稀土掺杂的中红外碲酸盐和锗酸盐玻璃材料的制备及光谱性质研究

论文摘要

由于中红外激光在通讯、医学、军事、环境科学等领域有着广泛的应用,所以使其成为了发光研究领域的一个热点。与晶体材料相比较,玻璃材料有制备工艺简单、制备周期短及性质可控等优点,因此,近年来稀土离子掺杂的中红外玻璃材料的研究受到了人们重视。本论文研究Tm3+、Er3+及Ho3+掺杂的稀土碲酸盐、锗酸盐及锗碲酸盐玻璃的合成及其光谱性质。论文所取得的主要结果如下：一、设计并制备了xGeO2-（80-x）TeO2-9.5ZnF2-10NaF-0.5Ho2O3 （x=0,10,20,30,40,50,60,70,80）玻璃样品,计算并分析这些样品中Ho3+的Judd-Ofelt参数,发现Ω2的值随着玻璃基质中Te02的增加先增大后减小,而Ω4和Ω6随玻璃组分的变化不大,这可能是由于玻璃基质的变化改变了Ho3+周围晶体场环境。计算了不同组分玻璃样品中红外5I7→5I8的发射截面和光学增益系数,得出了含20 mol% GeO2和60 mol% TeO2的样品的发射截面最大和最有益于实现Ho3+：5I7→5I8激光发射。二、设计并制备了一种掺杂Tm3+的碲酸盐玻璃材料（70TeO2-10ZnF2-10Al2O3-10NaF）,对玻璃的基本物理性质,如密度、折射率、体积浓度等进行了表征。计算了该玻璃中Tm3+的Judd-Ofelt参数,得到Ω2=5.36×10-20cm2,Ω4=1.33×10-20cm2,Ω6=0.98×10-20 cm2。计算了Tm3+离子的1D2以下各能级间的光学跃迁振子强度、辐射跃迁速率、各能级跃迁的分支比以及辐射跃迁寿命。对Tm3+的3H4能级的中红外发射特性进行了分析,得到了3H6→3H4跃迁的吸收截面及3H4→3H6的跃迁的发射截面。最后,对中红外发射3H4→3H6的增益特性进行了评价。三、设计并制备了组分为75GeO2-20PbO-10BaO-5K2O-0.5Ag2O-0.5Er2O3的样品,通过退火在样品中生长了Ag粒子。利用Mie理论对样品中Ag粒子的尺寸进行了估计,发现随着样品退火时间的增加Ag粒子首先长大,当退火时间过长时样品中Ag粒子的尺寸反而减小。在488 nm激发下观察到了退火样品的荧光增强现象,通过对发射光谱的分析和Judd-Ofelt计算,证明了样品的荧光增强不是由于退火导致的样品中稀土离子周围局部环境变化所引起的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 稀土离子及其能级
• 1.1.1 稀土元素的简介
• 1.1.2 稀土原子和离子的电子结构和光谱项
• 1.1.3 稀土离子的能级及光学跃迁
• 1.2 玻璃材料的基本理论
• 1.2.1 玻璃材料的物理性质
• 1.2.2 玻璃的形成
• 1.2.3 玻璃的合成方法
• 1.3 稀土掺杂中红外玻璃材料的分类及表征方法
• 3+、Tm³⁺、Er³⁺的中红外激光玻璃材料'>1.3.1 掺Ho³⁺、Tm³⁺、Er³⁺的中红外激光玻璃材料
• 1.3.2 稀土掺杂的中红外玻璃材料的基质材料
• 1.3.3 稀土掺杂的玻璃材料合成的基本要求
• 1.3.4 稀土掺杂的中红外玻璃材料的表征方法
• 1.4 稀土离子光学跃迁计算的理论基础
• 1.4.1 Judd-Ofelt理论
• 1.4.2 McCumber理论
• 1.4.3 IH模型
• 1.5 本论文研究的内容和意义
• 3+的光学跃迁和2.0μm跃迁性质的影响'>第二章 锗碲酸盐玻璃组分的变化对Ho³⁺的光学跃迁和2.0μm跃迁性质的影响
• 2.1 引言
• 2.2 样品的制备与表征
• 2.2.1 样品的制备
• 2.2.2 样品参数的测量
• 2.3 计算与讨论
• 2.3.1 样品的基本物理性质
• 2.3.2 Judd-Ofelt参数的计算
• 2.3.3 2.0μm发射的光学跃迁性质
• 3+:⁵I₇→^I₈的光学增益系数的计算'>2.3.4 Ho³⁺:⁵I₇→^I₈的光学增益系数的计算
• 2.4 小结
• 3+掺杂的碲酸盐玻璃的光学跃迁计算和中红外跃迁性质的研究'>第三章 Tm³⁺掺杂的碲酸盐玻璃的光学跃迁计算和中红外跃迁性质的研究
• 3.1 引言
• 3+掺杂的碲酸盐玻璃的制备与表征'>3.2 Tm³⁺掺杂的碲酸盐玻璃的制备与表征
• 3+掺杂的碲酸盐玻璃的制备'>3.2.1 Tm³⁺掺杂的碲酸盐玻璃的制备
• 3+掺杂的碲酸盐玻璃的表征'>3.2.2 Tm³⁺掺杂的碲酸盐玻璃的表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 Judd-Ofelt参数的计算
• 3.3.2 中红外发射的发射截面的计算
• 3.3.3 光学增益系数的计算
• 3.4 总结
• 3+的光谱性质影响'>第四章 锗酸盐玻璃中银纳米粒子对Er³⁺的光谱性质影响
• 4.1 引言
• +/Er³⁺共掺杂锗酸盐玻璃制备、热处理及表征'>4.2 Ag⁺/Er³⁺共掺杂锗酸盐玻璃制备、热处理及表征
• +/Er³⁺共掺杂的锗酸盐玻璃的制备及Ag粒子的生长'>4.2.1 Ag⁺/Er³⁺共掺杂的锗酸盐玻璃的制备及Ag粒子的生长
• 4.2.2 锗酸盐玻璃样品的表征
• +、Ag粒子及Er³⁺离子的锗酸盐玻璃的光谱性质'>4.3 含Ag⁺、Ag粒子及Er³⁺离子的锗酸盐玻璃的光谱性质
• 4.3.1 Ag粒子尺寸的Mie理论计算及透射电镜观察
• 4.3.2 Ag粒子尺寸的透射电镜观察
• 3+掺杂锗酸盐玻璃的荧光增强'>4.3.3 含Ag粒子的Er³⁺掺杂锗酸盐玻璃的荧光增强
• 3+的光学跃迁的影响'>4.3.4 Ag粒子对样品中Er³⁺的光学跃迁的影响
• 4.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间公开发表学术论文情况
• 致谢