掺Er红外发光材料特性研究

论文摘要

光通讯是20世纪70年代以后发展起来的新的通信技术。光通信被认为是通信发展史上一次革命性的进步,它对人类由工业化社会向信息化社会的进步,有着不可估量的推动作用。而光通信器件是光通信技术的基础。铒离子（Er3+）因为内层4f电子的发光波长位于1.54μm与光通信传输窗口波段相吻合和对人眼的安全性,十多年来一直是一个十分活跃的研究课题。本文围绕掺Er材料的发光特性,研究了掺Er的纳米硅氧化铝多层膜,Er-Tm共掺的钙铝硼酸盐玻璃材料,并且取得如下结果：采用脉冲激光淀积（PLD）的技术,制备了具有不同Si层厚度的Er掺杂Si/Al203多层结构的样品,获得Er在1.54μm高效发光。结合微结构和光学表征研究了不同退火温度下纳米Si的晶化形态演变过程,以及对Er的发光的影响特征,分析给出了这种体系材料中实现Er高效发光的优化条件和参数。使用融熔的技术制备均匀掺Er和Er-Tm共掺的钙铝硼酸盐玻璃样品。在室温下实现了掺Er钙铝硼酸盐玻璃的光致发光,观察到了波长为1533nm的Er3+特征发光峰,发光峰半高宽（FWHM）为50nm。通过室温下掺铒的钙铝硼酸盐玻璃的可见及红外的吸收谱的研究。发现了对应Er3+1533nm处的吸收谱。这说明主要的发光过程是一个直接激发的过程。采用真空磁控溅射的方法生长了Er:ZnO/Si:ZnO交替生长的薄膜以及Si：ZnO/Er: Si:ZnO/Si:ZnO三明治结构薄膜。研究了不同退火温度下两种薄膜Er在1.54μm发光强度的变化。同时,对于两种薄膜的变温情况进行了对比研究。通过控制Er203和Tm203的掺杂浓度,得到了[Tm]/[Er]浓度比相同,但是稀土离子总量不同的钙铝硼酸盐玻璃的样品。通过对铒铥共掺的钙铝硼酸盐玻璃的常温及变温的光致发光谱的研究,清楚的观察到了峰值在1460nm、1533m和1800nnm处的三个发光带,分别对应着Tm3+:3H4→3F4,Er3+:4I13/2→4I15/2和Tm3+:3F4→3H6的跃迁。通过优化Er3+离子和Tm3+离子的浓度可以得到覆盖1400-1700nm波长范围的比较平坦的发光带。随着测量温度从15K升高到298K,对于高浓度的Er-Tm共掺的样品,Tm3+离子在1800nm处的发光峰强度逐渐增加。这一现象是由于在不同测试温度下,Er3+和Tm3+离子之间复杂的能量传递过程所导致的。通过不同浓度下对应能级的常温及变温荧光寿命的测量得到证明。通过运用偶极子淬灭模型模拟计算,我们得出在CABAL玻璃体系中,Tm3+之间以及Er3+和Tm3+之间的能量转移的有效半径。采用双光激发调制的方法,对宽带发光进行了调制,在现有条件下能够自由的的整宽带发光的图谱。通过干燥处理,我们改进了钙铝硼酸盐玻璃的样品,减少了样品中水分,从而减少了B2O3的含量。含铥离子玻璃样品的近红外荧光谱显示改进后的Tm3+离子在1800nm处的发光得到了大大的提升。经过对改进后的铒铥共掺的玻璃样品在不同波长下的折射率的测定,折射率均大于文献中报道过的氟化物玻璃和氧化物玻璃,为其在光波导方面的应用提供了理论支持。通过Er-Tm共掺的可见及红外吸收谱的研究,得出了硼酸盐玻璃中OH-的吸收截面,从而为计算OH的浓度提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• §1.1 掺铒的薄膜材料的研究现状
• §1.2 稀土元素铒的光谱理论
• §1.2.1 铒元素的电子层结构和能级
• 3+的受激吸收、受激发射、自发辐射和非辐射跃迁'>§1.2.2 Er³⁺的受激吸收、受激发射、自发辐射和非辐射跃迁
• 3+的泵浦与离子数反转'>§1.2.3 Er³⁺的泵浦与离子数反转
• 3+发光强度的能量转移'>§1.2.4 影响Er³⁺发光强度的能量转移
• §1.3 掺铒玻璃研究的意义
• §1.3.1 掺铒玻璃的研究现状
• §1.3.2 Er-Tm共掺的钙铝硼酸盐玻璃的研究意义
• §1.4 掺铒材料的制备工艺及测试系统
• §1.4.1 薄膜材料的制备
• §1.4.1.1 脉冲激光沉积（PLD）及离子注入法
• §1.4.1.2 射频磁控溅射技术
• §1.4.1.3 溶胶一凝胶法（Sol-Gel）
• §1.4.1.4 等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）
• §1.4.2 玻璃材料的制备
• §1.4.2.1 熔融法
• §1.4.2.2 溶胶一凝胶法（Sol-Gel）
• §1.4.3 掺Er材料测试系统
• §1.4.3.1 光致发光谱（PL）
• §1.4.3.2 光致发光激发谱（PLE）
• §1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 掺铒纳米硅氧化铝多层膜的生长及测试方法
• §2.1 生长多层纳米硅氧化铝的方法
• §2.1.1 生长多层纳米硅氧化铝薄膜
• §2.1.2 掺铒多层纳米硅氧化铝薄膜的结构特征
• §2.2 测试系统及样品的制备
• §2.2.1 光致发光谱（PL）
• §2.2.2 拉曼光谱
• 第3章 实验结果及其分析
• §3.1 掺铒多层纳米硅氧化铝薄膜的拉曼光谱
• §3.2 退火对掺铒多层氧化铝薄膜发光的影响
• §3.3 本章总结
• 第4章 铒硅氧化锌多层膜的生长及测量
• §4.1 多层纳米硅氧化锌的生长方法
• §4.2 不同退火温度下的多层纳米硅氧化锌的光致发光谱
• §4.3 不同结构的纳米硅氧化锌薄膜的光致发光谱
• §4.4 不同结构的纳米硅氧化锌薄膜的光致发光谱
• §4.5 本章总结
• 第5章 铒铥共掺钙铝硼酸盐玻璃材料的生长及测试方法
• §5.1 铒铥共掺钙铝硼酸盐玻璃材料的制备
• §5.2 测试方法
• §5.2.1 J.A.Woolam椭圆偏振光图谱
• §5.2.2 傅里叶红外光谱测试
• §5.2.3 瞬态荧光衰减谱
• 第6章 实验结果及其分析
• §6.1 铒铥共掺钙铝硼酸盐玻璃材料物理特性
• §6.2 发光特性及铒铥能量传递机制的讨论
• §6.2.1 室温Er-Tm共掺的钙铝硼酸盐玻璃的光致发光（PL）谱
• §6.2.2 Er-Tm共掺的钙铝硼酸盐玻璃的时间衰减谱
• §6.2.3 变温PL的分析与能量传递机制的讨论
• §6.3 双光激发调制宽带发光
• §6.4 本章小结
• 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表学术论文