具有宽带红外发射的掺铒硼硅玻璃的研究

论文题目: 具有宽带红外发射的掺铒硼硅玻璃的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 凝聚态物理

作者: 孙江亭

导师: 张家骅,王笑军

关键词: 离子,红外,宽带发射,掺铒光纤放大器,玻璃

文献来源: 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）

发表年度: 2005

论文摘要: 掺铒光纤放大器（EDFA）是目前1.5μm 窗口通信系统中不可缺少的器件。现在所使用的EDFA 是由掺铒石英玻璃制造的,其在1.55μm 处发射带宽很窄,约为30nm。随着大容量信息通信和波分复用系统的需求的增加,掺铒宽带EDFA必须得到同步发展,因此,人们越来越希望获得比目前的掺铒石英玻璃具有更宽1.5μm 发射带的新型掺铒玻璃,相关的研究在国际上受到了极大的重视。本论文的工作主要包括两大方面的内容:一是研究Er3+离子1.5 μm 红外发射的光谱成分分析方法和加宽机制;二是寻找具有宽带发射,且具有良好的热稳定性和化学稳定性的新型掺铒玻璃材料。制备了以Bi2O3为基质的掺铒玻璃样品,研究了Er3+离子在11K—300K 温度范围内的1.5 μm 发射光谱,将4I13/2多重态中的高能态和最低能态向基态跃迁发射的光谱成分从测量的发射光谱中分离开来,讨论了光谱成分对1.5μm 发射带宽的影响。在国际上首次提出等效四能级模型,并用此模型可很好解释Er3+离子4I13/2→4I15/2辐射跃迁的线形及其变温特性,具有普遍意义。制备了一系列的钆硼硅酸盐玻璃和镥硼硅酸盐玻璃,分别确定了这两类玻璃系统的玻璃形成范围,讨论了玻璃的热稳定性及宽带发射特性。差热分析的数据表明这两类玻璃都具有极佳的热稳定性。并且,钆硼硅酸盐玻璃和镥硼硅酸盐玻璃体系的1.5 μm 红外发射光谱的最大半高全宽分别达到70 nm 和76nm 左右。根据J–O 理论对钆硼硅酸盐玻璃中Er3+的J–O 参数进行了拟合,得到Er3+的辐射跃迁几率、辐射寿命和分支比等数据。利用McCumber 理论计算了Er3+的1.5 μm 受激发射截面。用FWHM×σe的值对玻璃的宽带放大特性进行了表征。结果表明,该玻璃体系具有较大的受激发射截面,并且其宽带放大特性优于目前已有报道的硅酸盐、锗酸盐和磷酸盐玻璃。进一步研究了两种玻璃系统组分对Er3+离子1.5 μm 受激发射截面以及J–O参数的影响。将已制备的钆硼硅酸盐玻璃在开始析晶温度附近进行退火处理得到了红外透明的玻璃陶瓷,对该样品的研究表明,退火处理使玻璃中产生微晶,增加了Er3+离子4I13/2上能级的跃迁发射几率,从而使红外发射的有效发射半高宽增大。通过寿命测量可知,玻璃陶瓷4I13/2的能级寿命都比相应的玻璃要长。

论文目录:

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 掺铒光纤放大器

1.2 掺铒光纤放大器的研究现状

1.3 掺铒光纤放大器面临的问题及本论文工作简介

参考文献

2 玻璃材料基本理论与玻璃材料制备工艺

2.1 玻璃材料的基本理论

2.1.1 物质的玻璃态

2.1.2 玻璃的分类和结构学说

2.1.3 相图

2.1.4 玻璃材料的生长条件及其相关因素

2.2 掺铒玻璃的实验室制备工艺

2.2.1 玻璃样品成分的设计

2.2.2 样品的熔制和退火

参考文献

3 稀土离子的光谱性质与光谱理论

3.1 稀土原子和离子的电子组态、跃迁定则和能级结构

3.1.1 稀土元素的电子结构

3.1.2 三价稀土离子的跃迁选择定则和能级结构

3.1.3 铒离子的电子结构、能级结构及其性质

3.2 稀土光谱基本理论

3.2.1 光谱测量方法

3.2.2 J-O 理论简介

3.2.3 稀土离子的吸收和受激发射理论

3.2.4 Er~(3+)发光的光谱展宽理论

参考文献

4 掺Er~(3+)玻璃1.5μm 发射的光谱成分及其对带宽的影响

4.1 实验

4.2 变温发射光谱

4.3 等效四能级模型

4.4 吸收截面和受激发射截面

4.5 小结

参考文献

5 掺Er~(3+)钆硼硅酸盐玻璃的制备、红外发光特性和热稳定性研究

5.1 实验

5.2 Gd_2O_3——B_2O_3——SiO_2 三元系统玻璃形成区

5.3 G_(10)BSN: Er 玻璃的1.5μm 有效发射带宽

5.4 G_(10)BSN: Er 玻璃的吸收和受激发射截面

5.5 G_(10)BSN: Er 玻璃的光学跃迁

5.5.1 G_(10)BSN: Er 玻璃的J-O 计算

5.5.2 Si_(30) 玻璃中Er~(3+)的光学跃迁性质

5.6 Er~(3+)离子4113/2 能级的寿命

5.7 G_(10)BSN: Er 玻璃的热稳定性表征

5.8 G_(10)BSN: Er 玻璃的生成能力

小结

参考文献

6 掺Er~(3+)钆硼硅酸盐玻璃陶瓷的红外发光特性研究

6.1 实验

6.2 不同温度下的变温发射光谱

6.3 Er~(3+)离子~4I_(13/2) 的能级寿命

6.4 时间分辨光谱的分析

6.5 玻璃陶瓷样品XRD 衍射

小结

参考文献

7 掺Er~(3+)镥硼硅酸盐玻璃的制备、红外发光特性和热稳定性研究

7.1 实验

7.2 Lu_2O_3——B_2O_3——SiO_2 三元系统玻璃形成区

7.3 L_(10)BSN: Er 玻璃光学性质的研究

7.3.1 L_(10)BSN: Er 玻璃的1.5μm 带宽

7.3.2 L_(10)BSN: Er 玻璃的吸收和受激发射截面

7.3.3 L_(10)BSN: Er 玻璃的J-O 参数计算

7.3.4 LS_(30) 玻璃的光学跃迁参数计算

7.4 L_(10)BSN: Er 玻璃中Er~(3+)离子~4I_(13/2) 能级的寿命

7.5 L_(10)BSN: Er 玻璃的热稳定性表征

小结

参考文献

8 结论与展望

附录一 化学元素周期表和Er~(3+)离子U 值列表

附录二 最小二乘法曲线拟合和高斯消去法解线性方程组

博士期间已发表和待发表的论文目录

致谢

作者简历

博士学位论文原创性声明

发布时间: 2006-03-14

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