稀土摻雜透明磷酸鹽玻璃陶瓷的制備與發(fā)光特性研究.pdf

1、Er3+和Er+/Yb3+摻雜磷酸鹽玻璃具有對(duì)Er3+離子溶解度較高、Er3+離子在磷酸鹽玻璃中受激發(fā)射截面較大、熒光壽命長、聲子能量適中、不易發(fā)生熒光淬滅、Er3+/Yb3+間能量傳遞效率高、上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度較弱等優(yōu)點(diǎn)，因而近年來，作為1.5μm微片激光器和光纖激光器與放大器的良好基質(zhì)材料，而受到了極大地關(guān)注。這些器件在光纖通信、激光測距、相干光學(xué)傳輸?shù)确矫嬗兄匾膽?yīng)用。
　　 但是，磷酸鹽玻璃存在化學(xué)和機(jī)械穩(wěn)定性稍差、熱導(dǎo)性和軟化

2、溫度也不如硅酸鹽玻璃等缺點(diǎn)，因而在光學(xué)性能上和實(shí)際應(yīng)用上也受到一些限制。近來出現(xiàn)了一種新型激光介質(zhì)材料——稀土離子摻雜的透明玻璃陶瓷，通過調(diào)整組分和熱處理?xiàng)l件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和玻璃化能力的調(diào)節(jié)，達(dá)到析晶可控和稀土在納米晶相中重?fù)降哪康?。它兼?zhèn)渚w和玻璃的一些優(yōu)點(diǎn)，具有高發(fā)光效率、高透過率、高穩(wěn)定性和發(fā)光波段可調(diào)等性能。而且其熱導(dǎo)性和耐熱沖擊性比較好，使之更適合用做大功率激光工作物質(zhì)。為了結(jié)合磷酸鹽玻璃和玻璃陶瓷的雙重優(yōu)點(diǎn)，我們采

3、用高溫熔融法，通過合理設(shè)計(jì)配比，制備出了一系列Er3+/Yb3+摻雜的透明磷酸鹽玻璃陶瓷，應(yīng)用差熱分析( DTA)、x射線衍射(XRD)、透射電鏡(TEM)或掃描電鏡(SEM)、光致發(fā)光譜(PL)以及Judd-Ofelt(J-O)理論、McCumber理論和Fuchtbauer-Ladenburg(F-L)方程等手段和方法，詳細(xì)研究了各組分和熱處理制度對(duì)玻璃陶瓷的相組成、微觀結(jié)構(gòu)以及發(fā)光性能的影響，取得了一些重要的結(jié)論和創(chuàng)新性成果，為稀

4、土摻雜透明磷酸鹽玻璃陶瓷的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。主要的研究工作和創(chuàng)新性成果有：
　　 制備了摩爾組分為37P2O5-31.4CaO-25.6Na2O-6Al2O3-0.25Er2O3-7.5Yb2O3的磷酸鹽玻璃陶瓷，研究了Er3+離子在玻璃和玻璃陶瓷中的發(fā)光特性。XRD測試表明，玻璃陶瓷中的晶體顆粒組成為YbPO4和ErPO4，晶粒尺寸和析晶速率都隨著熱處理時(shí)間的延長而逐漸增加。通過PL譜測量發(fā)現(xiàn)，與玻璃相比，Er3+離

5、子在玻璃陶瓷中的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度和1.5μm近紅外發(fā)光強(qiáng)度顯著增大，這與析晶度和納米晶粒尺寸的變化規(guī)律比較吻合。應(yīng)用J-O理論、McCumber理論和F-L方程較完整地計(jì)算、評(píng)價(jià)了玻璃晶化前后的光譜學(xué)參數(shù)。確認(rèn)由于晶化熱處理后Er3+離子進(jìn)入到Y(jié)bPO4晶格，提高了其配位對(duì)稱性和有序性，降低了其所處格位的共價(jià)性，導(dǎo)致其Ω，顯著減小，從而顯著提高了其上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能以及1.5μm近紅外發(fā)光效率、有效寬度和增益參數(shù)等。我們還測量了上述玻璃陶瓷在

6、不同溫度下的上轉(zhuǎn)換和近紅外發(fā)光特性，利用Er3+/Yb3+雙摻系統(tǒng)的能級(jí)結(jié)構(gòu)和躍遷過程分析了發(fā)射強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律，以及用多聲子弛豫(MPR)理論分析了Er3+離子4/13/2能級(jí)的壽命隨溫度升高而降低的原因。這些結(jié)果對(duì)進(jìn)一步優(yōu)化激光器和高增益光纖器件材料有一定的指導(dǎo)作用。
　　 制備并研究了Ce3+/Er3+/Yb3+摻雜的透明磷酸鹽玻璃陶瓷的發(fā)光特性。發(fā)現(xiàn)引入Ce3+后，通過Er3+和Ce3+之間的能量傳遞(Er3+:4I

7、1/2+Ce3+:2Fs/2→Er3+:4I13/2+Ce3+:2F7/2)，可以加快Er3+離子從4I1/2到4I13/2能級(jí)的無輻射躍遷速率，從而有效抑制975nm激光二極管(LD)抽運(yùn)下的磷酸鹽玻璃陶瓷中的可見上轉(zhuǎn)換發(fā)光，改善Er3+在1.5μm附近波段的發(fā)光性能，使Ce3+/Er3+/Yb3+摻雜的透明磷酸鹽玻璃陶瓷更適合作為光纖放大器和激光器的增益介質(zhì)材料。
　　 制備了含有LiPO3單相和LiPO3與TiP2O7復(fù)合

8、相的透明發(fā)光玻璃陶瓷.確定了熱處理?xiàng)l件對(duì)Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽玻璃的晶粒尺寸、透光率、上轉(zhuǎn)換發(fā)光以及1.5μm近紅外發(fā)光性能的影響，為進(jìn)一步研究該類稀土摻雜透明磷酸鹽玻璃陶瓷提供了依據(jù)。晶化后，玻璃陶瓷中的上轉(zhuǎn)換發(fā)光明顯增強(qiáng)，并隨著熱處理溫度的升高或時(shí)間的延長進(jìn)一步增加。納米晶的析出對(duì)Er3+離子在1.5μm處的近紅外發(fā)光也有積極的影響，其發(fā)射峰出現(xiàn)了一定的Stark劈裂，譜線也有所加寬。由光譜性質(zhì)測試和對(duì)光學(xué)性能參數(shù)的計(jì)算表明，