稀土掺杂玻璃2-3μm近中红外光致发光增强机理研究

发布时间：2020-06-04 08:51

【摘要】：2-3 μm近中红外激光器因其在军事和民用领域的应用而受到广泛关注,如激光制导、红外遥感、有毒气体探测、医疗手术等。激光器增益介质是激光器的一个重要组成部分。玻璃材料制备工艺简单、制备周期短及小体积等优点使其逐渐开始取代晶体材料作为重要的激光增益介质。因此,近年来稀土离子掺杂的近中红外玻璃材料的研究受到了人们的重视。本文以Ho3+、Tm3+、Er3+、Yb3+四种稀土离子掺杂氟氧化物玻璃以及氟化物玻璃系统为研究对象,探索这两类基质中2-3 μm近中红外光致发光增强机制。本文的主要成果如下:(1)在氟碲酸盐玻璃(TeO2-PbF2)中以ZnF2逐步替代PbF2研究了 ZnF2的去除羟基(OH-)效应,并在此基础上制备了 TeO2-ZnF2锌基氟碲酸盐玻璃,并研究其在Yb3+/Er3+和Yb3+/Ho3+共掺后2.7 μm和2.85 μm处的发光性能。研究表明当ZnF2逐渐替代PbF2时,玻璃的热稳定性逐渐提高,并且ZnF2能够有效地减少玻璃样品中的OH-含量,当ZnF2完全取代PbF2后羟基含量仅为不含ZnF2样品的1/3;锌基氟碲酸盐玻璃较少的羟基含量抑制了 OH-和Er3+、Ho3+之间的无辐射能量传递,从而增强了样品在980 nm激光器激发下2.7 μm和2.85 μm的发光强度;(2)以上文的锌基氟碲酸盐玻璃(Te02-ZnF2)为基础,系统研究了 Yb3+/Ho3+双掺、Yb3+/Ho3+/Er3+三掺、Yb3+/Ho3+/Tm3+三掺、以及 Yb3+/Ho3+/Er3+/Tm3+四掺在2.0 μ的发光性能和离子间的能量传递。研究表明,在980 nm激光器激发下四掺时2.0 μm的发光最强。我们发现Yb3+、Er3+和Tm3+三种离子对Ho3+的2.0μm发光都有提升作用,缺少任何一种都无法达到最佳。其中Yb3+为主要的敏化剂,Tm3+为重要的能量传递离子,能够集中传递能量于Ho3+的5I7能级,进而促进2.0μm的发射,而Er3+在与Tm3+共同作用时,能够将Yb3+传递的能量及自身吸收的激发光能量经过Tm3+传递给Ho3+,从而进一步增强2.0 μm发光;(3)以氟锆酸盐玻璃(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF3,ZBLAN)为基质研究了Tm3+掺杂在2.3μm的发光性能。研究表明Tm3+单掺时,随着Tm3+浓度增大,2.3μm发射强度先增加后减小。这是由于当Tm3+浓度增大时,3H4能级与3H6能级之间将发生强烈的交叉驰豫并聚集于3F4能级,导致2.3 μm的发射降低;为了防止交叉驰豫的发生,将Tm3+的浓度降低并加入Bi2O3时的结果表明,Bi203能够提高Tm3+在2.3μ 的发射强度,这是由于活性Bi+离子能够与Tm3+进行能量传递进而提高Tm3+在3H4的电子聚集从而提高了 2.3μ 的发射强度。
【图文】：

在环境险恶的情况下工作等特点。光纤激光器在合适的激发光源激发下，能够得逡逑到高强度中红外２－３逦激光发射，其应用前景十分广阔，己吸引多个研究领域逡逑的目光［２２］。光纤激光器之所以能够有高效率的红外发射，其中掺杂的稀土离子逡逑起到了决定性的作用。逡逑１．２稀土离子及其能级逡逑１．２．１稀土元素的种类逡逑元素周期表上原子序数５７－７１的镧系元素以及原子序数为２１的钪（Ｓｃ），再逡逑加上原子序数３９的钇（Ｙ）共１７个元素被称为广义的稀土元素，而狭义的稀土元逡逑素仅指１５个镧系元素，这些稀土元素的化学性质大致相同［２３］。镧系的１５个元素逡逑之中，镧（Ｌａ）、铈（Ｃｅ）、镨（Ｐｒ）、钦（Ｎｄ）、钷（Ｐｍ）、钐（Ｓｍ）、铕（Ｅｕ）这７种元素被逡逑称为轻稀土元素（或称为锦组稀土），Ｃ（Ｇｄ）、试（Ｔｂ）、镝（Ｄｙ）、钬（Ｈｏ）、铒（Ｅｒ）、逡逑铥（Ｔｍ）、镱（Ｙｂ）、镥（Ｌｕ）再加上第三副族的钇（Ｙ）—共９个元素称为重稀土元素（或逡逑称为钇组稀土），而钪（Ｓｃ）的化学和物理性质不同于其它１６个元素，因此常说的逡逑稀土元素主要是指除钪（Ｓｃ）以外的其他１６个元素。逡逑

１．３．１稀土离子中红外跃迁逡逑能够实现２－３逦中红外荧光发射的稀土离子主要有钬离子（Ｈｏ３＋）、铒离子逡逑（Ｅｒ３＋）和铥离子（Ｔｍ３＋）等。图１－３给出了邋Ｈｏ３＋、Ｅｒ３＋和Ｔｍ３＋这三种离子在２－３哗逡逑的能级跃迁图。其中Ｈｏ３＋：邋５１７邋—邋５１８和Ｈｏ３＋：邋５１６邋—邋５１７的辐射跃迁分别对应了逡逑Ｈｏ３＋在邋２．０邋ｐｍ邋和邋Ｚ８５邋叫的红外发射。Ｅｒ３＋：邋４１１１／２邋—邋４１丨３／２邋和邋Ｔｍ３＋：邋３Ｈ５邋—邋３Ｈ６邋的逡逑辐射跃迁则分别对应了邋２．７邋ｐｍ和２．３邋ｐｍ的红外发射。逡逑２０邋￣逡逑３Ｈ４邋－ｊ—，逦逡逑１５邋—逦ｎ逡逑ｔ＾Ｔ＊＇逦２．邋Ｂｕｍ逡逑Ｅ逦－逡逑ｓｈ邋逦邋％邋＿＿邋——逡逑Ｓ逦ｌ0逦—逦４Ｉｉｉ／２邋ｔ；￣—逡逑ｉ逦５＇ｂ逦—
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ171.1

【参考文献】

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本文编号：2696140