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掺Yb～（3+）激光玻璃的组成—结构—性能相关性研究

2020-11-23阅读(1072)

掺Yb～（3+）激光玻璃的组成—结构—性能相关性研究

论文摘要

二极管泵浦固体激光器是近年来国际上发展最快的新型激光器，而作为工作物质的激光材料是研究重点之一。Yb3+离子因电子构型简单、理论上不存在交叉驰豫和激发态吸收、吸收峰位于970nm附近能与InGaAs二极管泵浦波长（900～1100nm）有效耦合，非常适合于用作大功率固体激光器的激活粒子。掺Yb3+激光玻璃因制备工艺简单、容易形成大尺寸以及可通过调整玻璃组成来优化材料的性能等特点，而成为激光工作介质材料领域的重要发展方向，在现代工业、医学、科学研究和国防军工等各个方面都有着重要应用。由于磷酸盐玻璃具有发射截面大和荧光寿命长等优点，一直以来，磷酸盐系统都是掺Yb3+激光玻璃的首选基质材料，但磷酸盐玻璃的结构单元[PO4]四面体中含有一个P=O双键，致使磷酸盐玻璃呈层状或链状结构，这种特殊的结构决定了其热-力学性能较差，限制了它在各方面的应用。本文以掺Yb3+磷酸盐、氟磷酸盐和硼磷酸盐三大体系激光玻璃材料为研究对象，采用传统熔融冷却方法制备了三大体系的激光玻璃材料，利用IR、Raman、X-ray衍射分析、吸收和发射光谱等手段系统研究了三大体系激光玻璃的组成-结构-性能三者之间的相关性，探索了Al2O3、B2O3、ZnO和氟化物等组分对激光玻璃结构和性能的影响，发现了碱金属和碱土金属离子与掺Yb3+激光玻璃热-力学性能和光谱性能之间的变化规律，提出了B2O3-P2O5-ZnO系统玻璃的定量结构模型，综合比较了三大类激光玻璃材料理化性能的差异，获得了综合理化性能与QX／Yb和FP可比的新型激光玻璃材料。主要研究结果如下：1)在P2O5-Al2O3-（Nb2O5+La2O3+B2O3）-K2O-BaO-Yb2O3系统磷酸盐玻璃中，引入Al2O3有助于改善玻璃热-力学性能，Al2O3的含量为7mol％时，玻璃有最好的热-力学性能。随Al2O3含量从7mol％到13mol％，非线性折射率n2逐渐降低，而增益系数σemi·τm逐渐增大。2)在P2O5-Al2O3-（Nb2O5+La2O3+B2O3）-R2O／MO-Yb2O3（R为Li、Na和K，而M为Mg、Ca、Sr、Ba和Zn）系统玻璃中，随阳离子的场强Z／r2增大，玻璃的热-力学性能按K+＜Na+＜Li+和Ba2+＜Sr2＜Ca2+＜Zn2+＜Mg2+的顺序变好，玻璃的光谱性能则随阳离子场强Z／r2的增大而变差，而场强Z／r2较小的K2O和BaO玻璃表现出最好的光谱和激光性能。3)在多系统氟磷酸盐玻璃中，随氟化物（LiF和CaF2）取代修饰体氧化物（Li2O和BaO），玻璃的热-力学性能逐渐改善，非线性折射率n2、积分吸收截面∑abs、发射截面σemi和增益系数σemi·τm逐渐增大；碱金属或碱土金属氟化物种类和含量对玻璃的性能也有影响，氟化物阳离子场强Z／r2较大的玻璃具有较好的热-力学性能，与低含量氟化物玻璃相比，氟化物含量较高时的积分吸收截面∑abs和发射截面σemi都明显增大，但氟化物种类对光谱性质的影响不大。4)在P2O5-B2O3-（Nb2O5+Al2O3）-（K2O+BaO）-Yb2O3系统玻璃中，当B／（B+P）值超过0.33时将会失透。而在B2O3-P2O5-ZnO系统玻璃中，由于Zn2+在硼磷酸盐玻璃中特殊的配位结构，玻璃的形成范围大大增加，B／（B+P）值超过0.4时仍未失透。另外，由xB2O3-（60-x）P2O5-40ZnO（x=5，10，15，20和25mol％）系统玻璃的定量结构模型可知，当x≤20mol％时，由于B2O3中的B3+优先形成[BO4]，使玻璃的三维网络结构得到加强，ZnO充当网络修饰体进入网络空隙，对玻璃网络结构有断网作用：当x＞20mol％时，由于带负电荷的[BO4]之间不能直接相连，过量的B3+以[BO3]三角体形式存在，而Zn2+以[ZnO6]八面体形式填充在网络间隙。5)在硼磷酸盐玻璃中，由于P-O-B（4）键的形成，大大提高了玻璃的热-力学性能，甚至与硅酸盐玻璃的相当。由于硼磷酸盐玻璃中存在多种结构单元（如[BO3]、[BO4]和[PO4]等），Yb3+离子周围配位场变得复杂，在xB2O3-（60-x）P2O5-40ZNO玻璃中，随X值增大，积分吸收截面∑abs逐渐增大，但发射截面σemi在x=15mol％时有极大值0.816pm2，因此这时玻璃具有最大的增益系数σemi·τm。6)通过对三个系统激光玻璃性能的比较，按磷酸盐＜氟磷酸盐＜硼磷酸盐顺序，玻璃的热-力学性能逐渐改善，非线性折射率n2按磷酸盐＞氟磷酸盐＞硼磷酸盐的顺序降低，三种玻璃中氟磷酸盐玻璃具有最大的积分吸收截面∑abs、发射截面σemi和增益系数σemi·τm。与国外的QX／Yb和FP激光玻璃相比，氟磷酸盐玻璃Ⅲ-2样品和硼磷盐玻璃BPZ3样品的综合性能优于FP玻璃的，与QX／Yb玻璃相近，有望用于二极管抽运固体激光器的工作介质。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 文献综述
  • 1.1 激光原理
  • 1.1.1 激光的产生
  • 1.1.2 激光的放大
  • 1.2 激光器与工作物质
  • 1.2.1 激光器
  • 1.2.2 工作物质
  • 3+激光玻璃的研究现状与应用'>1.3 掺Yb3+激光玻璃的研究现状与应用
  • 3+激光玻璃的光谱性质'>1.3.1 掺Yb3+激光玻璃的光谱性质
  • 3+激光玻璃的研究现状'>1.3.2 掺Yb3+激光玻璃的研究现状
  • 1.3.3 激光玻璃的应用
  • 1.4 本文研究思路
  • 第二章 实验过程
  • 3+激光玻璃系统选择与组成'>2.1 掺Yb3+激光玻璃系统选择与组成
  • 2.1.1 磷酸盐系统激光玻璃组成
  • 2.1.2 氟磷酸盐系统激光玻璃组成
  • 2.1.3 硼磷酸盐系统激光玻璃组成
  • 2.2 样品制备
  • 2.3 性能测试
  • 2.3.1 密度测量
  • 2.3.2 折射率测量
  • 2.3.3 力学性能测量
  • 2.3.4 热膨胀系数测量
  • 2.3.5 玻璃结构测试
  • 2.3.6 光谱性质测试
  • 3+磷酸盐激光玻璃结构和性能研究'>第三章 掺Yb3+磷酸盐激光玻璃结构和性能研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 组成对玻璃结构的影响
  • 2O3含量对玻璃结构的影响'>3.2.1 Al2O3含量对玻璃结构的影响
  • 3.2.2 修饰体氧化物对玻璃结构的影响
  • 2的引入对玻璃结构的影响'>3.2.3 ZrO2的引入对玻璃结构的影响
  • 3.3 组成对玻璃物理性能的影响
  • 3.3.1 密度
  • 3.3.2 折射率
  • 3.3.3 非线性折射率
  • 3.4 组成对玻璃热-力学性能的影响
  • 2O3含量对玻璃热-力学性能的影响'>3.4.1 Al2O3含量对玻璃热-力学性能的影响
  • 3.4.2 碱金属氧化物对玻璃热-力学性能的影响
  • 3.4.3 二价金属氧化物对玻璃热-力学性能的影响
  • 3.5 组成对玻璃光谱和激光性能的影响
  • 2O3含量对光谱和激光性能的影响'>3.5.1 Al2O3含量对光谱和激光性能的影响
  • 3.5.2 碱金属氧化物对光谱和激光性能的影响
  • 3.5.3 二价金属氧化物对光谱和激光性能的影响
  • 3.6 本章小结
  • 3+氟磷酸盐激光玻璃结构和性能研究'>第四章 掺Yb3+氟磷酸盐激光玻璃结构和性能研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 组成对氟磷酸盐玻璃挥发的影响
  • 4.3 组成对氟磷酸盐玻璃结构的影响
  • 4.3.1 X-ray衍射分析
  • 4.3.2 IR和Raman光谱分析
  • 4.4 组成对玻璃物理性能的影响
  • 4.4.1 密度
  • 4.4.2 折射率
  • 4.4.3 非线性折射率
  • 4.5 组成对玻璃热-力学性能的影响
  • 4.5.1 低含量氟化物对玻璃热-力学性能的影响
  • 4.5.2 高含量氟化物对玻璃热-力学性能的影响
  • 4.6 组成对玻璃光谱和激光性能的影响
  • 4.6.1 低含量氟化物对光谱和激光性能的影响
  • 4.6.2 高含量氟化物对光谱和激光性能的影响
  • 4.7 本章小结
  • 3+硼磷酸盐激光玻璃结构和性能研究'>第五章 掺Yb3+硼磷酸盐激光玻璃结构和性能研究
  • 5.1 引言
  • 5.2 组成对氟磷酸盐玻璃结构的影响
  • 2O3和P2O5在硼磷酸盐玻璃的作用'>5.2.1 B2O3和P2O5在硼磷酸盐玻璃的作用
  • 5.2.2 多组分硼磷酸盐玻璃结构分析
  • 2O5-B2O3-ZnO系统硼磷酸盐玻璃结构分析'>5.2.3 P2O5-B2O3-ZnO系统硼磷酸盐玻璃结构分析
  • 5.3 组成对玻璃物理性能的影响
  • 5.3.1 密度
  • 5.3.2 折射率
  • 5.3.3 非线性折射率
  • 5.4 组成对玻璃热-力学性能的影响
  • 5.4.1 B/（B+P）值对多组分硼磷酸盐玻璃热-力学性能的影响
  • 2O5-B2O3-ZnO系统玻璃热-力学性能的影响'>5.4.2 B/（B+P）值对P2O5-B2O3-ZnO系统玻璃热-力学性能的影响
  • 5.5 组成对玻璃光谱和激光性能的影响
  • 5.5.1 吸收和发射截面
  • 5.5.2 荧光寿命
  • 5.5.3 激光性能参数
  • 5.6 本章小结
  • 3+激光玻璃综合性能评价'>第六章 各系统掺Yb3+激光玻璃综合性能评价
  • 6.1 引言
  • 3+激光玻璃性能比较'>6.2 各系统掺Yb3+激光玻璃性能比较
  • 6.2.1 非线性折射率
  • 6.2.2 热-力学性能
  • 6.2.3 光谱性能
  • 6.2.4 激光性能参数
  • 6.2.5 各商业化激光玻璃综合性能评价
  • 6.3 本章小结
  • 第七章 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 攻读学位期间主要的研究成果

    • 相关论文文献

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