镱铒体系上转换发光研究与光子晶体频带计算

论文摘要

用高温固相反应法制备了系列掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃样品，结合镱铒能量传递模型，对铒离子多个波段的光致发光特性进行了分析。镱离子的掺入显著地提高了三价铒离子的泵浦效率和激活度，使铒离子在近红外1530nm、可见光664、549nm等波段都有很强的发射，半值宽度也有所增加。测量结果同时表明：单掺铒样品在近红外波段光致发光强度随掺杂浓度单调缓慢增加。镱铒共掺材料存在最佳的镱铒掺杂浓度比，（1）近红外波段优化的镱铒掺杂浓度分别为0.7at％、0.1at％，光致发光强度比0.1at％单掺铒样品增强14倍；（2）可见光波段光致发光强度随掺杂浓度快速增强，镱铒浓度为4.5at％、0.5at％时的光致发光强度，比单掺铒浓度0.5at％的样品增强180倍。测量了掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃样品上转换可见光波段光致发光强度随温度的变化规律，结合速率方程和多声子辅助跃迁过程建立了铒离子绿光发射强度随温度变化的理论模型，并基于荧光强度比技术讨论了掺铒材料在高温测量领域的应用。在296～723K温度范围内，高温时铒离子绿光波段的发光强度比室温下增加了五倍，光学温度传感器灵敏度达到0.0031K-1。对铒镱钕硅酸盐玻璃温度特性测量和能量传递方式分析发现，三种元素的共掺，不仅有效地提高了钕离子在近红外发光的强度，并且在高温下观察到了常温下没有的发射峰；利用钕离子813nm和887nm双峰的荧光强度比表征温度值，灵敏度也达到0.0035K-1。利用脉冲激光技术制备了镱铒共掺三氧化二铝薄膜和硅酸盐玻璃薄膜，通过对其表面形貌的表征以及光谱测量，分析了激光能量、沉积距离、氧气分压等工艺参数对薄膜材料性能和光学特性的影响，并进行了初步的总体参数优化。设计并制作了弯曲光波导放大器，利用束传输方法对其传输性能进行了模拟，结果显示其弯曲损耗为2.351×10-4dB／cm，设计了掩模沉积光波导的方法，并进行了初步尝试。将光子晶体技术和光波导放大器技术相结合，利用平面波展开法分析了以三氧化二铝、硅酸盐玻璃和硅为介质的光子晶体结构，初步分析了适合制作光子晶体光波导放大器的结构。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题的科学依据以及意义
• 1.2 相关研究的国内外进展
• 1.3 本论文的主要内容
• 2 掺饵、镱饵共掺硅酸盐玻璃的室温光致发光特性
• 2.1 掺饵、镱饵共掺硅酸盐玻璃的制备
• 2.2 发射光谱的测量
• 2.3 光谱分析
• 2.3.1 镱饵之间的能量传递
• 2.3.2 饵离子的红外发射
• 2.3.3 镱离子的红外发射
• 2.3.4 上转换发光
• 2.4 小结
• 3 镱饵共掺玻璃样品上转换发光的温度效应
• 3.1 单掺饵玻璃样品上转换发光的温度效应
• 3.1.1 实验
• 3.1.2 光谱分析
• 3.1.3 理论模型
• 3.1.4 上转换发光的应用
• 3.2 镱饵共掺样品上转换发光的温度特性
• 3.2.1 光谱分析
• 3.2.2 理论模型
• 3.2.3 峰值比测量温度原理
• 3.3 饵钕共掺硅酸盐玻璃发光的温度特性
• 3.3.1 光谱分析
• 3.3.2 应用
• 3.4 小结
• 4 脉冲激光沉积光波导薄膜实验研究
• 4.1 激光脉冲沉积原理与特点
• 4.1.1 脉冲激光沉积薄膜原理
• 4.1.2 脉冲激光沉积的特点
• 4.2 镱饵共掺三氧化二铝薄膜的制备与分析
• 4.2.1 镱饵共掺三氧化二铝薄膜的制备
• 4.2.2 镱饵共掺三氧化二铝薄膜的光谱分析与表征
• 4.3 镱饵共掺玻璃薄膜的制备与分析
• 4.4 弯曲掺饵波导放大器
• 4.4.1 弯曲光波导的设计
• 4.4.2 弯曲波导的制备
• 4.5 小结
• 5 二维光子晶体的频带计算
• 5.1 光子晶体与平面波展开法
• 5.1.1 光子晶体简介
• 5.1.2 平面波展开法
• 5.2 二维光子晶体带隙结构
• 5.2.1 掺饵硅酸盐玻璃和掺饵三氧化二铝介质
• 5.2.2 硅介质
• 5.3 平面光子晶体光波导
• 5.4 小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢