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Dy~(3+)单掺、Dy~(3+)/Tm~(3+)共掺硫系玻璃红外发光研究

邓圣伟  
【摘要】:0.8~5μm相干光源在光通信、遥感、环境监测、激光雷达、生物和医疗等方面有着广泛的应用前景。而硫系玻璃较低的声子能量和高的折射率使得稀土离子掺杂其中具有较低的多声子弛豫概率和较大的受激发射截面,从而使红外辐射跃迁成为可能。硫卤玻璃相对硫化物玻璃具有更好的稀土掺杂能力,更低声子能量及优良的热稳定性等优点,因此硫卤玻璃是制作红外光源的潜在基质材料。 本学位论文选取65GeS_2-25Ga_2S_3-10CsI和GeS_2-Ga_2S_3-PbI_2系统作为基质玻璃,制备了Dy~(3+)单掺、Dy~(3+)/Tm~(3+)共掺系列玻璃样品,并且对Dy~(3+)掺杂的65Ge S2-25Ga_2S_3-10CsI系统玻璃进行微晶化处理,获得微晶玻璃陶瓷样品,以便研究微晶化对近红外及中红外荧光特性的影响。对Dy~(3+)单掺、Dy~(3+)/Tm~(3+)共掺样品进行了近红外及中红外光谱性质的研究,用Judd-Ofelt理论计算分析了各基质玻璃的光谱参数。详细地讨论了基质成分变化对近红外及中红外荧光特性的影响,讨论了微晶化对样品的物理性质和光学特性的影响,从而更有利于寻找到适合高效中红外荧光输出的基质材料,为更好地选择稀土掺杂基质材料实现近红外及中红外荧光输出提供理论和实验基础。 论文绪论主要介绍了激光玻璃的研究进展,归纳了硫系玻璃的特点及其在中红外的应用,详细阐述稀土掺杂硫系玻璃的研究现状和Dy~(3+)离子掺杂硫系玻璃近红外及中红外发光国内外最新研究进展,然后提出了本文的研究内容和研究思路。 论文第二章主要介绍了硫系玻璃的实验方法,包括玻璃的制备和样品物理性能与光学特性的测试原理及方法,还介绍了本文中涉及到的一些理论基础,其中包括Judd-Ofelt理论、McCumber理论等。 论文第三章首先制备了掺杂浓度为0.3 wt%的Dy~(3+): (100-x)(0.8GeS_2- 0.2Ga_2S_3)-xPbI_2(mol%) (x=5,10, 15)系列硫卤玻璃样品,测试了样品热稳定性、折射率、密度、吸收光谱、近红外及中红外荧光光谱。根据吸收光谱分析了基质玻璃的光学带隙。应用Judd-Ofelt理论计算了Dy~(3+)离子在系列样品中的强度参数(Ω_t, t=2,4,6)、自发辐射跃迁几率(A_(rad))、荧光分支比(β)以及辐射寿命(τ_(rad))等光谱参数。讨论了PbI_2含量对样品的吸收光谱、光谱参数以及荧光光谱的影响。并计算玻璃样品多声子弛豫概率,讨论不同基质玻璃的多声子弛豫现象。 论文第四章制备了Dy~(3+)/Tm~(3+)共掺(100-x)(0.8GeS_2-0.2Ga_2S_3) -xPbI_2 (mol%, x=2.5,5, 10, 15, 20)系列玻璃样品,测试了样品拉曼光谱、吸收光谱、近红外及中红外荧光光谱。研究了Tm~(3+)浓度和PbI_2含量对样品中红外发光特性的影响,讨论了Tm~(3+)→Dy~(3+)能量传递机制,计算了0.3 wt% Dy~(3+)/0.6 wt% Tm~(3+)共掺64GeS_2-16Ga_2S_3-20PbI_2玻璃在2933 nm和4315 nm处的发射截面值(σemi)。 论文第五章采用熔融淬冷法制备了0.7wt%Dy~(3+)掺杂65GeS_2-25Ga_2S_3-10CsI基质玻璃,尝试利用热处理方法对其进行微晶化处理,以期获得透明微晶硫系玻璃,使得Dy~(3+)离子处于比硫系玻璃本身基质声子能量更低的微晶局域结构环境中,从而有望更容易实现高效的近红外及中红外荧光输出,达到开发和探索新型稀土掺杂中红外激光介质材料的目标。讨论了微晶玻璃陶瓷与基质玻璃之间的热学性能、机械性能、红外透过特性、近红外及中红外发光特性的差异。 在论文的结论部分,概括总结了实验研究结果,同时指出了存在的不足以及需要补充改进之处。


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