铒、镱共掺硼硅酸盐玻璃的光致荧光及增益特性研究

论文摘要

掺Er玻璃是目前激光材料领域的研究热点之一，Er3+在1.53μm处的发光对应于石英光纤的最低损耗窗口，并且发光波长受外界条件影响很小，这些独特光学特性使掺Er玻璃在光纤通讯和光电集成领域有着广阔的应用前景。为了满足集成光子器件的小型化、集约化、高效化的方向趋势，人们对掺Er材料的光学特性提出了更高要求。由于Yb3+对Er3+具有弥散和敏化作用，Er／Yb共掺被人为是提高Er3+荧光特性的最佳方法，因而Er／Yb共掺体系成为人们的研究热点。本文采用固相反应方法，制备了一系列Er2O3浓度固定为0.5 mol％，Yb2O3浓度范围为0.0mol-5.5 mol％的Er／Yb共掺硼硅酸盐玻璃，并对所制备的玻璃样品进行了系统的光学特性测量、理论分析和数值模拟：为了研究Yb3+掺杂对Er3+的敏化作用，我们测量了玻璃样品的吸收光谱。同时，计算了玻璃样品中Er3+的吸收截面，探讨了Yb3+掺杂浓度对Er3+的吸收截面的影响。在吸收光谱的基础上，我们利用Judd-Ofelt理论对Er3+在硼硅酸盐中的Judd-Ofelt强度系数、自发辐射弛豫率和自发辐射寿命等参数进行了计算，并分析了Yb3+掺杂对Er3+配位场的影响。为了研究Er／Yb共掺体系的荧光特性，我们测量了玻璃样品的光致荧光光谱，讨论了Yb3+掺杂浓度对光致荧光强度的影响和对光谱的的展宽作用。为了高掺Yb3+浓度下Er3+荧光强度饱和的原因，我们根据Inokuti-Hirayama交换机制，定量分析了Er3+-Yb3+之间的能量传递；测量了样品的上转换荧光，分析了上转换过程及其对光致荧光强度饱和的贡献；通过荧光强度和荧光量子效率计算了能级的粒子数。测量了玻璃样品中Er3+-4I13／2能级的荧光寿命，分析了Yb2O3浓度对Er3+-4I13／2能级的荧光寿命的的影响。基于试验测量获得的Er3+、Yb3+离子数密度、吸收截面、发射截面、能级寿命等数据，我们建立了Er／Yb共掺体系粒子速率模型和波导传输模型，对横截面为矩形的光波导放大器进行了模拟，探讨了Yb3+掺杂浓度、泵浦光功率、波导长度及波导损耗对Er／Yb共掺光波导放大器增益特性的影响。

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
• 1.4 EDWA的制备工艺及研究现状
• 1.5 掺Er玻璃的研究现状
• 1.6 本文的主要工作与结构安排
• 2 稀土离子光谱理论
• 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
• 2.3 稀土离子间的相互作用
• 2.3.1 能量转递
• 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 浓度猝灭效应
• 2.4 Judd-Ofelt理论在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 自发辐射的弛豫率和能级寿命
• 2.4.3 Judd-Ofelt强度系数
• 2.5 McCumber理论
• 2.6 光谱展宽
• 2.7 玻璃基质中的稀土离子发光
• 3 Er/Yb共掺硼硅酸盐玻璃的合成和光谱特性测量
• 3.1 Er/Yb共掺硼硅酸盐玻璃的制备
• 3.2 Er/Yb共掺玻璃的光学特性测量
• 3.2.1 光致荧光的测量
• 3.2.2 荧光寿命的测量
• 3.2.3 用布儒斯特角方法测量折射率
• 4 Er/Yb共掺硼硅酸盐的光学特性
• 3+、Er³⁺之间的能量传递'>4.1 Yb³⁺、Er³⁺之间的能量传递
• 3+掺杂对吸收光谱的影响'>4.2 Yb³⁺掺杂对吸收光谱的影响
• 3+掺杂对Er³⁺光致荧光特性的影响'>4.3 Yb³⁺掺杂对Er³⁺光致荧光特性的影响
• 3+掺杂对合作上转换荧光的影响'>4.4 Yb³⁺掺杂对合作上转换荧光的影响
• 4.5 荧光寿命
• 4.6 光谱参数计算
• 4.6.1 Judd-Ofelt强度系数
• 4.6.2 自发辐射驰豫率和自发辐射寿命
• 3+-Er³⁺之间能量转移率'>4.7 Yb³⁺-Er³⁺之间能量转移率
• 3+掺杂对Er³⁺-⁴I_13/2能级非辐射跃迁和量子效率的影响'>4.8 Yb³⁺掺杂对Er³⁺-⁴I_13/2能级非辐射跃迁和量子效率的影响
• 4.9 小结
• 5 Er/Yb共掺光波导放大器增益特性的理论分析
• 5.1 Er/Yb共掺体系的粒子速率模型
• 5.2 Er/Yb共掺光波导的传输模型
• 5.3 计算参数的选择
• 5.4 波导设计因素对Er/Yb共掺光波导放大器增益特性的影响
• 3+浓度对增益特性的影响'>5.4.1 Yb³⁺浓度对增益特性的影响
• 5.4.2 泵浦光功率对增益特性的影响
• 5.4.3 波导长度对增益特性的影响
• 5.4.4 波导光损耗对增益特性的影响
• 5.5 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢