锰掺杂光功能材料及其复合光纤的探索研究
发布时间：2022-01-13 08:05
光纤作为材料的一维形态,是优异的光学研究和光学器件平台,极大地促进了科技与社会的发展进步。伴随着功能材料的研发升级和光纤制备工艺的不断精进,涉及材料、结构或功能集成的新型复合光纤已成为光纤波导的重要研究方向,在光纤激光、光学传感、特殊照明、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。过渡金属锰（Mn）离子具有多种价态,其掺杂发光材料可表现出各种特殊的发光性质,并可为基质结构的调控优化提供探针作用。因此锰掺杂发光材料具有独特的研究价值及应用优势,有望用作前驱体材料探究制备复合光纤。本课题针对复合光纤在余辉特殊照明、光学温度传感的研究应用现状及发展潜力,分别探索相关的锰掺杂新型无机光功能材料的研制组成,研究锰离子在相应材料中的发光性质。其次,尝试探明材料的结构与性能间的构效关系,阐释相应内在机理。随后,开展所研制材料的光纤化前期工作,为后续复合光纤的实际拉制铺平道路。具体研究内容及结果如下:（1）发现了一系列可覆盖红至近红外发光波段（530-830 nm）的新型Mn2+掺杂锗酸盐余辉发光功能玻璃。基于非晶体材料结构连续性的特质,采用简单可行的拓扑策略进行结构调控,成功增强光致发...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高压化学气相沉积法的工作原理示意图
第一章绪论3进行，这可保持纤芯材料的性能及化学稳定性，为一些熔点极高、不适用于其他方法（如较高温度拉制的热拉法）制备的材料提供了复合选择。但这种方法受限于沉积速率缓慢的问题，不适用于制备长度达到几十米到几千米的光纤。（2）压力辅助熔体填充法压力辅助熔体填充法（PAMF）是制备微结构复合光纤的又一有效手段。其核心过程是在事先制备好的具有毛细管的微结构光纤中，利用压力驱动熔体材料进入并填充到纤芯中（见图1-2）。PAMF并不严格要求包层与纤芯材料的匹配性，即使其热膨胀系数相差甚大也能通过这种方法进行复合，因此赋予了材料选择更大的自由度。P.S.J.Russell团队于2008年首次利用该法将熔点为940°C的半导体Ge成功填充复合进转变温度为1330°C的石英玻璃微结构光纤中[4]。经过后续研究，金属、硫系玻璃等低熔点材料同样可用PMAF方法集成到光纤中。对于PAMF法的实际操作，需要考虑以下因素：①待填充的前驱体熔体材料的粘度较低（＜10Pa·s）；②填充过程的温度须低于包层基质玻璃的软化温度；③填充材料与基质玻璃间不发生额外的化学反应。值得说明的是，受限于设备的尺寸，该法较难制备获得长度较长、连续性较好的复合光纤[5]。图1-2压力辅助熔体填充法的填充过程示意图Fig.1-2SketchofthefillingprocedureofthePMAFtechnique.（3）激光加热基座生长法激光加热基座生长法（LHPG）主要适用于将单晶复合进光纤中。早在1975年C.A.Burrus等人便采用该技术，以激光束作为热源制备出直径为50μm的Nd3+:YAG单晶光纤[6]。经过近几十年来的研究发展，目前已成功实现将稀土或过渡金属离子掺杂的单晶、电光晶体、红外晶体及非线性晶体复合到光纤中，且能控制并减少晶纤的直径波动，这
华南理工大学硕士学位论文4可充分利用单晶优异的光学特性进行应用拓展[7-9]。但该方法仍需进一步改进其生长速度缓慢、所合成光纤直径较大且长度有限等限制因素。（3）热拉法要将上述技术扩展到大规模制备仍具有很大的挑战性，因此作为典型工业光纤生产方法的热拉法依然是制备复合光纤的主要方法。热拉法指将一根设计制备好的光纤预制棒置于光纤拉丝塔中，通过塔中加热炉将预制棒加热至指定温度使其软化，再经重力和外部拉力牵引拉制成制定尺寸光纤的方法方法，又称预制棒光纤方法（图1-3所示）。预制棒的制备方法主要有管棒法、堆叠法、挤压法和薄膜滚压法等。由于预制棒是在毫米尺度上构造的，因此通过集成新型材料到特定结构的光纤预制棒中，然后将其热拉成光纤，可在光纤轴向上保持预制棒结构与材料的完整性，且光纤长度基本不受限制。而在预制棒适当位置上设计布置多个相互独立的功能器件材料，可使最终获得的高密度器件集成的单一光纤具有高性能与多功能。在热拉过程中，光纤的直径尺寸可通过控制外部牵引力进行调谐延展，尺寸范围可跨越几个数量级（从微米到几纳米）。因此该法除了在热拉过程中保持轴向对称性之外，还可将光纤本身当作一个独特的设计平台，通过打破其对称性来设计构建不同寻常的微米/纳米级几何形状和结构，用于开发合成新兴技术所需求的重要材料，且可衍生许多关于材料科学、凝聚态物理和微纳米技术方面的基础研究课题，这是其他现有光纤制备处理方法所无法实现的特性。本文主要以热拉法作为光纤拉制方法进行探究讨论。图1-3利用拉丝塔热拉成纤的示意图。Fig.1-3Schematicofthermal-drawingfiberformedbyadrawingtower.按照实际拉制的温度，热拉法主要可分低温直拉法和纤芯熔融法。低温热拉法主要
【参考文献】：
期刊论文
[1]Thermal and luminescent properties of 2 μm emission in thulium-sensitized holmium-doped silicate-germanate glass[J]. Rong Chen,Ying Tian,Bingpeng Li,Xufeng Jing,Junjie Zhang,Shiqing Xu,Hellmut Eckert,Xianghua Zhang. Photonics Research. 2016(06)
博士论文
[1]四价锰掺杂六氟化物的发光及耐湿性能研究[D]. 江春燕.华南理工大学 2019
[2]S+C+L+U波段发光铋掺杂玻璃与光纤研究[D]. 曹江坤.华南理工大学 2019
[3]锰（4+,2+）及铕（2+）离子激活的一些含氧酸盐发光材料的性能研究及其在w-LED中应用[D]. 梁思思.中国科学技术大学 2019
[4]锰掺杂近红外发光材料的设计合成及光谱性能研究[D]. 张晓闻.华南理工大学 2017
[5]复合玻璃光纤的研究[D]. 唐国武.华南理工大学 2017
硕士论文
[1]铋掺杂磷/锗酸盐玻璃与光纤制备及性能研究[D]. 张子扬.华南理工大学 2018
本文编号：3586040
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高压化学气相沉积法的工作原理示意图
第一章绪论3进行，这可保持纤芯材料的性能及化学稳定性，为一些熔点极高、不适用于其他方法（如较高温度拉制的热拉法）制备的材料提供了复合选择。但这种方法受限于沉积速率缓慢的问题，不适用于制备长度达到几十米到几千米的光纤。（2）压力辅助熔体填充法压力辅助熔体填充法（PAMF）是制备微结构复合光纤的又一有效手段。其核心过程是在事先制备好的具有毛细管的微结构光纤中，利用压力驱动熔体材料进入并填充到纤芯中（见图1-2）。PAMF并不严格要求包层与纤芯材料的匹配性，即使其热膨胀系数相差甚大也能通过这种方法进行复合，因此赋予了材料选择更大的自由度。P.S.J.Russell团队于2008年首次利用该法将熔点为940°C的半导体Ge成功填充复合进转变温度为1330°C的石英玻璃微结构光纤中[4]。经过后续研究，金属、硫系玻璃等低熔点材料同样可用PMAF方法集成到光纤中。对于PAMF法的实际操作，需要考虑以下因素：①待填充的前驱体熔体材料的粘度较低（＜10Pa·s）；②填充过程的温度须低于包层基质玻璃的软化温度；③填充材料与基质玻璃间不发生额外的化学反应。值得说明的是，受限于设备的尺寸，该法较难制备获得长度较长、连续性较好的复合光纤[5]。图1-2压力辅助熔体填充法的填充过程示意图Fig.1-2SketchofthefillingprocedureofthePMAFtechnique.（3）激光加热基座生长法激光加热基座生长法（LHPG）主要适用于将单晶复合进光纤中。早在1975年C.A.Burrus等人便采用该技术，以激光束作为热源制备出直径为50μm的Nd3+:YAG单晶光纤[6]。经过近几十年来的研究发展，目前已成功实现将稀土或过渡金属离子掺杂的单晶、电光晶体、红外晶体及非线性晶体复合到光纤中，且能控制并减少晶纤的直径波动，这
华南理工大学硕士学位论文4可充分利用单晶优异的光学特性进行应用拓展[7-9]。但该方法仍需进一步改进其生长速度缓慢、所合成光纤直径较大且长度有限等限制因素。（3）热拉法要将上述技术扩展到大规模制备仍具有很大的挑战性，因此作为典型工业光纤生产方法的热拉法依然是制备复合光纤的主要方法。热拉法指将一根设计制备好的光纤预制棒置于光纤拉丝塔中，通过塔中加热炉将预制棒加热至指定温度使其软化，再经重力和外部拉力牵引拉制成制定尺寸光纤的方法方法，又称预制棒光纤方法（图1-3所示）。预制棒的制备方法主要有管棒法、堆叠法、挤压法和薄膜滚压法等。由于预制棒是在毫米尺度上构造的，因此通过集成新型材料到特定结构的光纤预制棒中，然后将其热拉成光纤，可在光纤轴向上保持预制棒结构与材料的完整性，且光纤长度基本不受限制。而在预制棒适当位置上设计布置多个相互独立的功能器件材料，可使最终获得的高密度器件集成的单一光纤具有高性能与多功能。在热拉过程中，光纤的直径尺寸可通过控制外部牵引力进行调谐延展，尺寸范围可跨越几个数量级（从微米到几纳米）。因此该法除了在热拉过程中保持轴向对称性之外，还可将光纤本身当作一个独特的设计平台，通过打破其对称性来设计构建不同寻常的微米/纳米级几何形状和结构，用于开发合成新兴技术所需求的重要材料，且可衍生许多关于材料科学、凝聚态物理和微纳米技术方面的基础研究课题，这是其他现有光纤制备处理方法所无法实现的特性。本文主要以热拉法作为光纤拉制方法进行探究讨论。图1-3利用拉丝塔热拉成纤的示意图。Fig.1-3Schematicofthermal-drawingfiberformedbyadrawingtower.按照实际拉制的温度，热拉法主要可分低温直拉法和纤芯熔融法。低温热拉法主要
【参考文献】：
期刊论文
[1]Thermal and luminescent properties of 2 μm emission in thulium-sensitized holmium-doped silicate-germanate glass[J]. Rong Chen,Ying Tian,Bingpeng Li,Xufeng Jing,Junjie Zhang,Shiqing Xu,Hellmut Eckert,Xianghua Zhang. Photonics Research. 2016(06)
博士论文
[1]四价锰掺杂六氟化物的发光及耐湿性能研究[D]. 江春燕.华南理工大学 2019
[2]S+C+L+U波段发光铋掺杂玻璃与光纤研究[D]. 曹江坤.华南理工大学 2019
[3]锰（4+,2+）及铕（2+）离子激活的一些含氧酸盐发光材料的性能研究及其在w-LED中应用[D]. 梁思思.中国科学技术大学 2019
[4]锰掺杂近红外发光材料的设计合成及光谱性能研究[D]. 张晓闻.华南理工大学 2017
[5]复合玻璃光纤的研究[D]. 唐国武.华南理工大学 2017
硕士论文
[1]铋掺杂磷/锗酸盐玻璃与光纤制备及性能研究[D]. 张子扬.华南理工大学 2018
本文编号：3586040
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