论文摘要
近几十年来,由于～2μm波段光纤激光器在军事、遥感等诸多方面的应用而受到人们的高度关注。Tm3+和Ho3+是发射～2μm波长激光的较佳稀土离子。由于Tm3+离子的交叉弛豫效应以及Tm3+与Ho3+离子间的能量传递过程,当Tm3+单掺杂以及Tm3+/Ho3+双掺杂材料在受到～800nm等光的激发下可望获得～200%的理论量子效率,因此引起了各国学者的高度关注。目前,Tm3+/Ho3+双掺的光纤激光器,已在～2μm波段获得了百瓦级的输出功率。但是以Tm3+与Ho3+为基础的激光材料与器件在其光学与光谱参数以及激光的输出效率、激光阈值等性能方面仍可以有进一步优化和提高,并最终获得廉价与实用化的激光器件而应用于工农业生产中。本课题旨在探索与研究一种具有较好光谱参数、良好物化性能、对稀土离子Tm3+和Ho3+具有较高溶解性的特种玻璃材料,并以此为基础制备成能实用化的光纤材料。锗酸盐玻璃具有较低的声子能量,物化性能好以及高掺杂性能等众多优势,本文集中于该玻璃系统的研究工作。研究内容主要包括:1)特种锗酸盐玻璃化学组分对Tm3+和Ho3+的光学与光谱性能的影响规律;2)系统玻璃的热稳定性研究; 3) Tm3+和Ho3+稀土离子在特种锗酸盐玻璃基质中的溶解性;4)稀土掺杂浓度对其中红外光谱性能的影响以及作用机理;5)特种锗酸盐预制棒的制备与光纤的拉制等工作。本文第一章详细地介绍了光纤通信及光纤激光器的特点和发展现状,概括了锗酸盐玻璃的一些特点,并叙述了稀土离子的发光、吸收、荧光等光谱的原理,以及J-O理论等基础理论。论文第二章详细介绍了高温熔融法制备了Tm3+掺杂GeO2-AlF3-Na2O的玻璃的熔制过程及方法,测定了玻璃样品的差热曲线,利用J-O理论,计算获得了Tm3+离子的强度参数（O2,O4,O6）,以及Tm3+的各能级的荧光分支比、自发辐射跃迁几率以及辐射寿命等参数。根据McCumber理论,计算了Tm3+离子能级3H6? ? 3F4（1.8μm）跃迁的吸收和发射截面。在808nm波长的激发下,研究了不同Tm3+掺杂浓度下玻璃在1.47μm与1.8μm处的荧光特性,结果表明,当Tm2O3掺杂浓度为3wt%时,1.8μm处的荧光最强。论文第三章我们用高温熔融法制备了Tm3+/Ho3+离子双掺杂86GeO2-4Nb2O5-10Na2O锗铌酸盐玻璃,应用Judd-Ofelt理论,获得了Tm3+离子的强度参量（O2,O4,O6）等光谱参量,计算了玻璃中Tm3+和Ho3+离子的吸收截面、受激发射截面和增益光谱。在808nm激光二极管激发下,研究分析了Tm3+离子敏化Ho3+离子的2.0μm的红外发射光谱。结果表明,一定浓度Ho3+的共掺提高了Tm3+（3F4）? Ho3+（5I7）之间的能量转移效率,增强了2.0μm的红外发光。论文第四章我们用高温融熔法研制了4wt%Tm2O3掺杂浓度下（90-x）GeO2-xNb2O5-10Na2O（χ=1,2,4,6,8摩尔百分比）以及Tm2O3掺杂浓度分别为1,2,3,4wt%时,86GeO2-4Nb2O5-10Na2O（摩尔百分比）系列玻璃。研究了Nb2O5组分对玻璃的结构、玻璃热稳定性、荧光强度和J-O参数的影响。计算了Tm3+离子能级3F4→3H6（1.8μm）跃迁的吸收截面和受激发射截面。从获得的吸收截面、发射截面与离子掺杂浓度计算了1.8μm荧光波段的增益截面曲线。在808nm波长光的激发下,研究了Tm3+掺杂玻璃在1.47μm与1.8μm的荧光特性。发现当Tm2O3掺杂浓度为3wt%时,在1.8μm处的荧光强度达最大,然后随着掺杂浓度的增大,其荧光强度反而降低;当Nb2O5含量大约在2 mol%时,Tm3+在1.8μm处的荧光强度最强。讨论了Nb2O5组分变化对玻璃结构与光谱特性的影响情况。 论文第五章在前期实验的基础上,优选出性能良好的锗铌酸盐玻璃组分,设计预制棒的芯料与包层料,应用棒管法拉制成光纤,最后成功获得了具有较低光学损耗的光纤,并进行了相关系数的测定。