稀土掺杂氟氧微晶玻璃的制备及近红外光谱特性研究

论文摘要

稀土掺杂透明氟氧微晶玻璃结合了氟化物晶体的高效发光和氧化物玻璃的良好稳定性等优点,在非线性光学、光纤激光器、三维显示、数据存储以及太阳能电池等领域有广泛应用前景。本文从组成为45SiO2-25Al2O3-10Na2O-20CaF2的玻璃入手,采用传统的熔体急冷法以及后续热处理制备出含CaF2纳米晶粒的透明氟氧微晶玻璃。结合差热分析（DSC）,X射线衍射（XRD）,透射电子显微镜（TEM）,吸收光谱以及荧光光谱等测试方法分析研究了母体玻璃和微晶玻璃的工艺特性及光学特性。本文开展的主要研究工作有:（1）Tm3+离子掺杂透明氟氧微晶玻璃的研究。利用非等温条件的DSC分析研究了CaF2玻璃中晶体的成核和生长过程,结果表明CaF2析晶行为属于扩散控制型的过程,新相具相当尺寸。计算了微晶玻璃中晶相的晶格常数a,通过晶格常数的变化来分析Tm3+离子在纳米晶相中的掺杂行为。透射电镜明场像和高分辨电子显微像表明了尺寸为8-15 nm的CaF2纳米晶粒均匀分布在氧化物玻璃体中。随着热处理温度的升高,微晶玻璃中析出晶相体积增多,有利于更多的稀土离子进入CaF2纳米晶相。因此,在808 nm半导体激光器（LD）的泵浦下,Tm3+离子掺杂样品在1.8μm的荧光随热处理温度的升高而增强。（2）Tm3+-Ho3+共掺氟氧微晶玻璃研究。XRD和TEM分析证明了CaF2纳米晶粒均匀分布在氧化物玻璃基质中;能量色散X射线光谱仪（EDX）结果表明Tm3+和Ho3+进入了CaF2纳米晶粒;晶化后,J-O强度参数Ω2值变小而Ω6值增大,表明了Tm3+和Ho3+离子进入了更具对称性的离子晶体环境。在808 nm LD泵浦下,微晶玻璃中的2.02μm荧光得到增强,这主要得益于Tm3+和Ho3+在CaF2纳米晶相环境中更有效的交叉弛豫过程:Tm3+: 3H4 + 3H6→2 3F4,以及Tm3+: 3F4→Ho3+: 5I7的能量传递。（3）Pr3+单掺及Pr3+-Yb3+共掺氟氧微晶玻璃研究。在470 nm氙灯激发下,记录了Pr3+单掺和Pr3+-Yb3+共掺微晶玻璃样品的的荧光光谱。观察到了Pr3+: 1D2→3F4的1037 nm荧光并分析了Pr3+离子之间的能量传递。随着Yb3+离子的共掺,可以探测到Yb3+: 2F5/2→2F7/2的976 nm荧光。分析了Pr3+向Yb3+的三种可能的能量传递机理。Yb3+- Pr3+上转换为双光子吸收过程,晶化后,其上转换发光强度明显增强。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 透明氟氧微晶玻璃
• 1.2 透明氟氧微晶玻璃研究进展
• 1.2.1 透明氟氧微晶玻璃基质显微结构研究进展
• 1.2.2 稀土离子掺杂氟氧微晶玻璃的光学应用及进展
• 1.3 本文主要研究目标和内容
• 1.3.1 研究目标
• 1.3.2 研究思路
• 1.3.3 研究内容
• 1.4 本课题研究的项目来源
• 第二章 实验与理论基础
• 2.1 实验制备方法
• 2.2 实验仪器和表征方法
• 2.3 理论基础
• 2.3.1 稀土离子的发光机理
• 2.3.2 J-O 理论
• 2.3.3 吸收截面与发射截面
• 2.4 析晶动力学方程
• 3+掺杂含CaF₂纳米晶微晶玻璃的析晶行为与光谱性能'>第三章 Tm³⁺掺杂含CaF₂纳米晶微晶玻璃的析晶行为与光谱性能
• 3.1 样品制备
• 3.2 晶化动力学
• 3.3 显微结构
• 3.4 稀土离子的掺杂行为
• 3.5 透射光谱及J-O 理论分析
• 3.6 荧光光谱
• 3.7 吸收与发射截面
• 本章小结
• 3+-Ho³⁺共掺微晶玻璃中2.0 μm 光谱性能研究'>第四章 Tm³⁺-Ho³⁺共掺微晶玻璃中2.0 μm 光谱性能研究
• 4.1 样品制备
• 3+-Ho³⁺共掺氟氧微晶玻璃的显微分析'>4.2 Tm³⁺-Ho³⁺共掺氟氧微晶玻璃的显微分析
• 4.3 J-O 理论分析
• 4.4 2.0 μm 荧光发射
• 本章小结
• 3+-Yb³⁺共掺微晶玻璃中下转换和上转换发光特性研究'>第五章 Pr³⁺-Yb³⁺共掺微晶玻璃中下转换和上转换发光特性研究
• 5.1 样品制备
• 5.2 显微结构
• 5.3 透射光谱及J-O 参数分析
• 5.4 下转换发光
• 5.5 上转换荧光
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件