glass’. To counter the aforementioned limitations, the first two publications focused on the creation of a low phonon environment for RE elements within high phonon energy oxide glasses with different host compositions, by using different fluoride nanocrystals. The fluoride nanocrystalline environment offers rare earth ions a low phonon energy environment, superior to that of the oxide vitreous host. Additionally, glass ceramics can be manufactured from glassy materials, making them durable, easily mouldable and inexpensive, thus presenting a viable option for the practical realisation of solid-state laser coolers. The first publication of the thesis shows how the optical properties of GCs, specifically ytterbium (Yb) doped germanate and aluminosilicate oxyfluoride, can be assessed for their suitability in optical refrigeration applications. These materials were synthesized using the conventional melt quenching technique, with RE ion concentrations ranging from 0.5 to 3.0 mol %. The study reveals that the amount of Yb3+ ions significantly impact photoluminescence emission, quantum yield, and consequently, the cooling and heating behaviour of these materials.

Résumé

Le refroidissement par lasers de l’état solide, basé sur le phénomène de fluorescence anti-Stokes, a des implications importantes pour un large éventail d'applications telles pour les cryoréfrigérateurs, les capteurs, les instruments satellitaires, les lasers auto-réguler, etc. Ses caractéristiques uniques, notamment de faibles vibrations mécaniques, l'absence de composants mécaniques et une fiabilité accrue, en font une option attrayante pour ces applications. Comme prédit par l’industrie des cryoréfrigérants, près de 70 % des premiers utilisateurs ont manifesté leur intérêt pour les monocristaux à faible énergie de phonons. Cependant, leur coût élevé et leur géométrie fixe génère une demande pour des matériaux plus malléables pouvant s’adapter l’applications désirée. Les verres de silice et les vitrocéramiques dopés aux terres rares sont très intéressants en raison de leurs excellentes propriétés, telles qu’une grande stabilité, une durabilité mécanique et chimique élevée, une résistance thermique, une facilité de mise en forme et une grande pureté. Cependant, le problème de l’énergie élevée des phonons et de l’agrégation des ions Yb pour un dopage élevé dans les verres d’oxyde, rend difficile la maximisation de l’efficacité du refroidissement, nécessitant une meilleure purification du matériau et une augmentation de la concentration des terres rares, principalement d’ions Yb. C’est pourquoi le sujet de la thèse est axé sur le « refroidissement laser de l’état solide dans un verre d’oxyde dopé à l’ytterbium ». Pour contrer les limitations susmentionnées, les deux premières publications se sont concentrées sur la création artificielle d’un environnement à faibles phonons pour la terre rare dans des verres d’oxyde à haute énergie de phonon avec différentes compositions hôtes, en utilisant différents nanocristaux de fluorure. L’environnement nanocristallin de fluorure offre aux ions de terre rare un environnement à faible énergie de phonon, supérieur à celui de l’hôte étant vitreux. En outre, les vitrocéramiques peuvent être produites directement à partir de matériaux vitreux, ce qui les rend robustes, faciles à mouler et peu coûteuses, présentant ainsi une option viable pour la réalisation pratique du refroidissement par laser de l’état solide. La première publication de la thèse montre comment les propriétés optiques des germanates dopés à l’ytterbium et des vitrocéramiques d’oxyfluorure d’aluminosilicate avec différentes concentrations d’ions de terres rares (0,5 à 3,0 % molaire) synthétisées par la technique conventionnelle de trempe par fusion peuvent être utilisées pour évaluer leur potentiel pour des applications de réfrigération optique.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Raman Kashyap
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/56784/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 24 Apr 2024 08:24
Last Modified: 25 Apr 2024 16:09
Cite in APA 7: Thomas, J. (2023). Solid State Laser Cooling in Ytterbium Doped Oxide Glass [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/56784/

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