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基于钠硼硅玻璃分相法的稀土离子掺杂石英玻璃和光纤研究

杨雨  
【摘要】:稀土掺杂光纤激光器在工业、科研和国防等领域具有广泛的用途,因而受到国内外的高度重视。稀土掺杂光纤是光纤激光器的最核心的组成部分,它的基质材料有很多,主要包括晶体、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、碲酸盐玻璃、石英玻璃、透明陶瓷等,其中石英玻璃由于具有优异的机械强度、物化稳定性和损耗低等特点,在制备稀土掺杂光纤方面有显著优势。然而目前采用改进的化学气相沉积法(MCVD)制备的稀土掺杂石英光纤具有稀土离子掺杂浓度不高,掺杂均匀性难以控制,纤芯较小等缺点,无法满足高浓度掺杂大芯径石英光纤对芯棒的要求。基于钠硼硅玻璃分相技术制备的纳米多孔玻璃具有孔径分布均匀,且比表面积大,可容纳大量的掺杂离子,实现稀土掺杂离子在芯棒中的均匀分布和高浓度掺杂,并且芯棒尺寸不受工艺限制,是一种制备高浓度掺杂大芯径石英光纤的理想材料。本文旨在利用钠硼硅玻璃分相技术制备的多孔玻璃作为稀土离子载体,优化玻璃成分,制备工艺和掺杂离子光谱性能。选择优化后的高质量掺杂石英玻璃棒作芯棒,制成预制棒拉制光纤,测试和评价光纤的光学性能。本论文主要包括以下三个方面:文献综述、多孔玻璃芯棒制备流程和实验理论基础、钠硼硅玻璃分相技术制备稀土(Tm~(3+)、Yb~(3+)、Er~(3+))掺杂石英玻璃和光纤以及分析和讨论。论文第一章首先阐述了稀土离子发光玻璃特点;随后对有源光纤和双包层光纤的性能进行了归纳总结;最后介绍了纳米多孔玻璃的性质、应用和发展历程和前景。在论文的第二部分对多孔玻璃的制备工艺进行了详细的介绍,包括优化组分、分相、酸浸析、除OH和杂质、溶液掺杂和烧结工艺等;叙述了本文中涉及到的物理和光学性能测试及相关光学参数的理论计算。在掺Tm~(3+)石英玻璃和光纤方面,详细介绍了除OH工艺和OH含量对Tm~(3+)光学性能的影响。研究了Tm~(3+)掺杂石英玻璃的光谱性能,计算了Tm~(3+)在石英玻璃中的J-O强度参数、受激发射截面和增益谱。拉制了Tm~(3+)掺杂的35/400μm双包层的光纤,实现了Tm~(3+)离子的高浓度掺杂和均匀性,在光纤中观察到一个微弱光斑。随后拉制了Yb~(3+)掺杂的80/400μm双包层石英光纤,在光纤中获得了1074nm的激光,斜率效率达到64.5%。制备了Er~(3+)/P~(5+)/Al~(3+)共掺的石英玻璃,研究了P~(5+)和Al~(3+)对掺Er~(3+)石英玻璃光谱性能的影响,在1535nm处的半高宽达到了74nm。最后研究了Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺玻璃的上转换发光,基于钠硼硅玻璃分相技术制备了Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺的石英光纤,观察到了强烈的位于474nm的上转换蓝光,为蓝光激光器的发展提供了新的思路。


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