稀土離子摻雜發(fā)光玻璃的制備與性能研究.pdf

1、稀土離子摻雜發(fā)光玻璃在激光、光學(xué)放大器、光通訊、儲(chǔ)能和顯示等光電領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。氧氟玻璃既具有氧化物玻璃的高機(jī)械強(qiáng)度、高化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，又具有氟化物玻璃聲子能低的優(yōu)點(diǎn)，能有效地提高稀土離子的發(fā)光強(qiáng)度。本論文以Sm3+、Dy3+、Ce3+和Tb3+等稀土離子摻雜的SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃為研究對(duì)象，對(duì)其組成、制備工藝以及熱處理對(duì)氧氟玻璃性能的影響進(jìn)行研究，并對(duì)玻璃組成-結(jié)構(gòu)-發(fā)光性能三者之間的相關(guān)性進(jìn)

2、行了探索。
　　 通過大量的實(shí)驗(yàn)工作，取得了一些創(chuàng)新性成果。
　　 研究了 Sm3+、Dy3+、 Ce3+和Tb3+等稀土離子摻雜SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃的結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性和吸收/透光性能。結(jié)果表明，這些氧氟發(fā)光玻璃體系的結(jié)構(gòu)主要是[SiO4]四面體和[AlO4]四面體以項(xiàng)角相連的方式構(gòu)成基本網(wǎng)絡(luò)骨架，Li+、Ca2+和稀土離子處于網(wǎng)絡(luò)間隙，Al3+主要作為玻璃網(wǎng)絡(luò)形成體以[AlO4]形式參與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

3、，部分F-取代O2-進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，而另一部分F-則位于網(wǎng)絡(luò)間隙。玻璃的穩(wěn)定因子均大于100，表明所制備的玻璃具有較好的熱穩(wěn)定性;玻璃的Hruby常數(shù)較高，表明它們具有一定的抗析晶能力。Sm3+、Dy3+離子單摻SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃在紫外-可見-近中紅外區(qū)具有良好的吸收性能。Ce3+、Tb3+離子單摻/共摻SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃在可見光區(qū)具有良好的透光性能，且紫外吸收邊較短，有利于發(fā)射光的

4、透過。
　　 研究了熱處理對(duì)SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟微晶玻璃結(jié)構(gòu)與性能的影響。對(duì)基礎(chǔ)玻璃進(jìn)行了晶化處理，計(jì)算了玻璃的析晶活化能和晶化指數(shù)，并分析了其析晶機(jī)理。研究表明，晶化溫度控制在670-690℃范圍之內(nèi)，保溫時(shí)間為2h，可以獲得理想的含CaF2單一晶相的透明微晶玻璃。在紫外光的激發(fā)下，相比較基礎(chǔ)玻璃試樣，微晶玻璃試樣中的稀土離子可以發(fā)出更大強(qiáng)度的熒光。
　　 研究了Sm3+、Dy3+離子單摻SiO2

5、-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃的熒光性能。在紫外光的激發(fā)下，Sm3+離子單摻SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃發(fā)射出強(qiáng)烈的橙色光，其發(fā)光強(qiáng)度隨Sm3+離子摻雜濃度表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，最佳摻雜濃度為1.0 mol％。Sm3+離子的發(fā)光衰減時(shí)間為毫秒級(jí)，且隨Sm3+離子摻雜濃度的增大而減小。Sm3+離子之間的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制主要為偶極-偶極相互作用。Dy3+離子單摻 SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃的藍(lán)色

6、發(fā)光4F9/2→6H15/2(482 nm)強(qiáng)于黃色發(fā)光4F9/2→6H13/2(574 nm)，成為最強(qiáng)發(fā)射，從而提供了獨(dú)特的更高效率的可供固體激光、光纖放大用的材料基質(zhì)。Dy3+離子的發(fā)光強(qiáng)度隨Dy3+的摻雜量表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，最佳摻雜濃度為0.5 mol％。Dy3+離子的發(fā)光衰減時(shí)間為毫秒級(jí)，且隨玻璃中Dy3+離子摻雜濃度的增大而減小。Dy3+離子之間的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制主要為偶極-偶極相互作用。
　　 研究了Ce3+、

7、Tb3+單摻/共摻SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃的熒光性能。在紫外光的激發(fā)下，Ce3+離子單摻SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃發(fā)射出強(qiáng)烈的藍(lán)紫光，發(fā)光中心位于385 nm附近，其發(fā)光衰減時(shí)間為納秒級(jí)。Tb3+離子單摻SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃主要表現(xiàn)為綠光發(fā)射5D4→7FJ(J=6-3）。其中，543 nm附近5D4→7F5綠光發(fā)射的相對(duì)強(qiáng)度是其它發(fā)射峰的2.5倍以上。即使Tb3+離子濃

8、度高達(dá)8.0 mol％，也沒有觀察到濃度猝滅現(xiàn)象。說明玻璃基質(zhì)為稀土離子提供了一個(gè)非常均勻的環(huán)境，稀土離子得到了相當(dāng)均勻的分布，減少了稀土離子的非輻射馳豫，提高了其發(fā)光強(qiáng)度和熒光猝滅濃度，從而為高密度綠光激光和短光纖放大提供了優(yōu)質(zhì)材料。Ce3+/Tb3+離子共摻SiO2-Al2O3-LiF-CaF2氧氟玻璃主要表現(xiàn)為Tb3+離子的綠光發(fā)射（主峰位于543 nm附近），體系中存在Ce3+→Tb3+的能量轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致Tb3+離子的發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到