【摘要】：在當(dāng)今信息化、智能化大發(fā)展的時(shí)代,提升光纖通訊領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)傳輸容量,尋求超寬帶的光纖放大器已成為光纖通訊行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展和完善的關(guān)鍵。為此,研究者們一直在尋找具有超寬帶近紅外發(fā)射且能夠有效覆蓋石英光纖低損耗窗口的光纖增益介質(zhì)。鉍(Bi)摻雜的多組分硅酸鹽玻璃不僅具有這種超寬帶近紅外發(fā)光,還具有熔點(diǎn)低、機(jī)械和化學(xué)熱穩(wěn)定性好、易于制備等優(yōu)點(diǎn),逐漸成為研究者們關(guān)注的對(duì)象。但是目前鉍摻雜的多組分鋁硅酸鹽玻璃仍然存在發(fā)光效率低、玻璃組分不均勻、鉍近紅外發(fā)光與玻璃結(jié)構(gòu)關(guān)系不明確、鉍近紅外中心不穩(wěn)定、玻璃熱猝滅現(xiàn)象嚴(yán)重等一系列的問題。本論文針對(duì)這些問題,系統(tǒng)地合成了系列鉍摻雜的多組分硅酸鹽激光玻璃,研究并揭示了玻璃的近紅外發(fā)光和玻璃結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。本論文取得的研究成果如下:(1)提高了玻璃中鉍的近紅外發(fā)光效率:在硅酸鹽玻璃基質(zhì)中析出Sr_2Ln F_7(Ln=La,Gd,Y,Yb,Lu)氟化物納米晶體可以有效地增強(qiáng)鉍的近紅外發(fā)光。具體地,我們首先在鉍摻雜硅酸鹽玻璃體系中析出了Sr_2Yb F_7納米晶,該氟化物晶體具有較低的聲子能,有效降低了鉍的無(wú)輻射躍遷幾率,從而使其近紅外發(fā)射強(qiáng)度增強(qiáng)了40多倍。此外,我們對(duì)鉍摻雜的一系列Sr_2Ln F_7(Ln=La,Gd,Y,Yb,Lu)微晶玻璃的近紅外發(fā)光特性和析晶動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著稀土離子半徑的增大,Sr_2Ln F_7晶體的析晶活化能逐漸減小,鉍的近紅外發(fā)射強(qiáng)度逐漸減弱。該部分工作提出了一種有效增強(qiáng)鉍近紅外發(fā)光的方法,為將來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的、可控的鉍寬帶近紅外發(fā)射奠定了基礎(chǔ);同時(shí),析晶動(dòng)力學(xué)過(guò)程的研究對(duì)我們控制玻璃的析晶過(guò)程具有一定的指導(dǎo)意義。(2)改善了鉍在玻璃中分布均勻性:以鉍不均勻摻雜的鈣鋁硅酸鹽玻璃為例,探索了該玻璃中鉍分布不均勻現(xiàn)象的本質(zhì)。結(jié)果表明,鉍的不均勻分布是由玻璃中不同配位鋁分布不均引起的。最后,通過(guò)調(diào)控玻璃結(jié)構(gòu)中鋁配位,實(shí)現(xiàn)了鉍在鈣硅酸鹽玻璃中的均勻分布。這為今后獲得光學(xué)均勻性良好的鉍激光玻璃和光纖奠定了基礎(chǔ)。另外,還發(fā)現(xiàn),鋁配位結(jié)構(gòu)對(duì)鉍的近紅外發(fā)光有著顯著的影響:四配位的Al O_4有利于硅酸鹽玻璃中鉍近紅外中心的形成,進(jìn)而促進(jìn)近紅外發(fā)射;Al-O鍵鍵長(zhǎng)大于Si-O鍵鍵長(zhǎng),所以當(dāng)Al O_4連接到硅的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中后,容易造成硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)張,這會(huì)使鉍所處的晶體場(chǎng)強(qiáng)減弱,從而產(chǎn)生近紅外發(fā)射藍(lán)移的現(xiàn)象�？傊�,通過(guò)調(diào)控玻璃中鋁的配位結(jié)構(gòu)和分布,不僅可以提升玻璃的均勻性,還可以有效地調(diào)控鉍的近紅外發(fā)光行為。(3)揭示了鉍近紅外發(fā)光行為與玻璃結(jié)構(gòu)的關(guān)系:系統(tǒng)地研究了鉍摻雜的鈣、鎂鋁硅酸鹽玻璃中鉍的近紅外發(fā)光特性。結(jié)果顯示,鉍的近紅外發(fā)光不僅受到鋁配位結(jié)構(gòu)的影響,還受到硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合度的影響(非橋氧的影響)。當(dāng)鋁作為玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體時(shí),Al O_4的增多有利于鉍近紅外發(fā)光的增強(qiáng);當(dāng)玻璃中硅的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生解聚時(shí),玻璃網(wǎng)絡(luò)中增多的非橋氧不利于鉍近紅外中心的存在,進(jìn)而使近紅外發(fā)光減弱。在鉍摻雜的鈣、鎂鋁硅酸鹽玻璃中,鉍的近紅外發(fā)光行為是鋁配位結(jié)構(gòu)和硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合度共同作用的結(jié)果。另外,我們還發(fā)現(xiàn)鉍的近紅外發(fā)射峰位與玻璃中堿土金屬氧化物的含量存在一定的指數(shù)函數(shù)關(guān)系,而其發(fā)射峰半高寬(FWHM)與堿土金屬氧化物含量成線性關(guān)系。因此,從一定程度上來(lái)講,通過(guò)對(duì)玻璃組分和結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)是可以有效調(diào)控鉍近紅外發(fā)射行為的,甚至預(yù)測(cè)鉍的近紅外發(fā)光行為。這將為實(shí)現(xiàn)高效、可調(diào)的超寬帶鉍近紅外發(fā)光提供可能,也將推動(dòng)鉍摻雜多組分玻璃在寬帶光纖放大器系統(tǒng)中的應(yīng)用。(4)穩(wěn)定了玻璃中的鉍近紅外中心,并提出了局域過(guò)剩電荷模型:對(duì)鉍摻雜的鑭鋁硅酸鹽玻璃和釔鋁硅酸鹽玻璃的近紅外發(fā)光特性和玻璃結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在這兩種玻璃體系中,Bi~0近紅外中心主要分布于硅多元環(huán)狀結(jié)構(gòu)內(nèi),而Bi~+近紅外中心則分布于硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的縫隙中。當(dāng)硅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不解聚時(shí),Bi~0和Bi~+近紅外中心可穩(wěn)定分布于其相應(yīng)的格位上�；诰钟蜻^(guò)剩電荷模型,通過(guò)設(shè)計(jì)和調(diào)整玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了鉍在鑭、釔硅酸鹽玻璃中穩(wěn)定分布,并獲得了具有固定發(fā)射波長(zhǎng)和波形的寬帶近紅外發(fā)光。研究結(jié)果表明,調(diào)控玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是一種穩(wěn)定和調(diào)控Bi近紅外發(fā)光的有效且可行的方法。這不僅有助于理解鉍近紅外中心的分布,還對(duì)設(shè)計(jì)和制備出高效、發(fā)射波長(zhǎng)固定的超寬帶近紅外發(fā)光鉍鋁硅酸鹽激光玻璃具有指導(dǎo)意義。(5)發(fā)現(xiàn)了改善鉍摻雜玻璃抗熱淬滅性能的方法:以鉍摻雜的鎂鋁硅酸鹽玻璃為例,研究了堿土金屬氧化物摻雜濃度對(duì)玻璃熱猝滅特性的影響。結(jié)果表明,所制備的玻璃都具有較好的抗熱淬滅性,特別是鉍摻雜的60Si O_2-20Al_2O_3-20Mg O玻璃樣品在經(jīng)過(guò)兩次30-300℃的冷熱循環(huán)實(shí)驗(yàn)后,近紅外發(fā)光強(qiáng)度仍然能夠恢復(fù)到熱處理前發(fā)光強(qiáng)度的97.7%。更有意義的是,發(fā)現(xiàn)隨著堿土金屬氧化物濃度的增加,玻璃中硅的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸被解聚,玻璃網(wǎng)絡(luò)中的非橋氧也逐漸增多,這就使得周圍氧氣更容易擴(kuò)散到玻璃網(wǎng)絡(luò)中,加速了升溫過(guò)程中低價(jià)態(tài)的鉍近紅外中心氧化,導(dǎo)致近紅外發(fā)光減弱。因此,玻璃的熱猝滅現(xiàn)象隨著堿土金屬氧化物濃度的增加更加顯著,只有當(dāng)玻璃中堿金屬和堿土金屬氧化物的含量較低、非橋氧數(shù)目較少時(shí),才容易獲得抗熱淬滅性能良好的鉍玻璃,這一工作對(duì)獲得抗熱淬滅性能良好的玻璃具有指導(dǎo)意義。
【圖文】：

電磁波作為一種信息傳輸和存儲(chǔ)的載體，不斷向人們傳遞了大量的訊息，豐富了人們對(duì)事物、對(duì)科學(xué)以及對(duì)生命的認(rèn)知。電磁波按照波長(zhǎng)的不同，可以簡(jiǎn)單地劃分為如圖1-1所示的幾個(gè)波段：γ射線（γ-rays），X射線（X-rays），紫外光（UV，ultraviolet），可見光（Vis，visible），紅外光（IR，infrared）

圖 1-2 稀土離子摻雜光纖的增益帶寬以及石英光纖的光衰光譜圖[21-2 Gain bandwidth of rare-earth doped fibers with an attenuation spectrusilica fiber[20]傳輸系統(tǒng)，即光纖通訊系統(tǒng)中，與光纖傳輸容量相關(guān)的核心技術(shù)是傳器。目前成熟的光纖通訊系統(tǒng)采用石英光纖作為光傳輸介質(zhì)。如圖在 O（1260-1350 nm），E（1350-1440 nm），S（1440-1515 nm），C（（1570-1625 nm）和 U（1625-1680 nm）這六個(gè)近紅外波段范圍內(nèi)的< 0.4 dB/km）[21]。作為光信號(hào)傳輸介質(zhì)，石英光纖的超低損耗窗口光纖通訊系統(tǒng)中決定光纖傳輸容量的是光纖放大器的帶寬。目前，，光最為廣泛的光纖放大器是稀土離子摻雜的光纖放大器，特別是鉺摻雜FA）[22-25]。但是，如圖 1-2 所示，稀土離子因?yàn)槠?4f 能級(jí)躍遷所限窄帶發(fā)射[26]，研制多種稀土離子共同摻雜的光纖，可以從一定程度程中數(shù)據(jù)傳輸阻塞的壓力。即使這樣，這些多種稀土離子摻雜光纖的
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ171.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2653320