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Ho~(3+)离子掺杂硫系玻璃中红外发光特性研究

魏淑林  
【摘要】:2-5μm中红外波段涵盖了很多重要的分子振动吸收频带,如生物组织、土地和空气污染物、有毒物质、石油等,因此在生物光子学、实时监控、遥感化学传感、红外雷达等民事和军事领域有着广泛的重要应用。目前获得中红外光源的主要途径是利用稀土离子掺杂的基质玻璃和光纤,其中以低声子能量(350cm-1)为主要优势的硫系玻璃,得到了大量的研究,再加上基质本身较高的折射率、较宽的近红外-中红外透过范围和较好的稀土离子掺杂能力,硫系玻璃已成为近年来研究的热点。 本文在前人研究的基础上,对Ho~(3+)离子掺杂的多组分硫系玻璃和硫卤玻璃进行了2-5μm波段光谱特性的研究,主要包括GeS2-In2S3-CsI,Ge-Ga-Sb-S系列的玻璃系统,利用Judd-Ofelt理论分别计算了各个基质玻璃的一些光谱参数,讨论了2-5μm波段荧光发射的光谱特性,讨论了Ho~(3+)离子、Tm~(3+)/Ho~(3+)离子各个能级的跃迁效应,并在这基础上建立Ho~(3+)离子掺杂的硫系玻璃光纤放大器理论模型,讨论了单掺和共掺两种形式下不同发射波段的增益情况,讨论了不同波段的增益与泵浦功率、掺杂光纤的关系,为更好的实现2-5μm波段中红外发光和硫系玻璃为基质的光纤放大器的研究提供实验和理论基础。 论文第一章概要的介绍了2-5μm波段中红外发光的研究情况。主要介绍了稀土掺杂硫系玻璃的中红外发光和Ho~(3+)离子掺杂硫系玻璃的研究进展,分析了中红外发光的应用和光纤放大器的研究进展,最后提出了本论文的研究目的和研究的意义。 第二章主要概述了本论文中应用到的理论基础,主要包括两部分理论知识,一是用于计算光谱参数的Judd-Ofelt理论、Futchbauer-Ladenburg理论以及Mc-Cumber理论,二是光纤放大器的基本理论,包括四能级系统、能量转移效应、粒子数速率-光传输方程和matlab软件模拟等理论。 第三章介绍了本工作的实验内容和测试表征方法,包括玻璃样品的制备工艺及样品测试和表征手段,如差热分析(DSC)、拉曼光谱、中红外光谱测试等。 第四章主要研究了Tm~(3+)/Ho~(3+)离子共掺的GeS2-In2S3-CsI硫卤玻璃的荧光特性,分析了Tm~(3+)离子浓度不变时,不同Ho~(3+)离子掺杂浓度在2.0μm波段的荧光特性。逐渐增加Ho~(3+)离子浓度时,可得到不断增强的2.0μm处荧光,以及不断降低的1.86μm处荧光,分析了两种离子间存在的能量转移过程。 第五章主要研究了Ho~(3+)离子掺杂硫系玻璃光纤在2.86μm中红外波段的增益特性。在分析掺杂基质光谱特性的基础上,进一步建立放大器理论模型,讨论了掺钬硫系玻璃光纤在2.86μm波段实现高增益的理论可行性,结果显示理论上最高增益达到了36dB。 第六章主要研究了Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺GeGaSbS玻璃在2.0μm波段的放大增益性能。通过计算发射截面、辐射寿命等光谱参数,研究两种离子共掺时的能级离子跃迁过程,在考虑能量转移、交叉弛豫等效应的基础上,建立放大器理论模型,讨论GeGaSbS玻璃光纤在2.0μm波段的增益特性,增益最大值为27dB,增益带宽为112dB。此外,并分析了信号光功率、掺杂光纤长度与增益的变化关系。 最后结论部分是对本文研究工作的总结,于此同时也指出了本研究过程中的不足和需要完善的地方。


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