Tm3+/Yb3+共掺材料制备与激光性能研究

论文摘要

21世纪是信息时代,建立高速、大容量的全光通信网络成为新的研究目标。波分复用（WDM）技术的发明以及20世纪90年代研制成功的掺铒光纤放大器（EDFA）,使得信息大容量、超长距离传输成为可能。传统的EDFA以石英为基质材料,主要工作在C波段（1530-1560nm）。但随着互联网不断的发展,目前已不能满足系统要求。新一代光纤通信网络对S波段（1450nm-1520nm）光放大的需求日渐升高,但是以Er3+离子为发光中心的EDFA无法完成这一波段的光放大,因此研究其他稀土元素的发光特性,进而研制新型S波段的光纤放大器显得尤为重要。现有的光纤主要以硅化物做为基质材料。相比于硅化物材料,碲化物材料在稳定性、耐腐蚀性和稀土离子可溶性等多方面具有优势,然而此方面的研究还相对较少。本研究首先制备了多种掺Tm以及Tm与其他稀土离子共掺的碲化物材料,通过实验获得了Tm3+离子在Tm与其他稀土离子共掺材料中的光谱特性,并对其进行了理论分析。随后制备了Tm/Yb共掺光纤,测试了其光学性能,并搭建了谐振腔增强型光纤放大器平台,为进一步研制高性能掺铥光纤激光器和放大器奠定了基础。并且在研究中发现Tm/Yb共掺材料具有成为优秀蓝光激光材料的潜质,研究了Tm/Yb共掺材料的激光性能。论文的主要研究工作概括如下：（1）制备了单掺Tm的碲化物玻璃,制备了多种组分不同的Tm与Yb,Er, Nd等稀土元素共掺的碲化物玻璃,制备了Tm/Yb共掺的碲化物光纤。为测试Tm在稀土元素掺杂的碲化物材料中的特性做好了准备。（2）对制备的碲化物材料进行了荧光光谱研究。分别采用980nm、808nm半导体激光器为泵浦源,泵浦稀土掺杂的碲化物材料,测得了不同稀土离子掺杂的碲化物材料的荧光光谱。首次发现了Tm在Tm/Yb共掺材料中890nm荧光发射,1370nm荧光产生同时原本属于Tm特征谱线的1470nm荧光消失的现象。对产生的谱线进行了分析。并且在Tm/Yb共掺的碲化物玻璃中观察到明显的蓝光,证实了能级的上转换。（3）利用J-O理论计算了掺Tm碲化物玻璃与不同组分的Tm/Yb共掺碲化物玻璃的光谱特性。首次得到了Tm/Yb共掺碲化物玻璃的光谱参数。通过理论计算,分析解释了在Tm/Yb共掺玻璃的荧光测试中出现的各种现象,表明Yb离子在共掺材料中比例十分重要,会影响到材料中Tm离子的发光特性,这对实现S波段光放大至关重要。（4）研究了Tm/Yb共掺碲化物光纤的特性,通过合理设计解决了碲化物光纤易断裂以及不能与普通硅光纤直接熔接的问题。搭建了Tm/Yb共掺谐振腔增强型光纤放大器平台,进行了谐振腔增强型光纤放大器的研究。（5）对Tm/Yb共掺碲化物材料激光特性进行了研究,进行了Tm/Yb共掺材料蓝光激光实验,研究表明Tm/Yb共掺晶体材料有望成为优秀的蓝光激光材料和人眼安全的1.5-2μm激光材料。开始进行生长Tm,Yb:KLu（WO4）2晶体。本论文主要创新点如下：1：制备了多种组分不同的Tm与Yb,Er, Nd等稀土元素共掺的碲化物玻璃,制备了Tm/Yb共掺的碲化物光纤。对Tm在稀土元素掺杂的碲化物材料中的特性进行了研究。2：首次发现了Tm离子在Tm/Yb共掺材料中890nm和1370nm处发射的明显荧光,并且发现在1370nm荧光产生同时原本属于Tm离子本征发射谱线的1470nm荧光的消失,根据Tm,Yb能级结构对此现象进行了分析解释。3：首次理论计算了Tm离子在Tm/Yb共掺材料中的光谱参数,发现共掺材料中Yb离子的存在影响了Tm离子的能级结构,并印证了Tm离子新荧光产生和原有本征谱线消失这一现象。4：首次发现Tm在Tm/Yb共掺碲化物材料中的发光特性会随材料中Tm,Yb掺杂比例不同而发生改变,并对此进行了解释。5：准备加工了Tm/Yb共掺碲化物光纤器件,搭建了谐振腔增强型光纤放大器平台,并进行S波段光放大的测试。6：荧光测试得到了Tm/Yb共掺材料的480nm上转换蓝色荧光,首次提出了将Tm/Yb共掺钨酸盐晶体作为蓝光激光介质,并开始生长Tm/Yb共掺钨酸盐晶体。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪言
• 1.1 研究背景
• 1.2 光纤有源器件
• 1.2.1 光纤放大器
• 1.2.1.1 掺铥光纤放大器的发展
• 1.2.1.2 掺铥光纤放大器的应用
• 1.2.2 光纤激光器
• 1.2.2.1 掺铥光纤激光器的研究进展
• 1.2.2.2 掺铥光纤激光器的应用
• 1.3 蓝光激光器
• 1.4 本研究的目的和意义
• 1.5 本论文主要工作
• 1.6 参考文献
• 第二章 稀土离子光谱特性
• 2.1 概述
• 3+离子光谱特性'>2.2 Er³⁺离子光谱特性
• 3+离子1500nm跃迁特性'>2.2.1 Er³⁺离子1500nm跃迁特性
• 3+离子的泵浦特性'>2.2.2 Er³⁺离子的泵浦特性
• 3+离子光谱特性'>2.3 Nb³⁺离子光谱特性
• 3+离子光谱特性'>2.4 Yb³⁺离子光谱特性
• 3+离子光谱特性'>2.5 Tm³⁺离子光谱特性
• 2.6 本章小结
• 2.7 参考文献
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物玻璃光谱特性研究'>第三章 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物玻璃光谱特性研究
• 3.1 稀土离子发光原理
• 3.2 上转换发光机理
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物玻璃荧光光谱研究'>3.3 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物玻璃荧光光谱研究
• 3.3.1 实验平台搭建
• 3.3.2 材料荧光光谱分析
• 3.4 本章小结
• 3.5 参考文献
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物材料光谱理论研究'>第四章 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物材料光谱理论研究
• 4.1 J-O理论
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物玻璃制备'>4.2 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物玻璃制备
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物玻璃吸收谱'>4.3 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物玻璃吸收谱
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物玻璃光谱参数理论计算'>4.4 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物玻璃光谱参数理论计算
• 4.5 本章小结
• 4.6 参考文献
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物材料应用'>第五章 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物材料应用
• 3+/Yb³⁺共掺光纤放大器'>5.1 Tm³⁺/Yb³⁺共掺光纤放大器
• 3+/Yb³⁺共掺光纤器件加工制备'>5.2 Tm³⁺/Yb³⁺共掺光纤器件加工制备
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物光纤荧光谱测试'>5.3 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物光纤荧光谱测试
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物光纤荧光谱分析'>5.4 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物光纤荧光谱分析
• 3+/Yb³⁺共掺材料蓝光激光性能探索'>5.5 Tm³⁺/Yb³⁺共掺材料蓝光激光性能探索
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物材料上转换原理'>5.5.1 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物材料上转换原理
• 3+/Yb³⁺共掺碲化物材料上转换激光平台搭建'>5.5.2 Tm³⁺/Yb³⁺共掺碲化物材料上转换激光平台搭建
• 3+/Yb³⁺共掺晶体的制备'>5.5.3 Tm³⁺/Yb³⁺共掺晶体的制备
• 5.6 参考文献
• 第六章 全文总结
• 6.1 本文工作总结
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 未来工作展望
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间参与的项目
• 附:已发表英文论文2篇（SCI,EI）
• 学位论文评阅及答辩情况表