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磁光玻璃费尔德常数随影响因数变化的研究

唐元元  
【摘要】:磁光玻璃主要利用磁光效应中的法拉第效应,法拉第效应反映了材料的一种能力,即在磁场存在的条件下平行于入射光的方向,穿过介质的线偏振光的偏振面发生偏折,偏折角为一定值。磁光材料的应用广泛,包括磁光感应器,磁光调制器的安全编码,二极管,隔离器和磁光开关等。目前磁光材料分为晶体和非晶两种,非晶体相比于晶体,首先易于制备,玻璃的加工技术成熟,顺磁性稀土离子均匀分布于基质玻璃,磁光玻璃光学性能良好。第二,玻璃各向同性,没有本证圆双折射。第三,玻璃材料在配方设计、成型和加工过程中有更大的灵活性,可以制备出符合应用的磁光玻璃。通过传统熔融萃火技术制备配方成分为15GeO_2–20B2O_3–20SiO_2–Ga2O_3(45–x)–x Tb_2O_3(x=14,18,22和25)的磁光玻璃。利用多波段旋光系数测量仪测出磁光玻璃Verdet常数,计算其光学碱度和光学带隙,最后结合稀土光谱理论研究了稀土氧化物对磁光玻璃物理性能、结构以及光谱性能的影响。同时探究物理性能、结构以及波长对Verdet常数的影响,得到以下结论:(1)磁光玻璃的密度和折射率与Tb_2O_3掺杂量有关,二者近似呈直线关系。用Tb_2O_3(7.3g/cm3)取代Ga2O_3(5.9g/cm~3)使磁光玻璃密度增加;同时随着玻璃折射率的增大,根据光学碱度理论得出氧离子极化率和光学碱度增大,即随着Tb_2O_3摩尔含量的增加氧离子极化率和光学碱度也增大。(2)随着氧离子极化率和光学碱度的增大,磁光玻璃中游离氧的含量增加。再结合XRD图谱和傅立叶红外光谱,研究得出磁光玻璃结构随Tb_2O_3含量的增加从[BO_3]和[GaO_4]变成[BO_4]、[GaO_6]以及[SiO_4]等混合网络构成。(3)根据磁光玻璃热稳定性表征数据β可知,磁光玻璃试样在Tb_2O_3含量为22mol.%时,β达到最大(0.728)玻璃稳定性最高。同时随着Tb_2O_3含量的增加析晶活化能先增大后减小,变化规律与玻璃热稳定性表征数据β相同,且Tb_2O_3含量为22mol.%时Ea最大(473.1Kj/mol),析晶倾向最小。(4)随着Tb_2O_3含量的增加,磁光玻璃中O_2-增加导致玻璃结构疏松,磁光玻璃的Urbach能和光学带隙降低。本文中Tb_2O_3质量百分数大于10wt.%,磁光玻璃激发、发射光谱强度以及荧光寿命都随着Tb_2O_3的增加而降低。随着光学带隙降低,Tb~(3+)发生能级跃迁所需能量减小,而磁光玻璃强度降低。此时Tb~(3+)离子的(~5D3_,~7F_6)→(~5D_4,~7F_0)交叉弛豫导致发光强度降低。(5)磁光玻璃的Verdet常数随Tb_2O_3含量和光学碱度的增加而增大,而随光学带隙的增大而减小。Tb_2O_3掺量增加,玻璃中游离O_2-增加,氧离子极化率增加,易形成电子云,允许直接跃迁、间接跃迁的带隙能量减小。光学带隙减小,发光强度降低,Verdet常数增大。磁光玻璃的Verdet常数随入射波长的增加呈指数式降低。通过对经典量子理论公式的变换得出各磁光玻璃的有效跃迁波长,磁光玻璃的有效跃迁波长随Tb_2O_3掺量的增加先增大后减小。当Tb_2O_3含量为22mol.%时,有效跃迁波长达到最大(299nm)。同时Tb_2O_3含量为18mol.%的磁光玻璃在可见光范围内具有最大的磁光品子因子。(6)共掺磁光玻璃的发光强度均随着Tb~(3+)、Dy~(3+)含量的增加而减弱。在高浓度受主离子(Tb~(3+))存在下,Dy~(3+)/Tb~(3+)之间能量传递通过无辐射跃迁和~4F_(9/2)+~7F_6→~6H_(15/2)+~5D_4交叉弛豫共同作用;随着Dy~(3+)含量的增加,无辐射共振作用减弱,~4F_(9/2)+~7F_6→~6H_(15/2)+~5D_4交叉驰豫作用增强。Dy~(3+)含量小于1mol.%时,通过Dy~(3+)/Tb~(3+)之间无辐射共振作用传递的能量大于交叉驰豫作用,G1玻璃的发光强度大于D1玻璃;反之,交叉驰豫作用显著。


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