硅铝硼玻璃结构对掺杂铋离子热处理稳定性的影响

发布时间：2018-04-22 11:22

本文选题：硅酸盐玻璃 + 玻璃结构　；参考：《昆明理工大学》2015年硕士论文

【摘要】：当前通信业务的快速增长对无中继传输距离、大容量及高速率的光纤传输过程提出了越来越高的要求。相比于目前已经商业化使用的Er3+掺杂光纤放大器EDFA,新型宽带光纤放大器可以进一步拓宽现有光纤传输的波段的范围及其传输通道,极大提高其传输速率和容量。自2001年首次报道铋掺杂硅酸盐玻璃近红外宽带发光现象以来,由于在超宽带光纤放大器材料的潜在应用价值,该材料已成为国内外的研究热点和众多学者的关注对象。然而近年来研究发现,铋掺杂玻璃在制备以及光纤拉制过程容易受到加工制备条件的影响,铋离子近红外发光中心热稳定性差,极易出现荧光猝灭和自吸收现象,难以实现光放大。这一状况很大程度上影响了铋掺杂近红外发光玻璃的研究,成为困扰其实际应用和器件化发展的瓶颈。众所周知,玻璃结构由网络形成体和网络修饰体共同组成,玻璃而基质结构可以影响铋离子发光的强度、半高宽以及寿命的诸多性质。因此探索和认识玻璃结构与铋离子近红外发光中心热稳定性的关系,将有利于实现铋的宽带发光机理及促进其器件化的进程,为设计和制备新型的超宽带光纤放大器材料提供一定的实验理论依据。因此,本论文以具有优异近红外发光性质的铋掺杂硅铝硼玻璃为研究对象,通过对玻璃中基质结构的调节和改变,研究网络修饰体和网络形成体的类型和组成与铋离子近红外发光稳定性的相互联系,探索玻璃结构对铋离子热稳定性的影响规律。研究结果表明,当碱金属氧化物作为网络修饰体时,铋近红外发光中心热稳定性随着金属阳离子半径增大显著降低。在玻璃化转变温度以下热处理,含K20和Na2O玻璃甚至出现了黑化失透和完全的荧光猝灭现象。TEM和XRD的分析表明上述现象是由于热处理过程形成了Bi金属颗粒。进一步研究发现,碱土金属氧化物对与铋近红外发光热稳定性影响同样取决于阳离子半径,且铋离子近红外发光热稳定性显著提升。即使在玻璃软化点附近热处理,也未出现失透和明显的荧光猝灭。研究证实热处理条件下铋离子在基质中的扩散或者迁移,以及迁移过程中与玻璃缺陷之间发生的还原作用是导致近红外发光热稳定性不足的重要原因。根据碱金属和碱土金属玻璃对比研究结果,我们提出玻璃修饰体场强作用而不是玻璃网络结构的密实度,才是影响铋离子热迁移和转变的主要因素。上述现象可以理解为高场强碱土金属氧化物修饰体会形成更多而稳定化的非桥氧键。而非桥氧通过对铋离子库仑吸引和还原稳定化实现了对铋离子近红外发光中心热稳定性的提升。我们通过修饰体场强作用下铋离子近红外发光强度,以及空气、真空和还原性气氛条件下的对比,证实了网络修饰体的场强的对铋激活玻璃近红外发光的热稳定性重要作用。为了进一步证实上述结论,我们对比研究了玻璃修饰体混碱和网络形成体混合作用下铋掺杂硅铝硼玻璃的近红外发光热稳定性。混碱作用研究表明,在碱土氧化物和氧化锂组分复合调协同作用下,玻璃网络体系密度都出现了显著的混碱效应,即在两者组分中段出现了玻璃密度的明显提高和最大化。但上述玻璃近红外发光热稳定性依然主要高场强碱土氧化物含量决定,而与网络密实度几乎无关。我们通过前人对混碱体系(Na-Ca)硅酸盐玻璃的结构分析以及对应的近红外发光热稳定性,证实了修饰体场强作用下的非桥氧密度和稳定性在铋离子热稳定性中的主导地位。另一方面,通过部分网络形成体(B2O3, P2O5和Ge02)替换玻璃组分中Si02发现,易形成了疏松网络结构的[BO3]三面体不利于玻璃近红外发光的热稳定；同时虽然P205和Ge02的加入对锂铝硅酸盐玻璃近红外发光强度提高,但并不会显著改善铋离子在玻璃中的热稳定性。因此,相对于网络形成体,我们认为具有高场强网络修饰体更加有利于铋激活玻璃近红外热稳定性的提高。结合上述研究结果,我们提出采用高场强的镧系稀土离子(La3+、Gd3+和Lu3+)来实现铋掺杂近红外热稳定性的提升。实验结果证实,相比于其他两种稀土离子,镧系收缩中具有最高场强的Lu3+离子更能提高硅铝硼锂玻璃近红外热稳定性。另外,通过Lu3+离子激活的硅铝硼锂玻璃近红外热稳定性的研究,进一步验证了具有场强网络修饰体可以改善铋激活玻璃热稳定性不足的现象,同时提高近红外的发光强度,并且网络修饰体Lu3+离子相对于5 mol%,Lu3+离子含量的增加至10 mo1%更加有利于铋激活玻璃高温热处理后的近红外发光强度和热稳定性的提高。
[Abstract]:In recent years , it has been found that the thermal stability of Bi - doped silicate glass in the near - infrared luminescent centers of bismuth ions is greatly improved .
The near - infrared thermal stability of bismuth - doped glasses is improved by adding rare earth ions ( La3 + , Gd3 + and Lu3 + ) with high field strength .

【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ171.71

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