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《华南理工大学》 2019年
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碲钼锌/碲钽锌玻璃形成、结构和近中红外发光特性的研究

刘金麟  
【摘要】:传统的掺稀土石英光纤存在发光效率低、泵浦阈值高、调谐范围窄和难以实现中红外波段激光输出等本征问题,已无法满足大容量光通信、光纤传感、超快技术、生物医疗和激光雷达等领域应用的技术需求,制约着相关材料和元器件的发展,因此探索新型光子玻璃成为了焦点问题。稀土掺杂碲酸盐玻璃由于其具有声子能量低(~700 cm~(-1))、稀土掺杂量高(~10~(21) ions/cm~3)、红外透过范围宽(~6μm)、发光性能优异且带宽可调等优势,近年来被广泛应用于超宽带光纤放大器、中红外光纤激光器和非线性光学器件,而如何改善碲酸盐玻璃抗激光损伤阈值及热稳定性并实现高效率的红外发光成为了当前广泛研究的热点。基于以上研究背景,本论文旨在探索具有良好成玻能力、较高玻璃转变温度、优异热稳定性能的新型碲酸盐玻璃基质,以此为基础实现高效的近中红外发光,并对其激光性能进行预估。本论文共分为四章:第一章综述了碲酸盐玻璃基质的研究背景、碲酸盐玻璃的结构和特点、碲酸盐玻璃和光纤的研究进展以及存在的问题,重点介绍了碲酸盐玻璃结构与性能的关系以及改善其性能的方法,最后引出本论文的研究目的和研究内容。第二章研究了基于热力学原理计算预测新型三元碲酸盐玻璃形成区。针对碲酸盐玻璃形成区资料匮乏、新体系发展受阻的问题,本章采用热力学原理对TeO_2-Nb_2O_5-X_mO_n(X=Na,Zn,Bi)和TeO_2-ZnO-Y_mO_n(Y=Li,Na,Rb,Mg,Pb,Bi)三元体系的最佳玻璃形成区进行了预测。首先通过对比TeO_2-Nb_2O_5-X_mO_n三元体系中的二元子体系,计算了理论液相线,并与实际液相线进行了对比,详细分析了计算与实际数据之间的误差。此外,所预测的TeO_2-Nb_2O_5-X_mO_n三元体系最佳玻璃形成区与文献中的实际区域吻合程度较高,表明基于热力学原理预测玻璃形成区的方法对碲酸盐玻璃体系具有可行性。随后,基于TeO_2-ZnO体系优异的成玻性能和物化性能,预测了TeO_2-ZnO-Y_mO_n三元体系的最佳玻璃形成区,并探讨了不同第二组分对预测玻璃形成区范围的影响。这些研究结果为以TeO_2-ZnO体系作为基础组分探索性能更为优异的碲酸盐玻璃新体系和提升碲酸盐玻璃的热学性能、光学性能以及制备高增益低损耗的有源近中红外光纤奠定了基础。第三章探索了新型碲钼锌玻璃体系及其玻璃形成、结构和近中红外发光特性,采用热力学原理计算预测了TeO_2-MoO_3-ZnO体系最佳玻璃形成区并加以实验验证,随后通过拉曼、示差扫描量热仪(DSC)、吸收和发射光谱以及荧光衰减曲线测试对其玻璃结构、热学和发光特性进行了详细的表征和分析。结果表明,MoO_3的加入可以显著的提升碲酸盐玻璃的成玻性能、热稳定性和光学性能。在此基础上,分别以Nd~(3+)、Tm~(3+)、Er~(3+)离子掺杂为例,研究了碲钼锌玻璃的近中红外发光性能。对于Nd~(3+):~4F_(3/2)→~4I_(11/2)跃迁,TeO_2-MoO_3-ZnO玻璃展现出高发射截面(3.12×10~(-20) cm~2)和光谱品质因子(6.01×10~(-24) s·cm~2)等优异的光谱参数,预示着碲钼锌玻璃在高功率1.06μm激光器的应用前景。进一步的,本章对Tm~(3+)和Er~(3+)在碲钼锌玻璃中的发光特性的研究结果也表明TeO_2-MoO_3-ZnO玻璃是一种优异的红外激光基质材料。第四章研究了碲钽锌玻璃形成区、物理性能和2.7μm的高效发光。针对石英玻璃中Er~(3+)发光效率低和碲酸盐玻璃抗激光损伤阈值低的问题,本章详细探索了Er~(3+)掺杂TeO_2-Ta_2O_5-ZnO玻璃在中红外激光器领域的应用前景。首先预测并制备了TeO_2-Ta_2O_5-ZnO三元体系的玻璃形成区,采用晶体合成并测试其熔化热的方法有效地提升了玻璃形成区预测的准确性。碲钽锌玻璃的基本物理性能和光学性能通过Raman、DSC、荧光发射光谱和寿命衰减曲线等测试手段得到了详细的表征和分析。此外,在980 nm LD的激发下,获得了强的2.7μm荧光发射。结果表明,Er~(3+)掺杂碲钽锌玻璃具有热稳定性优异(△T_(max)=264℃)、声子能量低(~770 cm~(-1))、发射截面大(0.82×10~(-20) cm~2)和光谱品质因子高(3.22×10~(-24) cm~2·s)等优异性能,是~3μm光纤激光器的优异候选材料。
【学位授予单位】:华南理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TQ171.1

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【参考文献】
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