铒、镱共掺硼硅酸盐玻璃的光致荧光及增益特性研究

摘要

掺Er玻璃是目前激光材料领域的研究热点之一，Er<'3+>在1.53μm处的发光对应于石英光纤的最低损耗窗口，并且发光波长受外界条件影响很小，这些独特光学特性使掺Er玻璃在光纤通讯和光电集成领域有着广阔的应用前景。为了满足集成光子器件的小型化、集约化、高效化的方向趋势，人们对掺Er材料的光学特性提出了更高要求。由于Yb<'3+>对Er<'3+>具有弥散和敏化作用，Er/Yb共掺被人为是提高Er<'3+>荧光特性的最佳方法，因而Er/Yb共掺体系成为人们的研究热点。 本文采用固相反应方法，制备了一系列Er<,2>O<,3>浓度固定为0.5 mol％，Yb<,2>O<,3>浓度范围为0.0mol-5.5 mol％的Er/Yb共掺硼硅酸盐玻璃，并对所制备的玻璃样品进行了系统的光学特性测量、理论分析和数值模拟： 为了研究Yb<'3+>掺杂对Er<'3+>的敏化作用，我们测量了玻璃样品的吸收光谱。同时，计算了玻璃样品中Er<'3+>的吸收截面，探讨了Yb<'3+>掺杂浓度对Er<'3+>的吸收截面的影响。在吸收光谱的基础上，我们利用Judd-Ofelt理论对Er<'3+>在硼硅酸盐中的Judd-Ofelt强度系数、自发辐射弛豫率和自发辐射寿命等参数进行了计算，并分析了Yb<'3+>掺杂对Er<'3+>配位场的影响。 为了研究Er/Yb共掺体系的荧光特性，我们测量了玻璃样品的光致荧光光谱，讨论了Yb<'3+>掺杂浓度对光致荧光强度的影响和对光谱的的展宽作用。为了高掺Yb<'3+>浓度下Er<'3+>荧光强度饱和的原因，我们根据Inokuti-Hirayama交换机制，定量分析了Er<'3+>-Yb3<'3+>之间的能量传递；测量了样品的上转换荧光，分析了上转换过程及其对光致荧光强度饱和的贡献：通过荧光强度和荧光量子效率计算了能级的粒子数。 测量了玻璃样品中Er<'3+>-<'4>I<,13/2>能级的荧光寿命，分析了Yb<,2>O<,3>浓度对Er<'3+>-<'4>I<,13/2>能级的荧光寿命的的影响。 基于试验测量获得的Er<'3+>、Yb<'3+>离子数密度、吸收截面、发射截面、能级寿命等数据，我们建立了Er/Yb共掺体系粒子速率模型和波导传输模型，对横截面为矩形的光波导放大器进行了模拟，探讨了Yb<'3+>掺杂浓度、泵浦光功率、波导长度及波导损耗对Er/Yb共掺光波导放大器增益特性的影响。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1光纤通信与光放大器

1.2掺铒光纤放大器

1.3掺铒光波导放大器

1.4EDWA的制备工艺及研究现状

1.5掺Er玻璃的研究现状

1.6本文的主要工作与结构安排

2稀土离子光谱理论

2.1稀土元素简介

2.1.1铒的性质及应用

2.1.2镱的性质及应用

2.2稀土激光基础

2.2.1吸收与发射

2.2.2光的增益

2.2.3粒子数反转

2.3稀土离子间的相互作用

2.3.1能量转递

2.3.2交叉弛豫

2.3.3多声子弛豫

2.3.4合作上转换

2.3.5浓度猝灭效应

2.4Judd-Ofelt理论在稀土离子光谱参数计算中的应用

2.4.1跃迁振子强度

2.4.2自发辐射的弛豫率和能级寿命

2.4.3Judd-Ofelt强度系数

2.5McCumber理论

2.6光谱展宽

2.7玻璃基质中的稀土离子发光

3Er/Yb共掺硼硅酸盐玻璃的合成和光谱特性测量

3.1Er/Yb共掺硼硅酸盐玻璃的制备

3.2Er/Yb共掺玻璃的光学特性测量

3.2.1光致荧光的测量

3.2.2荧光寿命的测量

3.2.3用布儒斯特角方法测量折射率

4Er/Yb共掺硼硅酸盐的光学特性

4.1Yb3+、Er3+之间的能量传递

4.2Yb3+掺杂对吸收光谱的影响

4.3Yb3+掺杂对Er3+光致荧光特性的影响

4.4Yb3+掺杂对合作上转换荧光的影响

4.5荧光寿命

4.6光谱参数计算

4.6.1Judd-Ofelt强度系数

4.6.2自发辐射驰豫率和自发辐射寿命

4.7Yb3+-Er3+之间能量转移率

4.8Yb3+掺杂对Er3+-4/13/2能级非辐射跃迁和量子效率的影响

4.9小结

5Er/Yb共掺光波导放大器增益特性的理论分析

5.1Er/Yb共掺体系的粒子速率模型

5.2Er/Yb共掺光波导的传输模型

5.3计算参数的选择

5.4波导设计因素对Er/Yb共掺光波导放大器增益特性的影响

5.4.1Yb3+浓度对增益特性的影响

5.4.2泵浦光功率对增益特性的影响

5.4.3波导长度对增益特性的影响

5.4.4波导光损耗对增益特性的影响

5.5小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢