Er～（3+）/Yb～（3+）掺杂硅酸盐玻璃激光主动材料及其应用探索

论文摘要

近年来，激光玻璃在激光技术领域中得到了广泛应用，它快速推动着激光器件的发展，并成为高功率和高能量激光器的主要激光材料，如近年来引人瞩目的高功率掺镱双包层光纤激光器。 针对高功率激光器的强烈需求，本文设计了基质材料的结构、组成和制备工艺参数，研制了具有优良激光性能的稀土掺杂硅酸盐激光玻璃主动材料；采用Judd-Ofelt理论计算了材料的光谱参数；采用美国PerkinElmer公司制造的Lambda900UV／VIS／NIR Spectrometer测定吸收光谱，采用法国JobinYvon公司的Triax320型光谱仪记录荧光光谱，荧光寿命衰减曲线由美国Tektronix公司出品的TDS3012B示波器采集记录。通过理论计算和材料的激光性能实验分析，揭示了硅酸盐系统中，稀土离子和玻璃结构对材料光谱特性的作用机制；设计制备了双包层光纤所需的纤芯玻璃材料和内包层玻璃材料。取得的主要结果如下： 1) Judd-Ofelt理论计算和实验研究结果均表明随Er3+掺杂浓度的增加，Er3+离子的光谱强度参数Qλ（λ=2，4，6）、跃迁振子强度、谱线强度、自发辐射几率、荧光分支比等在增加，并在Er2O3浓度为0.25mol％时达到最大值，表明实验中玻璃体系的最佳Er2O3掺杂浓度为0.25mol％。 2) 掺Yb3+玻璃的饱和泵浦强度Isat，最小粒子数β，最小泵浦强度Imin和增益分别为14.7 KW·cm-2，0.1398，2.05 KW·cm-2和2.63 ms·pm4，优于其它的掺Yb3+硅酸盐玻璃性能，达到或超过部分磷酸盐激光玻璃性能；表明通过设计介于层状和链状之间的玻璃结构，可以有效地提高掺Yb3+硅酸盐玻璃的光谱性能，改善玻璃的增益系数，实验结果达到了设计目的，最佳Yb2O3浓度为2mol％。 3) 随Yb3+浓度的增加，Fuchtbauer-Ladenburg和Reciprocity Method两种方法计算Yb3+离子的发射面积在增大，且由F-L计算的σe要大于用RE计算的σe。分析认为是荧光俘获效应引起的误差，所以在计算掺Yb3+激光玻璃的受激发射截面时，通常是采用RE方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 固体激光器对激光玻璃的性能要求
• 1.2 稀土掺杂激光玻璃的研究进展
• 1.2.1 掺钕激光玻璃的研究进展
• 1.2.2 掺铒激光玻璃的研究进展
• 1.2.3 掺镱激光玻璃的研究进展
• 1.3 激光玻璃的制备工艺及存在的问题
• 1.3.1 制备激光玻璃的工艺现状
• 1.3.2 存在的问题
• 1.4 研究目的和主要研究内容
• 1.4.1 研究工作目的
• 1.4.2 主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 理论基础
• 2.1 基质玻璃结构
• 2.2 稀土掺杂玻璃的光谱理论
• 2.2.1 激光玻璃中的稀土离子
• 2.2.2 稀土离子的格位状态和能级结构
• 2.2.3 稀土离子的电子跃迁过程
• 2.3 光谱参数的计算
• 2.3.1 Judd-Ofelt理论的介绍
• 2.3.2 Judd-Ofelt理论的应用
• 本章小结
• 参考文献
• 第三章 激光玻璃基质材料的设计
• 3.1 玻璃体系的选择
• 3.2 玻璃结构设计
• 3.2.1 磷酸盐玻璃结构
• 3.2.2 硅酸盐玻璃结构
• 3.2.3 玻璃结构选择
• 3.3 玻璃组成
• 3.3.1 氧化物的分类
• 3.3.2 各氧化物在玻璃形成中所起的作用
• 3.3.3 玻璃组份的确定
• 3.3.4 配方设计
• 3.3.5 氧化物物理性质的计算
• 3.4 工艺设计
• 3.4.1 熔制工艺曲线的确定
• 3.4.2 退火工艺曲线的确定
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 材料制备
• 4.1 基质玻璃原料
• 4.2 基质玻璃配合料的计算
• 4.3 实验设备
• 4.3.1 熔炼炉
• 4.3.2 浇注模具
• 4.3.3 退火炉
• 4.4 熔制工艺
• 4.4.1 配合料的称量与混合
• 4.4.2 玻璃熔制过程
• 4.5 性能测试
• 4.5.1 玻璃密度测定
• 4.5.2 测定玻璃膨胀系数
• 4.5.3 玻璃折射率的测量
• 4.5.4 吸收光谱测试
• 4.5.5 荧光光谱和荧光寿命的测试
• 本章小结
• 第五章 稀土掺杂铒硅酸盐玻璃的物理性能和光谱性能
• 5.1 掺铒硅酸盐玻璃的物理性能
• 5.1.1 密度变化
• 5.1.2 玻璃折射率变化
• 5.1.3 线膨胀系数的变化
• 5.2 掺铒硅酸盐玻璃的光谱性能
• 5.2.1 Judd-Ofelt理论在玻璃光谱参数计算中的应用
• 5.2.2 掺铒硅酸盐玻璃光谱特征
• 本章小结
• 参考文献
• 第六章 稀土掺杂镱硅酸盐玻璃的物理性能和光谱性能
• 6.1 掺镱硅酸盐玻璃的物理性能
• 6.1.1 玻璃密度的变化
• 6.1.2 玻璃膨胀系数的变化
• 6.1.3 玻璃折射率的变化
• 6.2 掺镱硅酸盐玻璃的光谱性能
• 3+激光材料的表征'>6.2.1 掺Yb³⁺激光材料的表征
• 6.2.2 掺镱硅酸盐玻璃的光谱性能
• 本章小结
• 参考文献
• 第七章 稀土掺杂镱硅酸盐玻璃的应用
• 结论
• 发表文章和专利
• 致谢