低磷含量硅酸盐玻璃的结构和分相及铒离子光谱研究

来源 :中国科学院研究生院 中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:suibiannicheng
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本论文主要讨论了为寻求磷硅酸盐玻璃基体在高能量、高重复频率激光工作介质上的应用所做的一些基础性研究工作。研究的重点是寻找含磷硅酸盐玻璃中具有研究价值的组份体系,讨论该体系的基础结构性质,物化性质,并通过Er3+/Yb3+离子掺杂研究该体系的光谱性质。   论文的第一章是与本论文研究相关的文献综述。首先简要叙述了激光玻璃基质在激光武器和惯性约束点火装置中应用的研究历程,引出本研究的大背景和潜在意义。然后,重点对玻璃分相的定义、基于热力学的玻璃分相机理、磷硅酸盐玻璃的分相问题、掺铒激光玻璃光谱性质等研究进行较为详尽的总结。在文献综述的基础上,结合国内外研究的进展和方向,提出本论文的研究方向。   论文第二章介绍了本研究的实验方法和性质测试的基础理论,主要包括玻璃样品的制备,各种结构、光谱测试手段,以及光谱计算理论等基本内容。   论文的第三章对Na2O-Al2O3-P2O5-SiO2体系,在P2O5<SiO2(mol%)组份区域内的成玻性能进行较为系统的研究。基于已有的最高熔制温度为1500℃下Na2O-P2O5-SiO2三元体系的玻璃形成区,将玻璃熔制温度提高到1590℃,依据4组不同组份的样品熔制结果,修正了Na2O-P2O5-SiO2三元体系玻璃形成区。该形成区为利用熔融法制备含磷硅酸盐玻璃组份的选取提供参考。本文的研究组份体系即是基于此玻璃形成区选取得到的。   论文的第四章是本文的核心部分。详细讨论了少量P2O5引入之后对硅酸盐玻璃内部结构的影响。研究主要利用拉曼光谱和IR吸收光谱作为玻璃结构表征方法。结论是磷以类似于偏磷酸根([PO2O2/2]-)结构引入后转化为聚合度更低的磷酸盐单体([PO4]-3)和磷酸盐二聚体([PO3O1/2]-2),并从硅网络中得到Na+离子和非桥氧原子。磷酸盐结构在玻璃基体中孤立存在,并没有与硅酸盐网络融合,因而在样品中形成了成分的偏聚(富磷区域和富硅区域)。硅酸盐网络因为失去了非桥氧原子,网络聚合度增加。   论文的第五章讨论了该体系玻璃的自发分相和析晶。在磷硅酸盐内部结构讨论的基础上,依据低P2O5含量(<5mol%)玻璃样品完全玻璃相的事实,将玻璃中存在的成分偏聚归类于玻璃分相,并认为这种玻璃分相源自于玻璃熔体阶段形成的两个互不相溶的液相。稀HCl腐蚀后的玻璃样品的SEM照片证明了分相的存在。通过对富磷液滴相形貌的观察,结合分相的自发性,认为本体系的玻璃分相属于形核-长大机理的玻璃分相。当P2O5含量进一步增加,体系出现自发析晶现象。析出的晶相一定程度上依赖于第二相的化学组份。   论文的第六章对本磷硅酸盐玻璃体系进行Er3+、Er3+/Yb3+掺杂后,讨论其光谱性质。J-O强度参数Ω2,4,6的变化规律符合第五章中关于玻璃内部结构讨论得出的结论。在未析晶玻璃样品中,P2O5的引入使稀土离子周围环境的无序度增加,导致其荧光光谱有一定程度的非均匀展宽。P2O5引入硅酸盐玻璃基体后,与稀土离子耦合的声子模式能量降低,电声子耦合系数减小,导致体系源于多声子弛豫的无辐射跃迁几率减小,使4I13/2能级寿命增加。同时结合速率方程的推导,4I13/2到基态的荧光强度也相应增加;而在析晶玻璃样品中,部分稀土离子掺入晶相,导致稀土离子环境对称性增加,使4I13/2能级的寿命增长和对应于4I13/2→4I15/2辐射跃迁的荧光强度增强。而退火热处理时间的增加导致掺入晶相中稀土离子数量的增加,使对应样品的1.54μm荧光强度和寿命增大。   最后一章简要总结了本研究得到的相关结论,以及对将来的深入研究提供的可能的指导作用。结论部分还简要涉及本论文的创新点。详细指出了本文存在的不足和需要改进之处,以及下一步深入研究可以开展的研究方向。
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