铒镱共掺磷酸盐玻璃与玻璃陶瓷光谱性质的研究

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1.5微米激光由于在激光测距、激光医疗、全光通讯等领域的巨大作用受到人们的广泛重视。激光二极管(LD)泵浦铒镱共掺固体激光器由于体积小、结构简单、效率高、光束质量好等许多优点成为获得高质量1.5微米激光的首选。而磷酸盐玻璃由于具有对稀土离子溶性高、Yb3+ -Er3+能量传递效率高、声子能量大、单位长度增益大等优点而被认为是一种理想的1.5微米固体激光器增益介质。但是磷酸盐玻璃也存在着导热性与机械性方面的缺点,影响了其实际应用。稀土掺杂透明玻璃陶瓷能够把磷酸盐的优点和玻璃陶瓷机械性、导热性好等优点结合起来,最近几年成为人们的研究热点。本文主要围绕铒镱共掺磷酸盐玻璃和玻璃陶瓷的光谱性质展开研究。第一章我们主要介绍1.5微米激光的研究意义和发展,以及最近几年Er3+掺杂透明玻璃陶瓷的研究现状,第二章我们主要综述了光谱研究所常用的一些实验和理论研究方法。其次我们分三个方面详细研究了铒镱共掺磷酸盐玻璃的发光性质,这三个方面分别是:铒镱共掺磷酸盐玻璃的发光机理、铒镱掺杂浓度对发光的影响、温度变化对发光的影响。我们利用高温熔融法制备了具有很高发射截面的P-Ca-Na玻璃,铒离子近红外828nm发光存在三光子现象,它归因于Er3+离子4S3/2(2H11/2)能级向4I13/2能级的跃迁,该跃迁减少了上转换带来的能量损失,增加了1.5微米激光发射上能级的布居数。对离子掺杂浓度的研究表明,磷酸盐中Er3+离子掺杂浓度较高时,存在荧光捕获现象,而且荧光捕获导致光谱加宽,使得这种玻璃在光纤放大器上有潜在应用价值。而Yb3+离子浓度的增加会提高Er3+的发射强度,但是对于材料制备是一个挑战。实验还发现,铒镱共掺磷酸盐样品的发光强度随温度升高而降低(520nm绿光波段除外),通过对无辐射跃迁几率的详细分析,我们发现由于无辐射跃迁几率的变化所导致的发光下降幅度不会那么大,所以发光下降肯定还有其他原因,我们分析这是由于温度升高时Yb3+离子的吸收截面减小所致,但是这个原因有待于进一步证实。接下来我们从理论上和实验上详细比较了铒镱共掺磷酸盐玻璃和玻璃陶瓷的发光性质变化。首先在理论上我们借助于速率方程所得到的解析解,定性分析了玻璃转变为玻璃陶瓷之后的发光性能变化。之后我们在实验中制备了P-Ca-Na和P-Li-Ca-Ti-K两种体系的玻璃和玻璃陶瓷,XRD谱显示热处理后玻璃内部形成了一定的纳米结构。对二者的发光光谱进行比较发现,玻璃陶瓷的光谱(特别是红外波段)产生了很明显的劈裂,这显示稀土离子耦合进了纳米晶中。玻璃转变为玻璃陶瓷之后,上转换发光强度有了很大的增强,但是近红外1.5μm波段却没有增强,反而却有微小的减弱,这些结果和我们的定性分析完全一致。铒镱共掺磷酸盐玻璃陶瓷由于在1.5μm波段劈裂为多个发光峰,因而在制备可调谐激光器方面有一定的应用潜力。最后,我们做了总结和展望。
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