【摘要】：近年來(lái),中紅外光纖激光器引起了人們廣泛而深入的研究,這是因?yàn)榇瞬ǘ蔚闹屑t外光學(xué)材料無(wú)論在民用還是軍事領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。為了獲得廉價(jià)、實(shí)用和高效的中紅外激光光源,人們對(duì)此在摻雜稀土離子的晶體、陶瓷、玻璃及其光纖中進(jìn)行了大量的研究。本論文旨在研究能夠適用于中紅外激光輸出的玻璃增益介質(zhì)材料,通過(guò)在碲酸鹽玻璃基質(zhì)中雙摻稀土離子,研究其中紅外熒光光譜性能以及摻雜稀土離子間的能量傳遞機(jī)制。相比于傳統(tǒng)的激光玻璃,碲酸鹽玻璃作為重金屬氧化物玻璃具有較低的聲子能量以及高折射率,而且其熔化溫度更低,具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性。因此,本文選取了TeO_2-WO_3-ZnO-La_2O_3碲酸鹽玻璃體系為基質(zhì),對(duì)玻璃樣品進(jìn)行了拉曼光譜測(cè)試,發(fā)現(xiàn)其具有較低的聲子能量(最大聲子能量為750cm~(-1))。同時(shí),對(duì)其進(jìn)行了熱穩(wěn)定性分析(DTA),發(fā)現(xiàn)其具有較低的玻璃轉(zhuǎn)變溫度T_g(345℃)和較大的(35)T(163℃)。進(jìn)一步研究了摻雜Dy~(3+)和Er~(3+)離子玻璃樣品的吸收光譜,分別討論了它們的J-O參數(shù)與輻射性質(zhì)。通過(guò)808 nm LD激發(fā)摻雜Dy~(3+)的玻璃樣品,得到了2.8μm的熒光輸出。此外,通過(guò)808/980 nm LD激發(fā)摻雜Er~(3+)的玻璃樣品,均得到了2.7μm的熒光輸出。在此研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了Dy~(3+)/Er~(3+)共摻碲酸鹽玻璃樣品在808/980 nm LD泵浦下的2.7μm和2.8μm熒光光譜性質(zhì),發(fā)現(xiàn)無(wú)論是808 nm LD泵浦下在還是在980 nm LD泵浦下,Dy~(3+)/Er~(3+)共摻樣品的中紅外發(fā)光范圍均比Er~(3+)單摻樣品的要寬,因而實(shí)現(xiàn)了2500-3100 nm寬波帶的中紅外發(fā)光。在808 nm LD泵浦下,Er~(3+):~4I_(13/2)→Dy~(3+):~6H_(11/2)過(guò)程的能量傳遞效率為73.1%,Er~(3+):~4I_(11/2)→Dy~(3+):~6H_(5/2)和Er~(3+):~4I_(13/2)→Dy~(3+):~6H_(11/2)能級(jí)躍遷的能量轉(zhuǎn)移系數(shù)分別為6.89×10~(-38)和0.01×10~(-38) cm~6/s。而在980nm LD泵浦下,Er~(3+):~4I_(13/2)→Dy~(3+):~6H_(11/2)過(guò)程的能量傳遞效率可以達(dá)到80%。為了進(jìn)一步研究該玻璃材料在~3μm的發(fā)光,還研究了不同Tm_2O_3含量的Dy~(3+)/Tm~(3+)共摻碲酸鹽玻璃在808 nm泵浦下2.8μm的熒光光譜特性。隨著Tm_2O_3含量的增大,共摻樣品中的1.8μm與2.3μm熒光強(qiáng)度不斷減弱,2.8μm的熒光強(qiáng)度不斷增強(qiáng)。其中,0.5mol%Dy~(3+)/1.5mol%Tm~(3+)共摻樣品中的2.8μm的受激發(fā)射截面可以達(dá)到2.82×10~-2020 cm~2。Tm~(3+):~3F_4能級(jí)通過(guò)ET2能量傳遞過(guò)程將能量有效的傳遞給Dy~(3+):~6H_(11/2)能級(jí),其傳遞效率高達(dá)86.80%。同時(shí),還討論了2.8μm熒光增強(qiáng)的機(jī)理。~2μm輻射光被認(rèn)為對(duì)人眼是安全的,能夠應(yīng)用于包括紅外激光制導(dǎo)與偵查、外差相干檢測(cè)和低壓氣體的高分辨率光譜分析等領(lǐng)域。因而,研究了Tm~(3+)以及Tm~(3+)/Ho~(3+)共摻碲酸鹽玻璃的2μm熒光性能。發(fā)現(xiàn)當(dāng)Tm~(3+)離子的濃度為0.5 mol%,Ho~(3+)離子的濃度為1.5 mol%時(shí),2μm的熒光強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)。在808 nm波長(zhǎng)激光泵浦下,0.5Tm~(3+)/1Ho~(3+)共摻樣品在2μm處的發(fā)射截面,其最大值為3.10×10~(-21) cm~2,發(fā)射中心位于2048 nm。利用重疊積分法計(jì)算Tm~(3+)與Ho~(3+)之間的能量傳遞微觀參數(shù),發(fā)現(xiàn)其能量傳遞系數(shù)可以達(dá)到3.625×10~(-40)cm~6/s。本文最后研究了Tm~(3+)/Er~(3+)共摻碲酸鹽玻璃在808/980 nm泵浦下的~2μm光譜性能以及Tm~(3+)與Er~(3+)之間的能量相互傳遞過(guò)程。中紅外熒光光譜表明,當(dāng)Tm~(3+)離子的濃度為0.5 mol%,Er~(3+)離子摻雜濃度為0.5mol%時(shí),1.8μm與2.7μm的熒光強(qiáng)度均達(dá)到最強(qiáng)。而在980 nm泵浦下,2.7μm的熒光強(qiáng)度達(dá)到最強(qiáng)時(shí)的Er~(3+)離子濃度為1mol%。0.5Tm~(3+)/0.5Er~(3+)共摻樣品的最大發(fā)射截面可以達(dá)到4.68×10~(-21) cm~2,其中心波長(zhǎng)位于1886 nm。當(dāng)P為0.4時(shí),Tm~(3+):~3F_4→~3H_6在1852-2100 nm處的增益開(kāi)始為正。其最大增益系數(shù)為0.91 cm~(-1),中心波長(zhǎng)位于1887 nm。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)計(jì)量大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TQ171.1
【圖文】：

圖 1. 2 Ho3+離子的部分能級(jí)圖子的能級(jí)較為豐富，其基態(tài)能級(jí)上的粒子能夠被多波能級(jí)，Tm3+離子的部分能級(jí)如圖 1.3 所示。由圖可676 nm、790 nm、1060 nm 以及 1550 nm 波長(zhǎng)的激光μm、2.3 μm 和 1.8 μm 的熒光。由于 Tm3+離子在 8，因而通過(guò) 790 nm 的激光泵浦可以獲得較為理想的 的發(fā)光。Tm3+離子的量子效率較大，這是由于 Tm豫過(guò)程3H6+3H4→3F4+3F4(CR) 是一個(gè)非輻射過(guò)程躍遷到3F4能級(jí)時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)粒子。1989 年，R. A過(guò) 790 nm 激光泵浦摻雜 Tm3+離子氟化物玻璃實(shí)現(xiàn)可以得到 1 mW 的輸出功率以及 10%的斜率效率[2人采用 676 nm 的激光泵浦摻雜 Tm3+離子 ZBLAN 光 2.2 mW 的 2.3 μm 激光輸出[28]。2010 年，R.M. E nm 的 Nd:YAG 激光器來(lái)激發(fā)摻雜 Tm3+離子的 ZBL出功率為 150 mW 以及斜率效率為 7.8%的 2.31 μm

圖 1. 3 Tm3+離子的部分能級(jí)圖.4 中 Er3+離子的部分能級(jí)圖可知，Er3+離子基態(tài)能級(jí)nm、655 nm、808 nm 以及 980 nm 的激發(fā)光泵浦到高m、3.5 μm、2.7 μm 和 1.55 μm 的發(fā)光。由于 Er3+離的 808 nm 或者 980 nm 激光泵浦，并通過(guò) Er3+:4I11/2 2.7 μm 的發(fā)光，因而被廣泛用于中紅外激光材料的子。1987 年，G.J. Kintz 等人首次在摻雜 Er3+離子的輸出功率為 147 mW 的 2.8 μm 激光輸出[31]。隨后的 在摻雜 Er3+離子的 ZBLAN 玻璃中可以得到 2.7 μm 發(fā)Y. Allain 等人通過(guò) 476 nm 的激發(fā)光泵摻雜 Er3+離子了輸出功率為 7 mW 的 2.7 μm 激光輸出[34]。隨著人究進(jìn)一步深入，2.7 μm 的激光輸出可以由毫瓦達(dá)到，S. Tokita 等人通過(guò) 975 nm 激光激發(fā)摻雜 Er3+離子的了輸出功率高達(dá) 24 W 的 3 μm 激光輸出[35]。

圖 1. 3 Tm3+離子的部分能級(jí)圖.4 中 Er3+離子的部分能級(jí)圖可知，Er3+離子基態(tài)能級(jí)nm、655 nm、808 nm 以及 980 nm 的激發(fā)光泵浦到高m、3.5 μm、2.7 μm 和 1.55 μm 的發(fā)光。由于 Er3+離的 808 nm 或者 980 nm 激光泵浦，并通過(guò) Er3+:4I11/2 2.7 μm 的發(fā)光，因而被廣泛用于中紅外激光材料的子。1987 年，G.J. Kintz 等人首次在摻雜 Er3+離子的輸出功率為 147 mW 的 2.8 μm 激光輸出[31]。隨后的 在摻雜 Er3+離子的 ZBLAN 玻璃中可以得到 2.7 μm 發(fā)Y. Allain 等人通過(guò) 476 nm 的激發(fā)光泵摻雜 Er3+離子了輸出功率為 7 mW 的 2.7 μm 激光輸出[34]。隨著人究進(jìn)一步深入，2.7 μm 的激光輸出可以由毫瓦達(dá)到，S. Tokita 等人通過(guò) 975 nm 激光激發(fā)摻雜 Er3+離子的了輸出功率高達(dá) 24 W 的 3 μm 激光輸出[35]。

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本文編號(hào)：2747139