透明微晶玻璃以及光纤的制备与光谱转换

发布时间：2018-04-29 06:39

本文选题：微晶玻璃 + 光纤　；参考：《华南理工大学》2016年博士论文

【摘要】：伴随着激光器的发明,太阳光泵浦激光随之出现,以期待利用太阳能,缓解能源危机。由于光纤激光器具有体积小、光束质量好等众多优点,太阳光泵浦光纤激光器逐渐成为研究热点。在过去的一些研究中,光纤激光器的增益介质大多是稀土离子掺杂玻璃。玻璃中晶体场较弱,非辐射跃迁几率大,当掺入稀土离子时,大多呈现窄带的吸收峰,因而光纤对太阳光的转换效率很低。微晶玻璃既具有玻璃的高透光特性又具有晶体的强晶体场特性,可加工性好。在微晶玻璃的晶体场作用下,激活离子发光增强,而且还可以通过晶体场调控,实现激活离子对太阳光的宽带吸收,以增大对太阳能的利用效率。因此,微晶玻璃光纤在制备高效率的太阳光泵浦激光器方面具有潜在的应用价值。本文首先旨在制备透明的微晶玻璃,以实现从可见太阳光向近红外发光的光谱转换。其次,制备出微晶玻璃光纤,以实现光纤中对太阳光的光谱转换,为制备太阳光泵浦光纤激光器奠定基础。本文还对微晶玻璃光纤的制备工艺进行一系列探索,提出了一种新颖的工艺:管中-熔体法。利用该方法制备出的微晶玻璃光纤析晶可控,可对可见太阳光进行有效的光谱转换。并且,本文还对管中-熔体法的适用性进行了验证,制备出了不同体系的光纤和微晶玻璃光纤。管中-熔体法具有良好的适用性,为制备其他功能光纤开辟了一条新的道路。具体的研究内容和研究成果如下:(1)采用高温熔融法制备了Ce3+/Cr3+-Yb3+离子共掺的前驱体玻璃,适当热处理后,微晶玻璃中析出了YAG纳米微晶。测试了样品的荧光光谱、寿命曲线,发现微晶玻璃中存在从Ce3+/Cr3+向Yb3+离子的能量传递过程。对比吸收光谱与激发光谱,测试不同波长光激发下的发射光谱,证明了Ce3+离子向Yb3+离子的能量传递过程是一个单光子能量传递过程。另外,还测试了不同波长激发下以及不同温度下的发射光谱,证明了Cr3+离子向Yb3+离子的能量传递过程为单光子声子辅助能量传递过程。在可见模拟太阳光的激发下,相对于玻璃,Ce3+/Cr3+-Yb3+离子共掺微晶玻璃中都探测到了近红外发光增强。并且,Cr3+-Yb3+离子共掺微晶玻璃对太阳光的转换效率要大Ce3+-Yb3+共掺微晶玻璃。(2)采用熔融法制备了PbS量子点掺杂硼酸盐玻璃,热处理后,微晶玻璃中析出了PbS纳米微晶。测试玻璃和微晶玻璃的吸收与发射光谱,发现微晶玻璃在近红外波段具有很高的透过率。450 nm光激发下,相比于玻璃,微晶玻璃中探测到宽带近红外发光增强。随着热处理温度的升高,发射光谱出现红移和展宽。监测1100 nm的发光测试激发光谱,微晶玻璃的激发光谱呈宽带而且覆盖了整个可见区域。在可见模拟太阳光激发下,相比于玻璃,微晶玻璃中探测到宽带的近红外发光增强,发射光谱随着热处理温度升高出现红移和展宽。而且该PbS量子点掺杂微晶玻璃对太阳光的转换效率和Cr3+-Yb3+离子共掺YAG微晶玻璃中的转换效率相当。鉴于YAG微晶玻璃热处理温度较高,散射较大,并且不易于拉制成光纤。故采用PbS量子点掺杂玻璃制备微晶玻璃光纤。本文采用管中-熔体法制备PbS量子点掺杂微晶玻璃光纤。包层选用K9玻璃,纤芯为PbS量子点掺杂硼酸盐玻璃,在拉丝温度时,包层玻璃处于软化状态,纤芯玻璃处于熔融状态,快速拉丝制成前驱体光纤。然后再在低温下热处理得到微晶玻璃光纤。对制得的光纤进行EPMA、Raman光谱、TEM以及光谱测试。测试结果表明:制得的前驱体光纤结构完好且无晶体析出,包层与纤芯之间无明显元素扩散。热处理后,光纤纤芯中析出PbS纳米微晶。相比于管棒法,管中-熔体法拉制的光纤是析晶可控的,可避免光纤拉丝过程中的异常析晶。在可见模拟太阳光的激发下,相比于前驱体光纤,PbS量子点掺杂的微晶玻璃光纤中探测到了宽带近红外发光增强,发射光谱随着热处理温度的升高或时间的延长发生红移和展宽。(3)在软化点温度附近直接拉制多组分玻璃棒,玻璃严重析晶失透。由此证明,管棒法不适用于制备微晶玻璃光纤。采用管中-熔体法分别制备了Cr3+:ZnAl2O4、Ni2+:LiGa5O8以及Ba2TiSi2O8微晶玻璃光纤,包层为石英玻璃,纤芯为硅酸盐多组分玻璃。对制得的前驱体光纤和微晶玻璃光纤进行EPMA、Raman光谱、TEM以及光谱测试。测试结果表明:制得的前驱体光纤结构完好且无晶体析出,包层与纤芯之间无明显元素扩散。热处理后,光纤纤芯中分别析出了Cr3+:ZnAl2O4、Ni2+:LiGa5O8以及Ba2TiSi2O8纳米微晶。在相应激光激发下,相比于前驱体光纤,微晶玻璃光纤中都探测到了发光增强。管中-熔体法适用于制备各种功能微晶玻璃光纤。(4)在软化点温度附近直接拉制铋掺杂多组分玻璃棒,玻璃中析出了金属铋,导致玻璃失透、发光减弱。由此证明,管棒法不适用于制备铋掺杂多组分光纤。采用管中-熔体法制备铋掺杂多组分光纤。包层为石英玻璃,纤芯为铋掺杂多组分玻璃。对制得的前驱体光纤和微晶玻璃光纤进行EPMA以及光谱测试。测试结果表明:制得的光纤结构完好且无晶体或金属铋的析出,包层与纤芯之间无明显的元素扩散。在808 nm激光的激发下,光纤中探测到了超宽带近红外发光。管中-熔体法适用于制备铋掺杂多组分光纤。
[Abstract]:This paper presents a novel process for the preparation of high - efficiency solar - pumped fiber lasers . In this paper , PbS quantum dots doped with borate glass have been prepared by melting method . The absorption and emission spectra of glass and glass ceramics have been studied . A multi - component glass fiber has been prepared by direct drawing of multi - component glass fiber in the vicinity of the softening point temperature . It is proved that the tube - rod method is not suitable for the preparation of glass - glass fiber .

【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN248;TQ171.733

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