波导制备用铒镱掺杂磷酸盐光学玻璃的熔制和性质表征

发布时间：2017-06-04 03:06

  本文关键词：波导制备用铒镱掺杂磷酸盐光学玻璃的熔制和性质表征，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：在过去的数十年中,光波导作为集成光学器件里最基础而不可或缺的部件,受到了越来越多的关注。以玻璃为基础的光学器件与其他技术相比有很多优势,比如在近红外区域有较低的本征吸收,与光纤之间有较小的耦合损耗,和晶体材料相比没有材料本征双折射等等。磷酸盐玻璃被认为是制作波导的优异基质,主要是因为相较于其他氧化物玻璃它具有较高的稀土溶解度。这可以使得在没有明显降低寿命的前提下增加稀土掺杂浓度,从而获得高信号增益。热离子交换法被广泛地应用于制备低损耗波导,相比于其他制备技术如化学蒸汽沉淀法和光刻写,它具有很多优势,比如高稳定性,可规模化生产,易制备单模波导,在不同的波导宽度下都有较低的双折射。本工作制备了一种Er~(3+)/Yb~(3+)共掺的碱性铝磷酸盐玻璃,并对它进行了一系列的测试。取得了如下成果:1.设计并制备了碱性铝磷酸盐玻璃,由NaPO_3、Mg(PO_3)_2、Al_2O_3、Al(PO_3)_3粉末根据摩尔比67:4:4:25制成,简称NMAP玻璃。在此基础上,掺入了2.0wt%Er_2O_3和4.0wt%Yb_2O_3。通过阿基米德法测得了玻璃样品的密度,通过Metricon 2010棱镜耦合仪测得了玻璃样品的折射率。使用WCR-2D差热分析仪测得了玻璃样品的DTA曲线,表征了玻璃样品的热学性能,并得到了其转变温度。2.对Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP玻璃样品进行了热离子交换,即将玻璃样品放在熔融的KNO_3溶盐中,置于390℃的温度下保温2小时。利用有效扩散系数对热离子交换进行了表征,计算得到的有效扩散系数De为0.110mm2/min,这表明了热离子交换在该玻璃样品中得到了充分地进行。对Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP玻璃样品进行了光学测试。玻璃样品的折射率分布情况由Metricon 2010棱镜耦合仪测得。玻璃样品在632.8 nm下表面的折射率n0和基质的折射率nsub分别为1.5262、1.5182,最大的折射率差值为0.008。并测得了玻璃样品的吸收光谱和发射光谱。3.对Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP玻璃样品进行了Judd-Oflet理论计算。Er~(3+)的J-O强度参数Ω_t(t=2,4,6)分别为为5.47′10~(-20),1.34′10~(-20),0.81′10~(-20)cm~2。误差的均方根为δ_(rms)为2.79′10~(-7),表明这个计算过程是可靠的。这些数据表明在磷酸盐玻璃中,Er~(3+)处于一个强的反演非对称和共价环境。另外,本NMAP玻璃的Ω4/Ω6值为1.65,这个比值较大,表明该玻璃具有很好的光学特性。4.利用J-O参数和Er~(3+)的约化矩阵元的平方,计算了NMAP玻璃中Er~(3+)的自发跃迁参数,主要包括自发辐射跃迁几率A,荧光分支比β,发射寿命τ_(rad)。对Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP样品的信号增益进行了计算。增益谱G(λ,p)可由如下式子计算得出,G(λ,p)=10log_(10)exp{N[pδ_e(λ)-(1-p)δ_a(λ)]L}。在1.53μm激发下,当~4I_(13/2)能级Er~(3+)所占比例分别为0.8和1.0时,去除损耗后的理想净增益分别为2.97 dB/cm和4.77dB/cm。
【关键词】：铒镱共掺 磷酸盐玻璃 钾钠离子交换 光波导
【学位授予单位】：大连工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN252
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-11
• 1.1 国内外研究现状9
• 1.2 主要工作简介9-11
• 第二章 Er~(3+)/Yb~(3+)共掺磷酸盐玻璃的理论基础11-31
• 2.1 稀土元素概述11-19
• 2.1.1 稀土发光材料的研究热点12-13
• 2.1.2 稀土离子的电子组态13-15
• 2.1.3 稀土离子的能级15-16
• 2.1.4 稀土元素的能量传递16-17
• 2.1.5 稀土元素的发光规律17-18
• 2.1.6 稀土离子的吸收、激发和发射光谱18-19
• 2.2 磷酸盐玻璃概述19
• 2.3 离子交换法19-20
• 2.3.1 离子交换原理19-20
• 2.3.2 K~+-Na~+交换的优点20
• 2.3.3 K~+-Na~+交换的缺点20
• 2.4 J-O理论与光谱参数的计算20-22
• 2.5 Metrion 2010 棱镜耦合仪22-26
• 2.5.1 工作原理22-23
• 2.5.2 设备安装23-25
• 2.5.3 操作步骤25-26
• 2.6 原子力显微镜26-31
• 2.6.1 原子力显微镜的原理27-29
• 2.6.2 原子力显微镜的工作模式29-30
• 2.6.3 原子力显微镜的优势与不足30-31
• 第三章 Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP玻璃的制备和测试31-34
• 3.1 Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP玻璃的制备31-32
• 3.2 Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP玻璃的密度与折射率测试32
• 3.3 Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP玻璃的差热测试与光谱测试32-34
• 第四章 Er~(3+)/Yb~(3+)共掺NMAP玻璃的测试结果和讨论34-44
• 4.1 玻璃样品的热学性质分析34-35
• 4.2 玻璃样品的有效扩散系数35
• 4.3 玻璃样品的发射光谱35-38
• 4.4 玻璃样品的吸收光谱和J-O计算38-40
• 4.5 玻璃样品的吸收与发射截面40-41
• 4.6 玻璃样品制备光波导41-42
• 4.7 玻璃样品的信号增益42-44
• 第五章 结论与展望44-46
• 5.1 结论44-45
• 5.2 展望45-46
• 参考文献46-52
• 本文的研究特色和创新之处52-53
• 致谢53-54
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文54

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 李善锋;张敏;彭扬;张庆瑜;赵明山;;Rate equation model analysis on the infrared and upconversion emission of Er/Yb co-doped borate-silicate glass[J];Journal of Rare Earths;2010年02期

2 郑志强;梁浩;明海;张其锦;谢建平;;掺钕聚甲基丙烯酸甲酯的光学特性(英文)[J];Chinese Journal of Chemical Physics;2006年03期

3 雷红兵,欧海燕,杨沁清,胡雄伟,余金中,王启明;平面阵列光学波导模式特性及其光强传输分析[J];半导体学报;2000年05期

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本文编号：419835