Er/Yb共掺氧化物薄膜的光致荧光特性、结构特征及相关优化理论分析

摘要

本论文围绕“Er/Yb共掺氧化物薄膜的光致荧光特性、结构特征及相关优化理论分析”这一课题开展了一系列研究工作。主要内容包括采用射频磁控溅射技术制备不同基质的氧化物薄膜，系统地研究了不同退火温度下氧化物薄膜的晶体结构和光致荧光光谱，探讨了薄膜晶体结构变化对Er3+荧光光谱的影响及其内在的物理机制：利用Er3+、Yb3+离子各能级粒子数速率方程的稳态解对掺Er及Er/Yb共掺Al2O3光波导放大器光学性能进行理论计算。有关氧化物薄膜基质的晶体结构对Er3+离子荧光特性的影响，国内外至今未见有关报道。取得的主要研究结果如下： 1.采用射频磁控溅射技术，制备了不同Yb掺杂浓度的Er/Yb共掺Al2O3薄膜，探讨了薄膜制备过程中Er、Yb成分比例控制的可靠性及Yb的掺杂浓度对Er/Yb共掺Al2O3薄膜室温光致荧光谱强度及峰形的影响。对Yb/Er掺杂比为4：1的Er/Yb共掺Al2O3薄膜进行不同温度的退火处理，对不同温度退火后的薄膜的晶体结构和荧光光谱特性进行了系统分析，研究了光致荧光光谱强度和形状与微观结构之间的联系。首次提出，基质的结构相变导致了Er3+离子荧光光谱从宽谱形状向多峰形状的转变，从材料的微观结构角度出发探讨了结构相变导致荧光光谱谱形变化的根本原因所在。 2.同时，采用射频磁控溅射技术制备了Er/Yb共掺ZnO、TiO2薄膜，通过不同退火温度下薄膜的XRD衍射和光致荧光光谱的系统分析，探讨了薄膜晶体结构变化对光致荧光特性的影响。对Er/Yb共掺ZnO薄膜而言，在整个退火温度范围内光致荧光光谱形状未发生改变，都表现为敏锐的多峰结构，这说明Er3+离子在ZnO和Zn2SiO4中的局域环境非常相似。在高温情况下，一些侧峰的出现是由Er-Yb-Si-O相生成引起。而在Er/Yb共掺TiO2薄膜中，Er-Yb-Ti-O相的生成使薄膜的光致荧光光谱由宽谱特征转变为多峰特征。通过对Er/Yb共掺ZnO、TiO2薄膜晶体结构和光致荧光光谱的研究，进一步证实了第三章中提出的薄膜晶体结构对荧光光谱谱形有显著影响的结论。 3.通过Er3+离子各能级速率方程的稳态解，研究了Er3+离子的光学性能随泵浦功率的变化情况以及Er掺杂浓度对光波导放大器光学增益的影响。研究结果表明，对于固定的泵浦功率而言，都存在一个最佳Er掺杂浓度使光波导放大器的光学增益达到最大值。因此，所谓的最佳Er、Yb掺杂浓度是相对的，它受波导的设计因素，如波导截面耦合的面积因子、波导长度等等响；同时，波导的质量因素，如荧光效率、光损耗对光波导放大器的光学增益也有重要影响。结合Al2O3薄膜的结构和形貌演化，我们分析了影响Er/Yb共掺Al2O3波导放大器光学增益的众多因素。研究结果显示，提高泵浦光和波导截面耦合的面积因子可以有效地提高泵浦光有效功率，是提高光波导放大器光学增益的有效手段，而光损耗则是限制光波导放大器光学增益的最重要因素之一。对于Er/Yb共掺Al2O3波导放大器而言，当退火温度高于800℃，晶化导致光损耗增加。因此，尽管继续提高退火温度可以使荧光强度增加，但将导致光学增益的下降。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

2 Er3+光谱理论和薄膜制备工艺研究

3 Er/Yb共掺Al2O3薄膜的结构与荧光特性

4 Er/Yb共掺ZnO、TiO2薄膜的结构与荧光特性

5掺Er3+及Er3+/Yb3+共掺Al2O3光波导放大器光学特性的理论分析

结论与展望

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致谢