摻鐿離子透明微晶玻璃材料的研究.pdf

1、Yb3+離子因具有能級結(jié)構(gòu)簡單、儲能效果好、熒光壽命長、不存在激發(fā)態(tài)吸收、與固體二極管激光器抽運波長（900-1100nm）耦合性好等特點，使得摻這種離子的激光材料成為當(dāng)前的研究熱點。其中，摻Y(jié)b3+離子的透明氟氧化物微晶玻璃因兼具氟化物玻璃的優(yōu)異光學(xué)性能以及氧化物玻璃優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性而引起材料科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注。與其他氟化物相比，CaF2晶體對稀土離子有較高的固溶度，且具有透光范圍寬（0.125-10um）、化學(xué)穩(wěn)定性好、

2、及聲子能量低等特點，因此，摻Y(jié)b3+離子且含CaF2納米微晶的氟氧化物微晶玻璃是一種比較有發(fā)展?jié)摿Φ募す獠牧?，特別是在可調(diào)諧激光器和超短脈沖激光器方面的應(yīng)用前景看好。 本文采用傳統(tǒng)熔體冷卻技術(shù)及晶化熱處理工藝制備了摻Y(jié)b3+離子的NaF-CaF2-Al2O3-SiO2體系透明氟氧化物微晶玻璃。利用差熱分析（DSC）、X射線衍射分析（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等檢測手段研究了該系統(tǒng)玻璃的形成能力、

3、析晶機理、微觀結(jié)構(gòu)。同時，利用熒光光譜、吸收光譜以及熒光壽命等測試方法和結(jié)果，分析了Yb3+離子摻入濃度對材料光譜和激光性能的影響。結(jié)果表明：在NaF-CaF2-Al2O3-SiO2系統(tǒng)中，當(dāng)引入Na2O、K2O等堿金屬氧化物時，因增加了玻璃組成體系中的O： Si比，使得玻璃的形成能力降低。由于O： Si比的增加，熔體粘度降低，因此，在熔體澆注成型過程中，離子容易發(fā)生遷移而調(diào)整為晶格結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)自發(fā)析晶現(xiàn)象；CaO部分替代CaF2后，玻璃

4、中硅氧網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到加強，玻璃的析晶穩(wěn)定性提高。在NaF-CaF2-Al2O3-SiO2系統(tǒng)玻璃中，NaF和CaF2的摩爾百分比高達30％，因此，由[SiO4]和[AlO4]四面體組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中存在較多網(wǎng)絡(luò)斷開點或非橋氧離子。Ca2+和Na+離子進入這些網(wǎng)絡(luò)問斷點位置，并與非橋氧離子（如≡Si-O-）鍵合。當(dāng)引入Yb2O3到這些玻璃中后，Yb3+、Ca2+和Na+離子都處于網(wǎng)絡(luò)間斷點位置。由于Yb3+離子的高電價，Yb3+與網(wǎng)絡(luò)間斷點位

5、置中的非橋氧優(yōu)先成鍵，這就使得間斷點位置區(qū)域中的Ca2+和Na+離子富集。這些Ca2+和Na+離子中的一部分與可能尚未達到電價飽和的非橋氧連接，而大部分則與F-或游離氧O2-離子連接。與鍵合到非橋氧上的Ca2+和Na+離子相比，與F-成鍵的Ca2+離子更容易發(fā)生遷移、轉(zhuǎn)動和重排，在熱處理過程中，更容易與F-離子一起調(diào)整為品格結(jié)構(gòu)。隨著Yb2O3引入量的增加，與結(jié)構(gòu)中的非橋氧鍵合的Ca2+離子濃度減小，而與結(jié)構(gòu)中的F-離子鍵合的Ca2+離

6、子含量增加，因此，玻璃的析晶活化能隨著Yb3+摻入量的增加而逐漸降低，析晶能力增強。在析晶過程中，晶核呈三維方式生長，晶體長大主要受擴散機制所控制。且隨著溫度的升高，其成核速率不斷降低，最終趨向于零形核率。隨著Yb3+離子摻入量的增加，NaF-CaF2-Al2O3-SiO2系透明微晶玻璃中兩熒光發(fā)射峰向長波方向移動，且第二發(fā)射峰強度（Iλs）與第一發(fā)射峰強度（Iλp）的比值（Iλs/Iλp）呈現(xiàn)增大趨勢。在熱處理過程中，部分Yb3+離子

7、進入CaF2晶體中的Ca2+離子位置，并可在CaF2螢石結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生豐富的不對稱格位，使得Yb3+離子中電子的能級結(jié)構(gòu)變得更為復(fù)雜，從基態(tài)激發(fā)出的電子數(shù)增加，導(dǎo)致發(fā)射強度和吸光度提高，同時，使得吸收和發(fā)射光譜帶加寬。在熒光捕獲效應(yīng)和熒光猝滅效應(yīng)綜合作用下，熒光壽命隨著Yb3+離子濃度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，如Yb3+離子濃度過大會使其吸收截面和受激發(fā)射截面減小。所研制微晶玻璃的吸收截面為2.68 p㎡、受激發(fā)射截面為5.51 p