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掺Tm~(3+)/Ho~(3+)特种锗酸盐玻璃和光纤的研究

作　者: 王勇超
导　师: 夏海平
学　校: 宁波大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 锗酸盐玻璃 Tm3+/Ho3+掺杂光谱性质能量转移光纤
分类号: TQ171.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

近几十年来,由于～2μm波段光纤激光器在军事、遥感等诸多方面的应用而受到人们的高度关注。Tm³⁺和Ho³⁺是发射～2μm波长激光的较佳稀土离子。由于Tm³⁺离子的交叉弛豫效应以及Tm³⁺与Ho³⁺离子间的能量传递过程,当Tm³⁺单掺杂以及Tm³⁺/Ho³⁺双掺杂材料在受到～800nm等光的激发下可望获得～200%的理论量子效率,因此引起了各国学者的高度关注。目前,Tm³⁺/Ho³⁺双掺的光纤激光器,已在～2μm波段获得了百瓦级的输出功率。但是以Tm³⁺与Ho³⁺为基础的激光材料与器件在其光学与光谱参数以及激光的输出效率、激光阈值等性能方面仍可以有进一步优化和提高,并最终获得廉价与实用化的激光器件而应用于工农业生产中。本课题旨在探索与研究一种具有较好光谱参数、良好物化性能、对稀土离子Tm³⁺和Ho³⁺具有较高溶解性的特种玻璃材料,并以此为基础制备成能实用化的光纤材料。锗酸盐玻璃具有较低的声子能量,物化性能好以及高掺杂性能等众多优势,本文集中于该玻璃系统的研究工作。研究内容主要包括:1)特种锗酸盐玻璃化学组分对Tm³⁺和Ho³⁺的光学与光谱性能的影响规律;2)系统玻璃的热稳定性研究; 3) Tm³⁺和Ho³⁺稀土离子在特种锗酸盐玻璃基质中的溶解性;4)稀土掺杂浓度对其中红外光谱性能的影响以及作用机理;5)特种锗酸盐预制棒的制备与光纤的拉制等工作。本文第一章详细地介绍了光纤通信及光纤激光器的特点和发展现状,概括了锗酸盐玻璃的一些特点,并叙述了稀土离子的发光、吸收、荧光等光谱的原理,以及J-O理论等基础理论。论文第二章详细介绍了高温熔融法制备了Tm³⁺掺杂GeO₂-AlF₃-Na₂O的玻璃的熔制过程及方法,测定了玻璃样品的差热曲线,利用J-O理论,计算获得了Tm³⁺离子的强度参数（O₂,O₄,O₆）,以及Tm³⁺的各能级的荧光分支比、自发辐射跃迁几率以及辐射寿命等参数。根据McCumber理论,计算了Tm³⁺离子能级³H₆? ? ³F₄（1.8μm）跃迁的吸收和发射截面。在808nm波长的激发下,研究了不同Tm³⁺掺杂浓度下玻璃在¹.47μm与¹.8μm处的荧光特性,结果表明,当Tm₂O₃掺杂浓度为3wt%时,1.8μm处的荧光最强。论文第三章我们用高温熔融法制备了Tm³⁺/Ho³⁺离子双掺杂86GeO₂-4Nb₂O₅-10Na₂O锗铌酸盐玻璃,应用Judd-Ofelt理论,获得了Tm³⁺离子的强度参量（O₂,O₄,O₆）等光谱参量,计算了玻璃中Tm³⁺和Ho³⁺离子的吸收截面、受激发射截面和增益光谱。在808nm激光二极管激发下,研究分析了Tm³⁺离子敏化Ho³⁺离子的2.0μm的红外发射光谱。结果表明,一定浓度Ho³⁺的共掺提高了Tm³⁺（³F₄）? Ho³⁺（⁵I₇）之间的能量转移效率,增强了².0μm的红外发光。论文第四章我们用高温融熔法研制了4wt%Tm₂O₃掺杂浓度下（90-x）GeO₂-xNb₂O₅-10Na₂O（χ=1,2,4,6,8摩尔百分比）以及Tm₂O₃掺杂浓度分别为1,2,3,4wt%时,86GeO₂-4Nb₂O₅-10Na₂O（摩尔百分比）系列玻璃。研究了Nb₂O₅组分对玻璃的结构、玻璃热稳定性、荧光强度和J-O参数的影响。计算了Tm³⁺离子能级³F₄→³H₆（1.8μm）跃迁的吸收截面和受激发射截面。从获得的吸收截面、发射截面与离子掺杂浓度计算了1.8μm荧光波段的增益截面曲线。在808nm波长光的激发下,研究了Tm³⁺掺杂玻璃在¹.47μm与¹.8μm的荧光特性。发现当Tm₂O₃掺杂浓度为3wt%时,在1.8μm处的荧光强度达最大,然后随着掺杂浓度的增大,其荧光强度反而降低;当Nb₂O₅含量大约在2 mol%时,Tm³⁺在1.8μm处的荧光强度最强。讨论了Nb₂O₅组分变化对玻璃结构与光谱特性的影响情况。　论文第五章在前期实验的基础上,优选出性能良好的锗铌酸盐玻璃组分,设计预制棒的芯料与包层料,应用棒管法拉制成光纤,最后成功获得了具有较低光学损耗的光纤,并进行了相关系数的测定。

掺Tm~(3+)/Ho~(3+)特种锗酸盐玻璃和光纤的研究

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