多元组分锗碲酸盐玻璃中三价稀土离子的光致发光特性

发布时间：2018-08-28 07:16

【摘要】：在近几十年里,一种或多种稀土离子掺杂的玻璃材料是一种具有广泛应用的介质材料,用于各种线性和非线性的光学应用,比如在彩色显示、通讯、激光手术、荧光粉、生物荧光标记、医疗诊断等诸多方面的应用[1]。在众多的稀土离子中,钬离子和铒离子具有独特的能级结构以及在可见区域和近红外区域具有独特的特征发射,尤其是Ho~(3+)离子的~5I_7能级拥有长的荧光寿命和大的自激发射截面。目前,在通讯领域中铒离子掺杂的光学放大器已经为光纤通讯领域带来了突破性的发展,极大的提高了信息的传输能力,但随着信息社会的发展对于目前的通讯网络的信息传输能力提出了更高的需求,进一步探寻新波段的光学放大器就显得十分必要了。随着石英光纤的制备工艺的不断提高,使玻璃基质中的羟基(OH-)含量不断降低,由羟基振动所引起的信号衰减已减小到~0.3dB/km。所以,包含石英光纤的零色散波段的1.2~1.4μm的波长范围有望成为光学通讯网络实现信号放大的新波段。同时,Ho~(3+)离子在1.2~1.4μm的范围内拥有红外荧光发射,因此Ho~(3+)的~5I_6?~5I_8和(~5F_4,~5S_2)?~5I_5辐射跃迁具有在1.2~1.4μm范围内实现光学信号放大的应用潜力。自1962年约翰逊首次报道了Ho~(3+)掺杂的CaWO_4的晶体获得了2.0μm的特征发射后,关于Ho~(3+)掺杂的各种晶体材料和玻璃材料都有了大量的报道。Ho~(3+)的2.0μm特征发射可应用在激光医学手术、遥感监测、大气污染检测等领域。本课题采用的玻璃基质是碲酸盐玻璃基质,其同氧化物玻璃相比,如硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃和硼酸盐玻璃:具有较小的声子能量和良好的稀土离子溶解性,可有效提高稀土离子的发光强度;其同非氧化物相比:具有良好的机械性能和热稳定性,降低了玻璃制备工艺的难度,有利于实现光纤的拉制。本工作取得具体成果如下:1.采用熔融法制备了Ho~(3+)单掺和Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺的多元组分锗碲酸盐玻璃(MGT)。根据经验公式估计出MGT玻璃的声子能量约为780cm~(-1),这表明了在该玻璃基质中可以有效实现红外辐射跃迁。通过Judd-Ofelt理论求出了J-O强度参数:Ω_2=5.32×10~( 20)cm~2,Ω_4=2.73×10~( 20)cm~2和Ω_6=1.12×10~( 20)cm~2,并进一步推导出了自发辐射几率、理论辐射寿命和荧光分支比等光谱参数。Ho~(3+)的~1.2μm和~1.4μm发射的最大发射截面分别是3.10×10~( 21)和1.81×10~( 21)cm~2,并进一步求出了理论增益截面,表明了在红外区域内作为光学放大器的潜在应用。测试了Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺样品的上转换荧光光谱,表明了Yb~(3+)在980nm激发条件下可以对Ho~(3+)实现有效敏化;并获得了其在~2.0μm发射处的发射截面和吸收截面,其相应的数值分别是4.93×10~( 21)和5.42×10~( 21)cm~2。上述结果表明了Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺的MGT玻璃在光学放大器和激光材料方面具有潜在的应用前景。2.采用熔融法制备了Er~(3+)单掺和Er~(3+)/Yb~(3+)共掺的多元组分锗碲酸盐玻璃(MGT)。采用J-O理论对吸收光谱进行拟合分析,得到了J-O强度参数,其值分别是Ω_2=5.51×10~( 20)cm~2,Ω_4=1.54×10~( 20)cm~2和Ω_6=1.02×10~( 20)cm~2,其可用来分析稀土离子周围的玻璃结构和理化性能。通过J-O强度参数,进一步求出了其它光谱参数,如自发辐射跃迁几率、理论荧光寿命、荧光分支比等。测试了Er~(3+)/Yb~(3+)共掺样品的上转换荧光光谱和红外光谱,Er~(3+)离子在MGT玻璃中~1.5μm特征发射的吸收截面和发射截面的最大值分别是7.46×10~( 21)和7.94×10~( 21)cm~2,较大的吸收和发射截面有利于提高稀土离子的发光强度。
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【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】：TQ171.1

【参考文献】