稀土掺杂锗硅酸盐玻璃结构及光学性能的研究

摘要

2～3μm波段激光由于其较强的穿透能力、良好的传输性能以及对人眼无害等诸多优良特点，因而在红外遥感、激光测距、光纤通信和生物医疗等领域内应用极为广泛。锗硅酸盐玻璃具有较低的声子能量、较高的稀土离子溶解度、良好的成玻性能及热稳定性等优点，在中红外发光玻璃基质材料中具有较大的应用潜能，近来已引起了广大学者的关注。
　　本文首先对稀土离子发光机理、2.0μm光纤激光器的研究现状和锗硅酸盐玻璃的发展应用进行了回顾，然后采用高温熔融法分别制备了以Ho3+和Tm3+为主的稀土离子掺杂锗硅酸盐玻璃及锗硅酸盐微晶玻璃，利用红外光谱、热分析、吸收光谱、荧光光谱等测试手段进行表征，研究玻璃组成、稀土离子掺杂浓度对玻璃结构及光学性能的影响，调控热处理制度，增强其2.0μm荧光性能。主要结果如下：
　　采用高温熔融法制备了Tm3+离子掺杂基础组分为（50－x）SiO2-xGeO2-25K2O-10MgO-10BaO-5Al2O3（mol％）的锗硅酸盐玻璃，探讨GeO2含量及稀土离子掺杂浓度对玻璃结构及Tm3+离子1.8μm发光性能的影响。研究表明，x=20mol%或30mol%时，锗硅酸盐玻璃网络结构中不仅存在[SiO4]四面体和[GeO4]四面体，同时还形成了[SiO4]&[GeO4]混合网络结构。GeO2含量为20mol%时，Tm2O3猝灭浓度为1mol%，此时1.8μm荧光强度最大。Tm3+离子对应的3F4能级荧光寿命随GeO2含量增加从0.88ms逐渐增加到1.43ms。用980nm激光激发Tm3+/Yb3+实现了对Tm3+的间接泵浦，并且提高Yb3+离子浓度有利于增强Tm3+离子1.8μm发射强度。
　　在锗硅酸盐玻璃中掺杂Ho3+离子，研究了GeO2含量和Ho3+掺杂浓度对玻璃2.0μm光学性能的影响。结果表明，GeO2含量为20mol%时，Ho3+离子具有最大2.0μm发光强度，Ho3+离子5I7能级荧光寿命随GeO2含量增加从1.62ms逐渐增加到2.23ms。提高Ho3+掺杂浓度有利于增强其2.0μm荧光强度。
　　用790nm波长的光源激发Ho3+/Tm3+体系实现了对Ho3+离子的间接泵浦。并且实验发现Ho3+/Tm3+共掺体系的发光强度比单掺Ho3+离子样品的发光强度大得多，说明Tm3+离子与Ho3+离子间进行了有效的能量传递。同时考察了Ho3+/Yb3+共掺体系在980nm激发光源下的荧光光谱，通过Yb3+→Ho3+能量转移过程可以实现Ho3+离子2.0μm荧光发射。
　　对30SiO2-20GeO2-15Al2O3-5B2O3-30BaF2-0.5Ho2O3-1Tm2O3（mol%）玻璃组成进行热处理制得了含氟化物晶相的锗硅酸盐微晶玻璃。研究结果表明，当热处理温度为620℃，热处理时间为8h时，玻璃中生成了大量细小且分布均匀的Ba3AlF9晶相，此时玻璃2.0μm发光强度最强。此外，荧光光谱图表明，对锗硅酸盐玻璃进行热处理能够有效提高玻璃的荧光性能。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 稀土元素光谱理论

1.3 稀土掺杂光纤激光器

1.4 锗硅酸盐玻璃

1.5 本课题研究意义及研究内容

第二章 样品制备及分析方法

2.1 样品制备

2.2 分析方法

第三章 Tm3+离子掺杂锗硅酸盐玻璃光学性能研究

3.1 Tm3+离子掺杂锗硅酸盐玻璃制备

3.2 GeO2含量对玻璃结构及性能的影响

3.3 Tm3+离子掺杂浓度对玻璃荧光性能的影响

3.4 Tm3+/Yb3+双掺锗硅酸盐玻璃的发光性能

3.5 本章小结

第四章 Ho3+离子掺杂锗硅酸盐玻璃光学性能研究

4.1 Ho3+离子掺杂锗硅酸盐玻璃制备

4.2 Ho3+离子单掺锗硅酸盐玻璃的光学性能

4.3 Ho3+/Tm3+共掺锗硅酸盐玻璃的光学性能

4.4 Ho3+/Yb3+共掺锗硅酸盐玻璃的光学性能

4.5 本章小结

第五章 Ho3+/Tm3+共掺锗硅酸盐微晶玻璃制备及光学性能研究

5.1锗硅酸盐微晶玻璃的制备

5.2热处理温度对锗硅酸盐微晶玻璃结构及性能的影响

5.3热处理时间对锗硅酸盐微晶玻璃结构及性能的影响

5.4 本章小结

第六章 研究总结与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文