2-3μm中紅外波段的激光在激光雷達、環(huán)境監(jiān)測、激光醫(yī)療及光通信等領域具有廣泛的應用,具有2-3μm高效發(fā)射的激光材料是中紅外光纖激光器的核心與基礎。目前的中紅外波段發(fā)光材料主要集中在晶體、硅酸鹽玻璃、氟化物玻璃和重金屬氧化物玻璃中。其中鍺酸鹽玻璃具有物化性能好、機械性能好、熱穩(wěn)定性好及紅外透過范圍寬等優(yōu)點,是一種適宜的激光玻璃材料,在超短脈沖激光器等方面具有良好的發(fā)展前景。本論文的主要目的是研究稀土離子摻雜鍺基重金屬氧化物玻璃的中紅外發(fā)光特性,為獲得優(yōu)異的中紅外激光玻璃增益介質(zhì)提供理論基礎和實驗基礎。論文主要包括六個部分:論文第一章為文獻綜述部分。主要介紹了中紅外激光的產(chǎn)生原理,對相關稀土離子進行了概述,然后介紹了應用于中紅外波段的幾種玻璃基質(zhì),最后提出了本文的研究內(nèi)容。論文第二章為實驗及理論計算部分。主要介紹了鍺酸鹽玻璃樣品的制備、性能測試、光譜理論參數(shù)的計算及分析等。論文第三章主要是制備及研究兩種體系的鍺酸鹽玻璃。分析了兩種鍺酸鹽玻璃的物化性能及熱穩(wěn)定性能。數(shù)據(jù)結(jié)果表明兩種玻璃體系均具有良好的熱學性能。論文第四章主要研究了稀土離子摻雜鍺酸鹽玻璃的中紅外光譜特性。以64GeO_2-9Ga_2O_3-10BaF_2-10LiF-7Y_2O_3為玻璃基質(zhì),首先研究了Dy~(3+)/Yb~(3+)共摻鍺酸鹽玻璃的~2.9μm的發(fā)光特性,通過測試的吸收光譜及J-O理論計算得到Dy~(3+)離子的自發(fā)輻射躍遷幾率為63.94s~(-1)。在共摻玻璃樣品中~2.9μm的熒光強度并沒有隨著Dy~(3+)離子濃度的增加而增加,說明玻璃內(nèi)部發(fā)生了熒光猝滅。具有最大熒光強度的玻璃樣品的熒光半高寬達322nm,最大發(fā)射截面為6.0×10~(-21)cm~2,且通過增益光譜表明所制備的玻璃具有良好的增益性能。Yb~(3+)離子的發(fā)射截面與Dy~(3+)離子的吸收截面有重疊,說明了兩離子之間具有能量轉(zhuǎn)移,最后通過能級圖闡述了相關的能量轉(zhuǎn)移過程。之后研究了Er~(3+)/Yb~(3+)共摻鍺酸鹽玻璃的~2.7μm的發(fā)光特性,通過J-O理論計算得到Er~(3+)離子的自發(fā)輻射躍遷幾率為34.84s~(-1)。與Er~(3+)離子單摻的熒光強度相比,Er~(3+)/Yb~(3+)共摻樣品的熒光強度有明顯的增加,且共摻樣品中的熒光強度與Yb~(3+)離子的摻雜濃度成正比關系,說明了玻璃內(nèi)部并沒有發(fā)生熒光猝滅。Er~(3+)離子的最大發(fā)射截面為2.7×10~(-21)cm~2且具有良好的增益性能。最后通過Er~(3+)和Yb~(3+)的能級圖討論了Er-Yb之間的能量轉(zhuǎn)移機理。論文第五章主要研究了稀土離子摻雜鍺碲酸鹽玻璃的中紅外光譜特性,以70GeO_2-10TeO_2-10K_2O-5Nb_2O_5-5La_2O_3為玻璃基質(zhì),首先研究了Tm~(3+)/Ho~(3+)共摻鍺碲酸鹽玻璃的~2μm的發(fā)光特性,通過J-O理論分析得到Tm~(3+)離子的自發(fā)輻射躍遷幾率為333.13s~(-1);Ho~(3+)離子的自發(fā)輻射躍遷幾率為70.81s~(-1)。摻雜1mol%Tm~(3+)和0.1mol%Ho~(3+)離子的共摻樣品具有最大的熒光半高寬(373nm),且整體的熒光比較平緩,很好的平衡了Tm~(3+):~1.85μm發(fā)光和Ho~(3+):~2μm發(fā)光,滿足寬帶發(fā)光的要求。對應Tm~(3+):~3F_4→~3H_6和Ho~(3+):~5I_7→~5I_8的最大發(fā)射截面分別為7.1×10~(-21)cm~2、1.4×10~(-21)cm~2。通過能級圖定性地分析能量轉(zhuǎn)移機理,并通過計算能量轉(zhuǎn)移微觀參數(shù)定量地分析Tm-Ho之間的能量轉(zhuǎn)移。之后探究了Er~(3+)/Ho~(3+)共摻鍺碲酸鹽玻璃的~2μm的發(fā)光特性。通過J-O理論分析得到Ho~(3+)離子的自發(fā)輻射躍遷幾率為88.84s~(-1);Ho~(3+)離子單摻的玻璃樣品中沒有熒光產(chǎn)生,而Er~(3+)/Ho~(3+)共摻樣品的~2μm處的熒光強度隨著Er~(3+)離子濃度的增加而增加,在~1.55μm處的熒光強度卻逐漸下降,說明了Er~(3+)離子將能量有效地轉(zhuǎn)移給了Ho~(3+)離子。Ho~(3+)離子在玻璃樣品中具有大的發(fā)射截面(3.9×10~(-21)cm~2)且具有良好的增益性能。最后通過能級圖討論了Er~(3+)/Ho~(3+)離子共摻鍺碲酸鹽玻璃中的能量轉(zhuǎn)移機理。論文的第六章是總結(jié),概括了全文的實驗研究結(jié)果,并指出本論文存在的不足之處。
【學位單位】：中國計量大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ171.1
【部分圖文】：

中國計量大學碩士學位論文光纖激光器中激光的產(chǎn)生必須滿足三個前提條件：（1）激光增益介質(zhì)子數(shù)反轉(zhuǎn)以產(chǎn)生光受激輻射并放大；（2）泵浦源，為纖芯中稀土離子現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)提供能量；（3）諧振腔，為激光提供正反饋且具有選模作 1.1 所示。在光纖激光器中，增益介質(zhì)是稀土離子摻雜的玻璃拉制成的光核心組成部分。激光的產(chǎn)生原理如下：當特定波長的泵浦光被耦合進入纖時，纖芯中摻雜的稀土離子有效吸收泵浦光的能量，從低能級躍遷到。在粒子數(shù)實現(xiàn)了反轉(zhuǎn)之后，即高能態(tài)的粒子數(shù)要多于低能態(tài)的粒子數(shù)從高能級以光輻射的形式躍遷至低能級，輻射產(chǎn)生的光在諧振腔中形成，完成受激輻射之后輸出激光。

圖 1.2 Tm3+離子的部分能級結(jié)構(gòu)圖Ho3+離子的能級示意圖如圖 1.3 所示。Ho3+離子的受激發(fā)射截面比 Tm的更大；另外其~2μm 的熒光壽命更長，所以 Ho3+離子是獲得超短脈沖激理想稀土離子。從示意圖可看出。Ho3+離子屬于三能級結(jié)構(gòu)，因此要獲得輸出需要使用高功率的泵浦源以實現(xiàn)粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)[32]。但是 Ho3+離子8nm、645nm 可見光波段和 1150nm 近紅外波段存在較強的吸收，但現(xiàn)實這些波段處并沒有開發(fā)出商用泵浦。科研人員研究發(fā)現(xiàn)，可使用一些敏化對 Ho3+離子進行敏華，通過離子間的能量轉(zhuǎn)移，從而獲得 Ho3+離子的~光。常用的對 Ho3+離子進行敏化的有 Yb3+、Er3+以及 Tm3+離子等（Tm3+離作為發(fā)光激活離子，又可作敏化離子）。在 Ho3+/Yb3+共摻系統(tǒng)中，Yb3+為敏化離子，首先 Yb3+離子吸收 980nm 商用泵浦源的激光能量，然后將的傳遞給臨近的 Ho3+離子，以實現(xiàn)最終的~2μm 的發(fā)光[33]。2003 年，Jac究小組在 Ho3+/Yb3+共摻石英光纖中獲得~2μm 激光，輸出功率為 0.85W[3幾年關于 Ho3+/Yb3+共摻鍺酸鹽玻璃的研究也日益增加[35-36]。另外一個常

圖 1.3 Ho3+離子的部分能級結(jié)構(gòu)圖.2 可用于~3μm 發(fā)光的稀土離子及發(fā)光機理目前常用的獲得~3μm 波段中紅外發(fā)光的稀土離子主要有 Dy3+離子、E Ho3+離子。首先介紹 Dy3+離子，其6H13/2 6H15/2的能級躍遷可產(chǎn)生~2的光。由圖 1.4 可以看出 Dy3+離子在 1100nm 和 1300nm 等處均有吸收，S.D. Jackson 等人采用 Yb3+離子摻雜石英光纖激光器作泵浦源，首次在摻雜的ZBLAN光纖中實現(xiàn)了~2.9μm激光輸出，其最大輸出功率為275效率僅有 4.5%[41]。2006 年，Tsang 等人采用 Nd:YAG 激光器作泵浦源3+離子摻雜的氟化物光纖中實現(xiàn)了~2.9μm激光輸出，斜率效率為20%[42]。M.R. Majewski 等人采用 1.7 μm 拉曼光纖激光器作泵浦源，在 Dy3+離子ZBLAN 光纖中實現(xiàn)了 2.8-3.4μm 范圍內(nèi)的激光輸出，其最大輸出功mW，斜率效率僅有 21%[43]。但問題是他們采用的激光器并不是商用泵浦Dy3+離子的能級圖中可以看出 Dy3+離子在 800nm 處也存在吸收峰，但是度很弱，利用 808nm 商用泵浦所能得到的中紅外熒光量子效率很低。
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本文編號：2851761