掺稀土锗碲酸盐玻璃的2μm光谱性能研究

发布时间：2017-08-22 07:09

  本文关键词：掺稀土锗碲酸盐玻璃的2μm光谱性能研究

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【摘要】：~2μm波长的中红外荧光发射覆盖了许多大气分子的特征谱线带,在军事对抗、医疗手术、环境污染检测以及光通信等领域有重要应用。本论文主要目的在于研究一种能够适用于~2μm激光输出的新型玻璃增益介质。通过对锗碲酸盐玻璃基质的组分调整及稀土离子的浓度优化,制备出适用于~2μm发光的锗碲酸盐玻璃材料,为将来2μm单频和超短脉冲激光器提供一种适宜的激光玻璃材料。本文主要的研究成果如下:成功地制备出了热学性能优异、抗析晶能力较强的锗碲酸盐玻璃体系。DSC测试显示玻璃转变温度T_g高达550℃,并在300-820℃范围内没有发现明显的起始析晶点。为了验证玻璃样品的抗析晶能力,对样品进行了抗析晶实验,发现玻璃样品熔化,且没有乳浊析晶,结果表明所制备的玻璃是具有良好热性能的潜在玻璃光纤基质。采用所制备的玻璃基质,研究了不同浓度Tm~(3+)掺杂锗碲酸盐玻璃的2μm荧光性能,发现当Tm~(3+)浓度为1.25 mol%时,2μm荧光没有明显猝灭。基于中红外荧光光谱,提出了合理的能量转移机理。定量地证实了交叉弛豫(CR)过程是获得2μm荧光的主要能量转移过程。另外测试了傅里叶红外透过率,在此基础之上分析了OH~-基团在玻璃中存在的形式,并进一步修正玻璃组分,获得较低OH~-含量的锗碲酸盐玻璃。建立了速率方程来定量分析OH~-对2μm荧光的猝灭作用。在单掺的基础上,研究了不同Er~(3+)离子掺杂浓度对Tm~(3+)/Er~(3+)共掺锗酸盐玻璃2μm光谱性能的影响。计算了微观能量转移参数,通过能量转移过程,定量地解释了Tm~(3+)/Er~(3+)共掺的锗碲酸盐玻璃2μm荧光减弱的原因。并在Tm~(3+)/Er~(3+)双掺的基础之上,尝试Tm~(3+)/Er~(3+)/Yb~(3+)三掺,获得了增强的2μm发光。同时,研究了不同Ho~(3+)离子浓度掺杂的Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺锗碲酸盐玻璃的2μm光谱性能,找到了最佳Ho~(3+)离子掺杂浓度,测得玻璃的2μm荧光寿命高达6.07ms,量子效率可达90.7%。最后,研究了Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺锗酸盐玻璃的2μm光谱性能。中红外荧光光谱表明当Ho~(3+)浓度为0.17mol%时,2μm荧光最强。测试荧光寿命高达7.68ms,量子效率高达79.4%。研究了Ho~(3+)和Yb~(3+)间的能量转移机理,计算了Yb~(3+)到Ho~(3+)的能量转移效率,并分析了荧光猝灭的原因。
【关键词】：稀土离子 能量转移 中红外光谱 锗碲酸盐玻璃 ~2μm
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ171.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-15
• 1 文献综述15-27
• 1.1 引言15-16
• 1.2 中红外激光的产生16-19
• 1.2.1 可用于2μm发光的稀土离子及其跃迁原理16-19
• 1.3 中红外2μm激光玻璃材料研究进展19-24
• 1.3.1 石英玻璃及硅酸盐玻璃的研究进展20-22
• 1.3.2 氟化物玻璃的研究进展22-23
• 1.3.3 锗酸盐玻璃的研究进展23-24
• 1.3.4 碲酸盐玻璃的研究进展24
• 1.4 选题背景及研究思路24-27
• 2 实验部分及基本理论27-33
• 2.1 样品制备27
• 2.2 性能测试27-28
• 2.2.1 密度及折射率测试27-28
• 2.2.2 差热测试28
• 2.2.3 光谱测试28
• 2.2.4 结构测试28
• 2.3 光谱理论介绍28-33
• 2.3.1 Judd-Ofelt理论28-30
• 2.3.2 吸收与发射截面30-31
• 2.3.3 稀土离子间的无辐射跃迁过程31
• 2.3.4 稀土离子间的能量传递计算31-33
• 3 关于玻璃基质热学性质的研究33-41
• 3.1 锗酸盐和碲酸盐玻璃的差热分析33-36
• 3.1.1 锗酸盐玻璃的差热分析33-34
• 3.1.2 碲酸盐玻璃的差热分析34-36
• 3.2 锗碲酸盐玻璃的差热分析和抗析晶实验36-40
• 3.2.1 锗碲酸盐玻璃（组分一）的差热分析和抗析晶实验36-38
• 3.2.2 锗碲酸盐玻璃（组分二）的差热分析和抗析晶实验38-40
• 3.3 本章小结40-41
• 4 掺Tm~(3+)锗碲酸盐玻璃2μm发光特性研究41-53
• 4.1 Tm~(3+)掺杂锗碲酸盐玻璃的密度和折射率研究41-42
• 4.2 Tm~(3+)掺杂锗碲酸盐玻璃的吸收光谱和Judd-Ofelt分析42-44
• 4.3 不同浓度Tm~(3+)掺杂锗碲酸盐玻璃的荧光光谱及参数分析44-46
• 4.4 Tm~(3+)掺杂锗碲酸盐玻璃的荧光衰减及能量转移46-48
• 4.5 关于锗碲酸盐玻璃中羟基的分析48-50
• 4.6 羟基对2μm荧光猝灭的分析50-51
• 4.7 本章小节51-53
• 5 双掺及三掺锗碲酸盐玻璃2μm发光特性研究53-72
• 5.1 Er~(3+)/Tm~(3+)双掺的锗碲酸盐玻璃2μm光谱性能研究53-57
• 5.1.1 Er~(3+)/Tm~(3+)双掺的锗碲酸盐玻璃的吸收光谱53-54
• 5.1.2 Er~(3+)/Tm~(3+)双掺的锗碲酸盐玻璃的荧光光谱及能量转移过程54-57
• 5.2 Er~(3+)/Tm~(3+)/Yb~(3+)三掺的锗碲酸盐玻璃2μm发光57-59
• 5.3 Tm~(3+)/Ho~(3+)双掺的锗碲酸盐玻璃2μm光谱性能研究59-64
• 5.3.1 Tm~(3+)/Ho~(3+)双掺的锗碲酸盐玻璃的吸收光谱和J-O分析59-62
• 5.3.2 Tm~(3+)/Ho~(3+)双掺的锗碲酸盐玻璃的荧光光谱和发射截面62-63
• 5.3.3 Tm~(3+)/Ho~(3+)双掺的锗碲酸盐玻璃的荧光衰减曲线63-64
• 5.4 Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺锗酸盐玻璃2μm发光特性研究64-70
• 5.4.1 Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺锗酸盐玻璃的2μm光谱性能研究64-66
• 5.4.2 Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺锗酸盐玻璃的吸收光谱和J-O分析66-67
• 5.4.3 Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺锗碲酸盐玻璃的荧光光谱和荧光衰减67-68
• 5.4.4 Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺锗碲酸盐玻璃的能量转移68-70
• 5.5 本章小节70-72
• 6 总结72-74
• 6.1 结论72-73
• 6.2 论文不足之处及展望73-74
• 参考文献74-81
• 作者简历81-82

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本文编号：717734