本文關(guān)鍵詞：鈥摻雜氟碲酸鹽玻璃及其光纖的制備與表征，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：作為一種新型的氧化物玻璃,氟碲酸鹽玻璃不僅具有氧化物基質(zhì)的大部分特性:優(yōu)良的機械與化學(xué)穩(wěn)定性、很低的激光損傷閾值,容易加工等優(yōu)點;同時它還擁有氟化物玻璃的一些基本性質(zhì):聲子能量非常低(650~700 cm-1)、紅外截止波長比較長(6.1?m左右),中紅外水分吸收系數(shù)很低(0.027 cm-1)等性能。以上這些優(yōu)良的光學(xué)特性使得氟碲酸鹽玻璃及其光纖在可見光-中紅外光纖器件的發(fā)展方面有著非常大的潛力。本論文以玻璃組成成分78TeO2-12ZnO-10Na2O(mol%,TZN78)為基礎(chǔ),衍生出60TeO2-30Zn F2-10NaF(mol%,TZNF60)的氟碲酸鹽玻璃配方。通過在玻璃中高摻雜Ho3+離子,最終在可見光到中紅外區(qū)域獲得了強烈的549 nm,660 nm,1.19?m,2.04?m以及2.85?m熒光。根據(jù)實驗進行過程,把本論文的主要研究內(nèi)容歸納如下:(1)通過傳統(tǒng)熔融-淬火的方法,制備了Ho3+/Yb3+共摻碲酸鹽玻璃樣品(x H3Y-TZN78,其中x=0.1,0.3,0.5,0.7,0.9)。利用976 nm激光進行泵浦,能夠觀察到樣品呈現(xiàn)出明亮的黃光,這是強烈綠光與紅光的混合結(jié)果。經(jīng)分析,發(fā)現(xiàn)紅色上轉(zhuǎn)換熒光強度是綠光強度的3倍之多,這主要是由于Yb-Ho之間發(fā)生了能量轉(zhuǎn)移上轉(zhuǎn)換的緣故。另外,經(jīng)DSC測得TZN78玻璃熱穩(wěn)定性能很好(?T=156℃),這表明TZN78玻璃具有較強的抗析晶能力,易拉制成光纖。上述這些研究為碲酸鹽玻璃在可見光激光器方面的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。(2)通過“綜合物理與化學(xué)除水技術(shù)”,熔制出Ho3+離子摻雜的氟碲酸鹽玻璃(x Ho-TZNF60,其中x=0.50,0.75,1.00,1.25,1.50)。由于玻璃組分的變化,碲酸鹽玻璃的物理性能也隨著發(fā)生了改變:折射率減小(n=1.8),拉曼峰值發(fā)生頻移,熱穩(wěn)定性能輕微下降(?T=148℃)等。但是,引入的F-離子使得玻璃的紅外透射范圍拓寬,并且3?m附近的水分吸收幾乎消失,這就為氟碲酸鹽玻璃及其光纖在中紅外波段的應(yīng)用提供了保障。(3)利用1163 nm光學(xué)參量振蕩器激發(fā)Ho-TZNF60玻璃樣品,獲得強烈的2.85?m(Ho3+:5I6→5I7)熒光:熒光半高寬為83 nm,受激發(fā)射面積為1.51×10-20 cm2,并且熒光壽命高達(dá)0.81ms。據(jù)我們所知,此熒光壽命在目前所報道的氧化物玻璃中是最大的,這是因為玻璃的近似無水特性以及較低的聲子能量減少了熒光上能級的非輻射躍遷過程;此外,在Ho-TZNF60玻璃樣品中還觀察到2.04?m(Ho3+:5I7→5I8)發(fā)光。它的熒光半高寬約為149 nm,最大壽命值為10 ms,受激發(fā)射橫截面積為7.2×10-21 cm2。同樣,2.04?m的壽命在所有氧化物玻璃中也是最大的,因此TZNF60玻璃在2.04?m處具有非常大的品質(zhì)因數(shù)值(FOM=7.13×10-27m2·s)。這些結(jié)果綜合地驗證了Ho-TZNF60玻璃在紅外激光器與光纖放大器領(lǐng)域中所蘊含的巨大潛力。(4)采用534 nm與891 nm波長分別對Ho-TZNF60玻璃樣品進行泵浦,獲得了強烈的1.19μm(Ho3+:5I6→5I8)和1.36μm(Ho3+:(5S2,5F4)→5I5)的近紅外熒光。由于玻璃的無水特性與較低的聲子能量,TZNF60玻璃在1.19μm與1.36μm處的熒光壽命范圍分別為:750~950μs與32~44μs。其中,1.36μm處的熒光壽命在許多氧化物玻璃中是無法探測到的。通過對玻璃在1.19μm處的增益特性分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)粒子反轉(zhuǎn)系數(shù)為0.6時,玻璃的理論增益系數(shù)高達(dá)0.51 dB/cm。這說明Ho-TZNF60玻璃能夠在光纖通信,光纖傳感等方面發(fā)揮很大的作用。(5)以TZNF玻璃為基質(zhì)材料,利用“內(nèi)鑄法”、“高速旋轉(zhuǎn)澆鑄法”與“棒管法”制備了氟碲酸鹽玻璃光纖。通過透射分析,發(fā)現(xiàn)氟碲酸鹽玻璃光纖的紅外截止波長從2.8μm(TZN78玻璃光纖)拓寬到4.2μm,這就進一步驗證了F-離子所起到的作用。光纖透射截止波長紅移對Ho3+離子在中紅外區(qū)域的發(fā)光具有十分重要的意義。雖然氟碲酸鹽玻璃光纖在1550 nm處的損耗高達(dá)1.9 dB/m,但它可以通過提高原材料的純度與優(yōu)化拉絲工藝來降低。利用自相位調(diào)制法測得TZNF玻璃光纖的非線性折射率n2=1.4(±0.2)×10-18 m2/W,非線性系數(shù)γ=20.9 W-1·km-1。如此高的非線性特性可使氟碲酸鹽玻璃光纖能夠應(yīng)用在紅外顯示、全光開關(guān),超連續(xù)光纖激光器等器件上。
【關(guān)鍵詞】：氟碲酸鹽玻璃 中紅外發(fā)光 熒光壽命 非線性效應(yīng) 光纖激光器
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院研究生院(西安光學(xué)精密機械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ171.1;TN253
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-28
• 1.1 稀土離子摻雜的光纖激光器14-15
• 1.2 可見光激光離子及其應(yīng)用15-16
• 1.3 中紅外激光離子及其應(yīng)用16-19
• 1.4 中紅外光纖材料19-22
• 1.5 Ho~(3+)離子摻雜的碲酸鹽玻璃22-24
• 1.5.1 Ho~(3+)發(fā)光在中紅外區(qū)的應(yīng)用22
• 1.5.2 中紅外碲酸鹽玻璃的發(fā)展現(xiàn)狀22-24
• 1.6 低水分碲酸鹽玻璃及其光纖的研究24-26
• 1.6.1 水分吸收對氧化物玻璃的影響24-25
• 1.6.2 低水分碲酸鹽玻璃及其光纖的制備25-26
• 1.7 本論文主要研究的內(nèi)容26-28
• 第二章 理論基礎(chǔ)28-42
• 2.1 光纖的導(dǎo)光機理28-30
• 2.2 能級躍遷理論30-35
• 2.2.1 稀土元素的能級結(jié)構(gòu)30-31
• 2.2.2 光與稀土離子之間的相互作用31-32
• 2.2.3 稀土離子之間的相互作用32-35
• 2.3 碲酸鹽玻璃基質(zhì)35-37
• 2.3.1 玻璃成型機理35-36
• 2.3.2 碲酸鹽玻璃的內(nèi)部結(jié)構(gòu)36-37
• 2.4 Judd-Ofelt理論37-41
• 2.5 本章小結(jié)41-42
• 第三章 Ho~(3+)摻雜（氟）碲酸鹽玻璃的制備與測試42-54
• 3.1 Ho~(3+)/Yb~(3+)共摻碲酸鹽玻璃的制備42-45
• 3.1.1 組分的探索與優(yōu)化43
• 3.1.2 玻璃熔制溫度的確定43-44
• 3.1.3 紅光激光玻璃的制備44-45
• 3.2 Ho~(3+)摻雜氟碲酸鹽玻璃的制備45-48
• 3.2.1 氟碲酸鹽玻璃的除水工藝46-47
• 3.2.2 玻璃組分的探索47
• 3.2.3 玻璃熔制溫度的確定47-48
• 3.2.4 中紅外激光玻璃的制備48
• 3.3 樣品的測試48-52
• 3.3.1 折射率測試48-49
• 3.3.2 FTIR測試49
• 3.3.3 DSC測試49-50
• 3.3.4 拉曼測試50
• 3.3.5 吸收光譜測試50
• 3.3.6 發(fā)射光譜測試50-51
• 3.3.7 熒光壽命測試51-52
• 3.4 本章小結(jié)52-54
• 第四章 Ho~(3+)/Yb~(3+)共摻碲酸鹽玻璃的上轉(zhuǎn)換發(fā)光54-62
• 4.1 TZN玻璃的物理特性與熱特性54-56
• 4.1.1 折射率分析54-55
• 4.1.2 DSC分析55-56
• 4.2 TZN玻璃的光譜特性56-60
• 4.2.1 吸收特性56-57
• 4.2.2 發(fā)射特性57-60
• 4.3 本章小結(jié)60-62
• 第五章 Ho~(3+)摻雜氟碲酸鹽玻璃的紅外發(fā)光62-86
• 5.1 TZNF玻璃的物理特性62-67
• 5.1.1 拉曼分析63-64
• 5.1.2 折射率分析64
• 5.1.3 DSC分析64-65
• 5.1.4 FTIR分析65-67
• 5.2 Ho~(3+)-TZNF玻璃的光譜特性67-84
• 5.2.1 吸收特性67-70
• 5.2.2 2.9 mm的光譜特性70-75
• 5.2.3 2.0 mm的光譜特性75-78
• 5.2.4 1.2 mm的光譜特性78-84
• 5.3 本章小結(jié)84-86
• 第六章 氟碲酸鹽玻璃光纖的制備及其性能研究86-100
• 6.1 氟碲酸鹽玻璃光纖簡介86-87
• 6.2 玻璃光纖預(yù)制棒的制備87-90
• 6.3 玻璃光纖的拉制90-93
• 6.4 玻璃光纖的性能測試93-98
• 6.4.1 透過測試93-94
• 6.4.2 損耗測試94-95
• 6.4.3 非線性測試95-98
• 6.5 本章小結(jié)98-100
• 第七章 總結(jié)和展望100-104
• 7.1 本論文工作總結(jié)100-102
• 7.2 未來研究展望102-104
• 參考文獻(xiàn)104-116
• 作者簡介及在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文與研究成果116-118

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