钬掺杂氟碲酸盐玻璃及其光纤的制备与表征

发布时间：2017-03-28 05:12

  本文关键词：钬掺杂氟碲酸盐玻璃及其光纤的制备与表征，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：作为一种新型的氧化物玻璃,氟碲酸盐玻璃不仅具有氧化物基质的大部分特性:优良的机械与化学稳定性、很低的激光损伤阈值,容易加工等优点;同时它还拥有氟化物玻璃的一些基本性质:声子能量非常低(650~700 cm-1)、红外截止波长比较长(6.1?m左右),中红外水分吸收系数很低(0.027 cm-1)等性能。以上这些优良的光学特性使得氟碲酸盐玻璃及其光纤在可见光-中红外光纤器件的发展方面有着非常大的潜力。本论文以玻璃组成成分78TeO2-12ZnO-10Na2O(mol%,TZN78)为基础,衍生出60TeO2-30Zn F2-10NaF(mol%,TZNF60)的氟碲酸盐玻璃配方。通过在玻璃中高掺杂Ho3+离子,最终在可见光到中红外区域获得了强烈的549 nm,660 nm,1.19?m,2.04?m以及2.85?m荧光。根据实验进行过程,把本论文的主要研究内容归纳如下:(1)通过传统熔融-淬火的方法,制备了Ho3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃样品(x H3Y-TZN78,其中x=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)。利用976 nm激光进行泵浦,能够观察到样品呈现出明亮的黄光,这是强烈绿光与红光的混合结果。经分析,发现红色上转换荧光强度是绿光强度的3倍之多,这主要是由于Yb-Ho之间发生了能量转移上转换的缘故。另外,经DSC测得TZN78玻璃热稳定性能很好(?T=156℃),这表明TZN78玻璃具有较强的抗析晶能力,易拉制成光纤。上述这些研究为碲酸盐玻璃在可见光激光器方面的应用提供了理论依据。(2)通过“综合物理与化学除水技术”,熔制出Ho3+离子掺杂的氟碲酸盐玻璃(x Ho-TZNF60,其中x=0.50,0.75,1.00,1.25,1.50)。由于玻璃组分的变化,碲酸盐玻璃的物理性能也随着发生了改变:折射率减小(n=1.8),拉曼峰值发生频移,热稳定性能轻微下降(?T=148℃)等。但是,引入的F-离子使得玻璃的红外透射范围拓宽,并且3?m附近的水分吸收几乎消失,这就为氟碲酸盐玻璃及其光纤在中红外波段的应用提供了保障。(3)利用1163 nm光学参量振荡器激发Ho-TZNF60玻璃样品,获得强烈的2.85?m(Ho3+:5I6→5I7)荧光:荧光半高宽为83 nm,受激发射面积为1.51×10-20 cm2,并且荧光寿命高达0.81ms。据我们所知,此荧光寿命在目前所报道的氧化物玻璃中是最大的,这是因为玻璃的近似无水特性以及较低的声子能量减少了荧光上能级的非辐射跃迁过程;此外,在Ho-TZNF60玻璃样品中还观察到2.04?m(Ho3+:5I7→5I8)发光。它的荧光半高宽约为149 nm,最大寿命值为10 ms,受激发射横截面积为7.2×10-21 cm2。同样,2.04?m的寿命在所有氧化物玻璃中也是最大的,因此TZNF60玻璃在2.04?m处具有非常大的品质因数值(FOM=7.13×10-27m2·s)。这些结果综合地验证了Ho-TZNF60玻璃在红外激光器与光纤放大器领域中所蕴含的巨大潜力。(4)采用534 nm与891 nm波长分别对Ho-TZNF60玻璃样品进行泵浦,获得了强烈的1.19μm(Ho3+:5I6→5I8)和1.36μm(Ho3+:(5S2,5F4)→5I5)的近红外荧光。由于玻璃的无水特性与较低的声子能量,TZNF60玻璃在1.19μm与1.36μm处的荧光寿命范围分别为:750~950μs与32~44μs。其中,1.36μm处的荧光寿命在许多氧化物玻璃中是无法探测到的。通过对玻璃在1.19μm处的增益特性分析发现,当粒子反转系数为0.6时,玻璃的理论增益系数高达0.51 dB/cm。这说明Ho-TZNF60玻璃能够在光纤通信,光纤传感等方面发挥很大的作用。(5)以TZNF玻璃为基质材料,利用“内铸法”、“高速旋转浇铸法”与“棒管法”制备了氟碲酸盐玻璃光纤。通过透射分析,发现氟碲酸盐玻璃光纤的红外截止波长从2.8μm(TZN78玻璃光纤)拓宽到4.2μm,这就进一步验证了F-离子所起到的作用。光纤透射截止波长红移对Ho3+离子在中红外区域的发光具有十分重要的意义。虽然氟碲酸盐玻璃光纤在1550 nm处的损耗高达1.9 dB/m,但它可以通过提高原材料的纯度与优化拉丝工艺来降低。利用自相位调制法测得TZNF玻璃光纤的非线性折射率n2=1.4(±0.2)×10-18 m2/W,非线性系数γ=20.9 W-1·km-1。如此高的非线性特性可使氟碲酸盐玻璃光纤能够应用在红外显示、全光开关,超连续光纤激光器等器件上。
【关键词】：氟碲酸盐玻璃 中红外发光 荧光寿命 非线性效应 光纤激光器
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ171.1;TN253
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 稀土离子掺杂的光纤激光器14-15
• 1.2 可见光激光离子及其应用15-16
• 1.3 中红外激光离子及其应用16-19
• 1.4 中红外光纤材料19-22
• 1.5 Ho~(3+)离子掺杂的碲酸盐玻璃22-24
• 1.5.1 Ho~(3+)发光在中红外区的应用22
• 1.5.2 中红外碲酸盐玻璃的发展现状22-24
• 1.6 低水分碲酸盐玻璃及其光纤的研究24-26
• 1.6.1 水分吸收对氧化物玻璃的影响24-25
• 1.6.2 低水分碲酸盐玻璃及其光纤的制备25-26
• 1.7 本论文主要研究的内容26-28
• 第二章 理论基础28-42
• 2.1 光纤的导光机理28-30
• 2.2 能级跃迁理论30-35
• 2.2.1 稀土元素的能级结构30-31
• 2.2.2 光与稀土离子之间的相互作用31-32
• 2.2.3 稀土离子之间的相互作用32-35
• 2.3 碲酸盐玻璃基质35-37
• 2.3.1 玻璃成型机理35-36
• 2.3.2 碲酸盐玻璃的内部结构36-37
• 2.4 Judd-Ofelt理论37-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第三章 Ho~(3+)掺杂（氟）碲酸盐玻璃的制备与测试42-54
• 3.1 Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺碲酸盐玻璃的制备42-45
• 3.1.1 组分的探索与优化43
• 3.1.2 玻璃熔制温度的确定43-44
• 3.1.3 红光激光玻璃的制备44-45
• 3.2 Ho~(3+)掺杂氟碲酸盐玻璃的制备45-48
• 3.2.1 氟碲酸盐玻璃的除水工艺46-47
• 3.2.2 玻璃组分的探索47
• 3.2.3 玻璃熔制温度的确定47-48
• 3.2.4 中红外激光玻璃的制备48
• 3.3 样品的测试48-52
• 3.3.1 折射率测试48-49
• 3.3.2 FTIR测试49
• 3.3.3 DSC测试49-50
• 3.3.4 拉曼测试50
• 3.3.5 吸收光谱测试50
• 3.3.6 发射光谱测试50-51
• 3.3.7 荧光寿命测试51-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺碲酸盐玻璃的上转换发光54-62
• 4.1 TZN玻璃的物理特性与热特性54-56
• 4.1.1 折射率分析54-55
• 4.1.2 DSC分析55-56
• 4.2 TZN玻璃的光谱特性56-60
• 4.2.1 吸收特性56-57
• 4.2.2 发射特性57-60
• 4.3 本章小结60-62
• 第五章 Ho~(3+)掺杂氟碲酸盐玻璃的红外发光62-86
• 5.1 TZNF玻璃的物理特性62-67
• 5.1.1 拉曼分析63-64
• 5.1.2 折射率分析64
• 5.1.3 DSC分析64-65
• 5.1.4 FTIR分析65-67
• 5.2 Ho~(3+)-TZNF玻璃的光谱特性67-84
• 5.2.1 吸收特性67-70
• 5.2.2 2.9 mm的光谱特性70-75
• 5.2.3 2.0 mm的光谱特性75-78
• 5.2.4 1.2 mm的光谱特性78-84
• 5.3 本章小结84-86
• 第六章 氟碲酸盐玻璃光纤的制备及其性能研究86-100
• 6.1 氟碲酸盐玻璃光纤简介86-87
• 6.2 玻璃光纤预制棒的制备87-90
• 6.3 玻璃光纤的拉制90-93
• 6.4 玻璃光纤的性能测试93-98
• 6.4.1 透过测试93-94
• 6.4.2 损耗测试94-95
• 6.4.3 非线性测试95-98
• 6.5 本章小结98-100
• 第七章 总结和展望100-104
• 7.1 本论文工作总结100-102
• 7.2 未来研究展望102-104
• 参考文献104-116
• 作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果116-118

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