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稀土掺杂铋氟硼酸盐玻璃制备与性能研究

牛艺  
【摘要】: 稀土元素由于其特殊的原子结构具有很多优良的性质。激光的广泛应用是离不开稀土材料的。稀土掺杂激光玻璃作为大型激光器的核心工作物质,具有易于制备,形状灵活多样等优点近年来引起人们的重视。 本文首先介绍了激光玻璃的研究背景、发展现状和发展趋势,为了探索新的稀土掺杂玻璃系统,获得较高的发光强度并且与环境相协调的稀土掺杂玻璃,本论文选用以Bi_2O_3-B_2O_3-LiF(BBF)系统玻璃为基质研究对象,以该基质为基础分别掺杂0.5,1,2和3mol%四种不同浓度的钕离子(Nd~(3+)),镝离子(Dy~(3+)),钬离子(Ho~(3+))和铒离子(Er~(3+))。用传统的玻璃熔制工艺制备,获得了均匀透明,无宏观缺陷的玻璃样品,并进行了后期抛光等加工处理。 通过对玻璃样品进行密度、厚度、折射率等物理性能和XRD结构性能的测试,发现随着掺杂浓度的提高,玻璃的密度在很小的范围内成线性提高,说明在 0.5-3mol%掺杂浓度范围内,稀土离子几乎全部溶解在在玻璃网络中,沉积较小。基质的折射率达到了1.68-1.78。采用紫外-可见-红外分光光度计在室温下对玻璃进行了190-3200nm波段的吸收光谱的测试,获得了四种稀土离子掺杂铋氟硼酸盐玻璃在紫外-可见-红外波段的特征吸收光谱,利用J-O理论对吸收光谱参数、唯象强度参数和发射光谱参数进行了计算,得到一系列可供进一步研究玻璃发光性能的数据,对该数据进行了比较分析。结果显示,Nd离子和Ho离子当掺杂浓度在2mol%时吸收发射强度最大,Dy离子的掺杂浓度3mol%时吸收发射强度最大,Er离子的掺杂浓度在1mol%时吸收发射强度最大,随着浓度继续增加,稀土离子对光的吸收和发射会发生浓度淬灭现象,吸收强度和发射强度随之下降。 当Nd离子掺杂浓度为2mol%时,Nd离子掺杂铋氟硼酸盐玻璃对应800nm的4I9/2→2H9/2+4F5/2吸收跃迁,积分吸收截面达到5.68×10 ?18cm,对应1064nm附近的4F3/2→4I11/2发射跃迁积分发射截面达到了8.15×10 ?18cm。当Dy离子掺杂浓度为3mol%时,Dy离子掺杂铋氟硼酸盐玻璃对应1064nm附近的6H15/2→6H7/2+6F9/2吸收跃迁,积分吸收截面达到1.87×10 ?18cm,对应1.3μm附近的6F11/2(6H9/2)→6H15/2发射跃迁积分发射截面达到了7.37×10 ?18cm。当Ho离子掺杂浓度为2mol%时,Ho离子掺杂铋氟硼酸盐玻璃对应450nm的5I8→5F1+5G6吸收跃迁,积分吸收截面达到9.02×10 ?18cm,对应650nm附近的5I5→5I8发射跃迁积分发射截面达到了3.54×10 ?18cm。当Er离子掺杂浓度为1mol%时,Er离子掺杂铋氟硼酸盐玻璃对应521nm的4I15/2→2H11/2吸收跃迁,积分吸收截面达到6.68×10 ?18cm,对应655nm附近的4F9/2→4I15/2发射跃迁积分发射截面为3.45×10 ?18cm。这些特殊波长下积分吸收截面和积分发射截面从理论上预测四种稀土离子掺杂该种铋氟硼酸盐玻璃基质产生激光的可能性较大。最后选取了部分样品进行了荧光光谱测试,对理论上的推断进行了验证。Ho离子在726nm波长光激发下的荧光光谱显示Ho离子在BBF中出现了强烈的上转换发光现象。


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