摻稀土鍺酸鹽玻璃的中紅外光譜性能研究.pdf

1、~3μm波長的中紅外熒光發(fā)射包含了許多大氣分子的特征譜線帶，在軍事對抗、醫(yī)療手術(shù)、環(huán)境污染檢測以及光通信等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。本論文主要目的在于研究能夠適用于~3μm激光輸出的玻璃材料。通過對玻璃基質(zhì)的組分調(diào)整及稀土離子的濃度優(yōu)化，制備出了適用于~3μm發(fā)光的玻璃材料。
　　本文首先制備了不同 Ga2O3含量的鍺酸鹽玻璃，對玻璃樣品進(jìn)行了XRD分析。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Ga2O3含量達(dá)到25 mol％時(shí)，玻璃開始變得不透明。對未析晶樣品進(jìn)行了熱分析

2、、發(fā)現(xiàn)所制備的樣品具有較高的ΔT和kgl（140℃和0.176）。進(jìn)一步研究了玻璃的結(jié)構(gòu)、物理及光學(xué)性能，通過拉曼光譜分析發(fā)現(xiàn)玻璃的最大聲子振動頻率隨著 Ga2O3含量的增加逐漸向低波數(shù)方向移動。測試了Er3+的吸收光譜，討論了 J-O參數(shù)及輻射性質(zhì)。研究了玻璃的紅外透過光譜，發(fā)現(xiàn)樣品的最大透過率高達(dá)84%。中紅外熒光光譜表明2.7μm發(fā)射強(qiáng)度隨著Ga2O3含量增加先降低后增加。計(jì)算發(fā)現(xiàn)所制備樣品的最大發(fā)射截面可達(dá)4.68×10-21

3、cm2。利用速率方程和Inokuti-Hirayama模型計(jì)算了能量轉(zhuǎn)移參數(shù)及能量轉(zhuǎn)移上轉(zhuǎn)換系數(shù)，解釋了2.7μm熒光行為。
　　在前一章研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步制備了 R2O3（R=Al/Y/Gd/La）及 Nb2O5改進(jìn)的鍺酸鹽玻璃。研究了R2O3對玻璃密度、折射率等物化參數(shù)的影響，比較了R2O3及Nb2O5對其熱穩(wěn)定性、析晶活化能等熱力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)Y2O3改進(jìn)的玻璃具有更高的ΔT及 kgl值（175℃和0.224）。研究了樣品的

4、拉曼光譜，對其玻璃結(jié)構(gòu)及最大聲子能量進(jìn)行了分析。中紅外熒光光譜分析表明 Y2O3改進(jìn)的鍺酸鹽玻璃在2.7μm處具有較高的熒光強(qiáng)度及發(fā)射截面。研究了Er3+的能量轉(zhuǎn)移過程，討論了2.7μm熒光增強(qiáng)的機(jī)理。
　　采用Y2O3改進(jìn)的鍺酸鹽玻璃為基質(zhì)，研究了 Er3+濃度對其2.7μm熒光性能的影響，發(fā)現(xiàn)所制備的樣品能實(shí)現(xiàn)6 mol% Er3+的高濃度摻雜而沒有熒光猝滅?；谏限D(zhuǎn)換及近紅外熒光光譜，提出了合理的能量轉(zhuǎn)移機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)激發(fā)態(tài)

5、吸收（ESA2）、交叉弛豫（CR）及能量轉(zhuǎn)移上轉(zhuǎn)換（ETU2）過程隨著 Er3+濃度的增加而變強(qiáng)。這些過程均有利于提高激光上下能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，增強(qiáng)2.7μm熒光發(fā)射。制備了 Er3+/Tm3+共摻鍺酸鹽玻璃，發(fā)現(xiàn)Tm3+能夠有效的敏化Er3+粒子，顯著增強(qiáng)了2.7μm發(fā)射。討論了Tm3+與 Er3+間的能量轉(zhuǎn)移機(jī)理并計(jì)算了 Tm3+與 Er3+間的能量轉(zhuǎn)移微觀參數(shù)及能量轉(zhuǎn)移效率。結(jié)果表明Er3+:4I13/2→Tm3+:3F4的能量轉(zhuǎn)

6、移系數(shù)（2.94×10-39 cm6/s）遠(yuǎn)大于Er3+:4I11/2→Tm3+:3H5的值（0.93×10-40 cm6/s）。通過速率方程分析，進(jìn)一步證實(shí)了2.7μm，1.8及1.53μm熒光變化。制備了 Er3+-Yb3+共摻鍺酸鹽玻璃，在980nm波長泵浦下，Er3+-Yb3+共摻樣品的2.7μm、1.53μm及上轉(zhuǎn)換發(fā)射強(qiáng)度明顯高于Er3+單摻樣品。隨著 Yb3+濃度的增加，其發(fā)射強(qiáng)度單調(diào)增加，沒有出現(xiàn)明顯的熒光猝滅現(xiàn)象。接著

7、討論了 Er3+與 Yb3+的能量轉(zhuǎn)移機(jī)理，Yb3+:2F5/2→Er3+:4I11/2的能量轉(zhuǎn)移微觀參數(shù)高達(dá)1.42×10-39 cm6/s。
　　本文最后研究了 Ho3+/Yb3+共摻鍺酸鹽玻璃的2.9μm光譜性能?；谖展庾V及J-O理論，計(jì)算了 Ho3+的Judd-Ofelt強(qiáng)度參數(shù)及輻射性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)Ho3+:5I6→5I7躍遷（2.9μm）的自發(fā)輻射躍遷幾率高達(dá)36.66 s-1。中紅外熒光光譜表明當(dāng) Ho3+：Yb3+的

8、濃度比為0.1:2時(shí)，2.9μm熒光最強(qiáng)。計(jì)算的2.9μm發(fā)射截面高達(dá)8.58×10-21 cm2，當(dāng)反轉(zhuǎn)粒子數(shù) P為0.5時(shí)，在2866-3000nm處的增益為正。通過上轉(zhuǎn)換、近紅外及中紅外光譜分析，討論了 Ho3+和Yb3+的能量轉(zhuǎn)移機(jī)理，計(jì)算了 Yb3+到 Ho3+的能量傳遞效率及能量傳遞系數(shù)，分別為35.8%和4.06×10-40 cm6/s。最后利用Yokota- Tanimoto模型計(jì)算了不同Ho3+濃度的Yb3+到Ho3+