铒、镱掺杂硼硅酸盐玻璃的光学特性

论文摘要

掺Er玻璃是目前激光材料领域中的研究热点之一,其在1.53μm处的发光对光纤通信领域内的光放大应用具有重要意义。目前,随着器件小型化的发展趋势,一方面,对玻璃中的掺Er浓度提出了更高的要求;另一方面,由于Yb3+离子卓越的敏化性能,对Er/Yb共掺玻璃的研究也越来越深入。因此,研究不同体系玻璃中Er单掺、Er/Yb共掺系统的光学特性对推动Er掺杂激光器、放大器材料的发展具有非常重要的应用价值。 本文采用固相反应方法,制备了不同掺杂浓度的掺Er、掺Yb和Er/Yb共掺硼硅酸盐激光玻璃及氟化物玻璃陶瓷。通过对吸收光谱、光致荧光光谱以及荧光寿命的测量,计算了掺杂离子在硼硅酸盐中的吸收截面和发射截面,分析了浓度淬灭、能量合作上转换等因素对光致荧光特性的影响。并利用Judd-Ofelt理论对Er离子在硼硅酸盐中的Judd-Ofelt系数、自发辐射寿命等参数进行了计算,并与实测得到的荧光寿命进行了对比。 对于Er单掺硼硅酸盐玻璃,本文系统的比较了掺Er浓度对Er离子荧光寿命的影响,给出了掺Er浓度和Er3+离子能级寿命对荧光强度的影响,观察到了掺Er浓度的提高对荧光光谱的展宽作用,并对Er3+离子自吸收对光致荧光峰形和强度的影响进行了测量和估算。我们还在吸收光谱的基础上,计算了Er3+的吸收截面和发射截面,能级的自发辐射寿命等参数,并给出了不同掺杂浓度下Er3+的光致荧光效率。为了探讨掺Y对高浓度Er3+离子在硼硅酸盐玻璃中分布的弥散作用,我们还研究了掺Y对Er3+荧光寿命的影响。此外,为了讨论基质的声子能量对Er3+离子荧光特性的影响,我们还对掺Er氟化物玻璃陶瓷的上转换荧光进行了分析,并给出了各波长上转换荧光的能级跃迁过程。 为了研究Yb3+离子在硼硅酸盐中的荧光特性,向Er/Yb共掺激光玻璃的研制提供Yb3+的相关数据,我们制备了不同掺杂浓度的掺Yb硼硅酸盐,给出了硼硅酸盐玻璃中的Yb3+离子的吸收截面和受激发射截面以及能级寿命等基本参数,并研究了Yb3+离子团簇的上转换荧光发射。 对于Er/Yb共掺硼硅酸盐玻璃光学特性的研究,我们在吸收光谱的基础上,利用Judd-Ofelt理论对Er3+的光谱参数的进行了计算,将Er3+离子4I)（13/2）能级的荧光寿命与自发辐射寿命受掺Yb浓度的影响进行了比较。并在对Er3+离子上转换荧光研究的基础上,系统地研究了Yb掺杂浓度对Er3+离子光致荧光的影响。同时,我们还对掺入Yb对Er3+的光谱展宽作用进行了讨论。 通过上述的实验和测量,我们获得了包括Er3+、Yb3+离子数密度、吸收截面、发射

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 光纤通信与光放大器
• 1.2 掺铒光纤放大器
• 1.3 掺铒光波导放大器
• 1.3.1 EDWA的制备
• 1.3.2 影响EDWA性能的基本因素
• 1.4 掺Er玻璃材料
• 1.4.1 掺Er玻璃的研究意义
• 1.4.2 掺Er玻璃的研究现状
• 1.5 本课题的意义及研究思路
• 1.6 本文的内容简介
• 2 稀土离子光谱及光学特性测量
• 2.1 稀土元素简介
• 2.1.1 铒的性质及应用
• 2.1.2 镱的性质及应用
• 2.2 稀土激光基础
• 2.2.1 吸收与发射
• 2.2.2 光的增益
• 2.2.3 粒子数反转的实现
• 2.3 稀土离子间相互作用
• 2.3.1 能量传递
• 2.3.2 交叉弛豫
• 2.3.3 多声子弛豫
• 2.3.4 合作上转换
• 2.3.5 浓度淬灭
• 2.4 Judd-Ofelt理论稀土离子光谱参数计算中的应用
• 2.4.1 跃迁振子强度
• 2.4.2 能级弛豫率和自发辐射寿命
• 2.4.3 Judd-Ofelt强度系数
• 2.5 吸收截面和发射截面
• 2.5.1 Fuchtbauer-Ladenburg公式
• 2.5.2 McCumber理论
• 2.6 光谱展宽
• 2.7 玻璃基质中的稀土离子发光
• 2.8 各种稀土掺杂玻璃的光学特性
• 2.9 实验与测量
• 2.9.1 光致荧光的测量
• 2.9.2 荧光寿命的测量
• 2.9.3 Browster角法测量折射率
• 3 掺Er硼硅酸盐玻璃的合成及光学特性
• 3.1 掺Er硼硅酸盐玻璃的制备
• 3.2 吸收光谱和光致荧光
• 3.2.1 吸收光谱
• 3.2.2 吸收截面和发射截面
• 3.2.3 发射光谱
• 3+离子浓度对荧光寿命的影响'>3.3 Er³⁺离子浓度对荧光寿命的影响
• 3.4 光谱参数计算
• 3.4.1 Judd-Ofelt强度系数
• 3.4.2 自发辐射弛豫率和能级寿命
• 3.5 自吸收对荧光光谱的影响
• 3.6 掺Er氟化物陶瓷玻璃的上转换荧光
• 3.6.1 掺Er氟化物陶瓷玻璃的制备
• 3.6.2 上转换荧光光谱
• 3.7 掺Er系统的粒子速率模型
• 3.7.1 粒子速率模型
• 3.7.2 参数的选择
• 3.7.3 掺Er玻璃的光致荧光计算
• 3.8 小结
• 3+的弥散及掺Yb硼硅酸盐玻璃的光学特性'>4 Y对Er³⁺的弥散及掺Yb硼硅酸盐玻璃的光学特性
• 3+离子的弥散作用'>4.1 掺Y对Er³⁺离子的弥散作用
• 4.1.1 荧光光谱宽度与自发辐射寿命
• 4I_13／2能级的荧光寿命'>4.1.2 Er-⁴I_13／2能级的荧光寿命
• 4.2 掺Yb硼硅酸盐玻璃的光学特性
• 4.2.1 掺Yb硼硅酸盐玻璃制备
• 4.2.2 吸收光谱和荧光光谱
• 4.2.3 吸收和发射截面
• 4.2.4 自发辐射寿命
• 3+离子的团簇上转换'>4.2.5 Yb³⁺离子的团簇上转换
• 4.3 小结
• 5 Er／Yb共掺硅酸盐玻璃的光致发光
• 3+、Er³⁺离子之间的能量传递'>5.1 Yb³⁺、Er³⁺离子之间的能量传递
• 5.2 Er／Yb共掺玻璃样品的制备
• 5.3 光谱分析
• 5.3.1 Yb掺杂对吸收光谱的影响
• 3+光致荧光光谱的影响'>5.3.2 掺Yb对Er³⁺光致荧光光谱的影响
• 3+离子上转换荧光的影响'>5.3.3 掺Yb对Er³⁺离子上转换荧光的影响
• 5.4 寿命测量
• 5.5 光谱参数计算
• 5.5.1 Judd-Ofelt强度系数
• 5.5.2 自发辐射弛豫率和能级寿命
• 3+-Er³⁺之间的能量转移率'>5.6 Yb³⁺-Er³⁺之间的能量转移率
• 5.7 Er／Yb共掺体系的粒子速率模型
• 5.7.1 粒子速率模型
• 5.7.2 参数的选择
• 5.7.3 Er／Yb共掺玻璃光致荧光的计算
• 5.8 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书