稀土掺杂碲酸盐玻璃的结构与中红外发光性能的研究

发布时间：2020-07-09 07:20

【摘要】：近年来,中红外光纤激光器引起了人们广泛而深入的研究,这是因为此波段的中红外光学材料无论在民用还是军事领域都有着重要的应用。为了获得廉价、实用和高效的中红外激光光源,人们对此在掺杂稀土离子的晶体、陶瓷、玻璃及其光纤中进行了大量的研究。本论文旨在研究能够适用于中红外激光输出的玻璃增益介质材料,通过在碲酸盐玻璃基质中双掺稀土离子,研究其中红外荧光光谱性能以及掺杂稀土离子间的能量传递机制。相比于传统的激光玻璃,碲酸盐玻璃作为重金属氧化物玻璃具有较低的声子能量以及高折射率,而且其熔化温度更低,具有更好的化学稳定性。因此,本文选取了TeO_2-WO_3-ZnO-La_2O_3碲酸盐玻璃体系为基质,对玻璃样品进行了拉曼光谱测试,发现其具有较低的声子能量(最大声子能量为750cm~(-1))。同时,对其进行了热稳定性分析(DTA),发现其具有较低的玻璃转变温度T_g(345℃)和较大的(35)T(163℃)。进一步研究了掺杂Dy~(3+)和Er~(3+)离子玻璃样品的吸收光谱,分别讨论了它们的J-O参数与辐射性质。通过808 nm LD激发掺杂Dy~(3+)的玻璃样品,得到了2.8μm的荧光输出。此外,通过808/980 nm LD激发掺杂Er~(3+)的玻璃样品,均得到了2.7μm的荧光输出。在此研究的基础上,进一步研究了Dy~(3+)/Er~(3+)共掺碲酸盐玻璃样品在808/980 nm LD泵浦下的2.7μm和2.8μm荧光光谱性质,发现无论是808 nm LD泵浦下在还是在980 nm LD泵浦下,Dy~(3+)/Er~(3+)共掺样品的中红外发光范围均比Er~(3+)单掺样品的要宽,因而实现了2500-3100 nm宽波带的中红外发光。在808 nm LD泵浦下,Er~(3+):~4I_(13/2)→Dy~(3+):~6H_(11/2)过程的能量传递效率为73.1%,Er~(3+):~4I_(11/2)→Dy~(3+):~6H_(5/2)和Er~(3+):~4I_(13/2)→Dy~(3+):~6H_(11/2)能级跃迁的能量转移系数分别为6.89×10~(-38)和0.01×10~(-38) cm~6/s。而在980nm LD泵浦下,Er~(3+):~4I_(13/2)→Dy~(3+):~6H_(11/2)过程的能量传递效率可以达到80%。为了进一步研究该玻璃材料在~3μm的发光,还研究了不同Tm_2O_3含量的Dy~(3+)/Tm~(3+)共掺碲酸盐玻璃在808 nm泵浦下2.8μm的荧光光谱特性。随着Tm_2O_3含量的增大,共掺样品中的1.8μm与2.3μm荧光强度不断减弱,2.8μm的荧光强度不断增强。其中,0.5mol%Dy~(3+)/1.5mol%Tm~(3+)共掺样品中的2.8μm的受激发射截面可以达到2.82×10~-2020 cm~2。Tm~(3+):~3F_4能级通过ET2能量传递过程将能量有效的传递给Dy~(3+):~6H_(11/2)能级,其传递效率高达86.80%。同时,还讨论了2.8μm荧光增强的机理。~2μm辐射光被认为对人眼是安全的,能够应用于包括红外激光制导与侦查、外差相干检测和低压气体的高分辨率光谱分析等领域。因而,研究了Tm~(3+)以及Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺碲酸盐玻璃的2μm荧光性能。发现当Tm~(3+)离子的浓度为0.5 mol%,Ho~(3+)离子的浓度为1.5 mol%时,2μm的荧光强度达到最强。在808 nm波长激光泵浦下,0.5Tm~(3+)/1Ho~(3+)共掺样品在2μm处的发射截面,其最大值为3.10×10~(-21) cm~2,发射中心位于2048 nm。利用重叠积分法计算Tm~(3+)与Ho~(3+)之间的能量传递微观参数,发现其能量传递系数可以达到3.625×10~(-40)cm~6/s。本文最后研究了Tm~(3+)/Er~(3+)共掺碲酸盐玻璃在808/980 nm泵浦下的~2μm光谱性能以及Tm~(3+)与Er~(3+)之间的能量相互传递过程。中红外荧光光谱表明,当Tm~(3+)离子的浓度为0.5 mol%,Er~(3+)离子掺杂浓度为0.5mol%时,1.8μm与2.7μm的荧光强度均达到最强。而在980 nm泵浦下,2.7μm的荧光强度达到最强时的Er~(3+)离子浓度为1mol%。0.5Tm~(3+)/0.5Er~(3+)共掺样品的最大发射截面可以达到4.68×10~(-21) cm~2,其中心波长位于1886 nm。当P为0.4时,Tm~(3+):~3F_4→~3H_6在1852-2100 nm处的增益开始为正。其最大增益系数为0.91 cm~(-1),中心波长位于1887 nm。
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ171.1
【图文】：

能级图,能级图,激光泵浦,能级

图 1. 2 Ho3+离子的部分能级图子的能级较为丰富，其基态能级上的粒子能够被多波能级，Tm3+离子的部分能级如图 1.3 所示。由图可676 nm、790 nm、1060 nm 以及 1550 nm 波长的激光μm、2.3 μm 和 1.8 μm 的荧光。由于 Tm3+离子在 8，因而通过 790 nm 的激光泵浦可以获得较为理想的的发光。Tm3+离子的量子效率较大，这是由于 Tm豫过程3H6+3H4→3F4+3F4(CR) 是一个非辐射过程跃迁到3F4能级时会产生两个粒子。1989 年，R. A过 790 nm 激光泵浦掺杂 Tm3+离子氟化物玻璃实现可以得到 1 mW 的输出功率以及 10%的斜率效率[2人采用 676 nm 的激光泵浦掺杂 Tm3+离子 ZBLAN 光 2.2 mW 的 2.3 μm 激光输出[28]。2010 年，R.M. E nm 的 Nd:YAG 激光器来激发掺杂 Tm3+离子的 ZBL出功率为 150 mW 以及斜率效率为 7.8%的 2.31 μm

能级图,能级图,激光输出,输出功率

图 1. 3 Tm3+离子的部分能级图.4 中 Er3+离子的部分能级图可知，Er3+离子基态能级nm、655 nm、808 nm 以及 980 nm 的激发光泵浦到高m、3.5 μm、2.7 μm 和 1.55 μm 的发光。由于 Er3+离的 808 nm 或者 980 nm 激光泵浦，并通过 Er3+:4I11/2 2.7 μm 的发光，因而被广泛用于中红外激光材料的子。1987 年，G.J. Kintz 等人首次在掺杂 Er3+离子的输出功率为 147 mW 的 2.8 μm 激光输出[31]。随后的在掺杂 Er3+离子的 ZBLAN 玻璃中可以得到 2.7 μm 发Y. Allain 等人通过 476 nm 的激发光泵掺杂 Er3+离子了输出功率为 7 mW 的 2.7 μm 激光输出[34]。随着人究进一步深入，2.7 μm 的激光输出可以由毫瓦达到，S. Tokita 等人通过 975 nm 激光激发掺杂 Er3+离子的了输出功率高达 24 W 的 3 μm 激光输出[35]。

能级图,能级图,基态能级,粒子

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