Nd3+離子摻雜硫系玻璃微球的制備及其性能研究.pdf

1、玻璃微球腔具有品質(zhì)因數(shù)高、模式體積小、窄線寬等優(yōu)點(diǎn)，有潛力應(yīng)用于全光開關(guān)、低閾值微球激光器、光波分復(fù)用器、超高靈敏度傳感器等領(lǐng)域，吸引了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的研究興趣。本論文重點(diǎn)是Nd3+摻雜硫系玻璃微球的制備及其在熒光/激光輸出方面的研究。硫系玻璃作為一種新型的光學(xué)材料，具有優(yōu)良的中遠(yuǎn)紅外透過(guò)性能（0.5-1μm~12-25μm），聲子能量低（200-350 cm-1），高折射率n1（2.0-3.5），極高的非線性折射率n2（是石英材料的1

2、00~1000倍）。硫系玻璃微球具有更好的對(duì)光的限制作用、無(wú)輻射躍遷幾率低和更強(qiáng)的非線性效應(yīng)。
　　然而目前對(duì)硫系玻璃微球的研究卻并不多，已有的也多集中在As2S3和As2Se3等對(duì)環(huán)境有害的As基無(wú)源玻璃基質(zhì)上。對(duì)于有源不含As的硫系玻璃微球此前僅在2010年報(bào)道過(guò)一次，除此之外報(bào)道的有源玻璃微球基質(zhì)材料大多集中在石英或者氧化物玻璃。因此，本論文將首先從硫系玻璃組分優(yōu)化、稀土摻雜濃度、硫系玻璃制備等方面進(jìn)行研究，并探索稀土摻雜硫

3、系玻璃微球的形貌、耦合光譜等特性。
　　論文緒論部分主要分析了玻璃微球腔的研究歷程、制備方法、耦合方法，介紹了玻璃微球腔的應(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)介紹了硫系玻璃的特性和稀土摻雜硫系基質(zhì)玻璃微球的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀。最后提出了本論文的具體研究的內(nèi)容、研究的手段以及研究的意義。
　　論文第二章介紹了介質(zhì)微球腔的理論與特性。運(yùn)用幾何光學(xué)，特別是波動(dòng)光學(xué)對(duì)微球諧振腔光場(chǎng)分布進(jìn)行了表征，從Maxwell方程組出發(fā)，建立了WGM模式TE模和TM模特征

4、方程，并進(jìn)一步推導(dǎo)出微球腔諧振模式位置和寬度。分析了玻璃微球腔的特性，如品質(zhì)因子、傳播常數(shù)、模式體積等，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)驗(yàn)展開具有重要的指導(dǎo)意義。
　　論文第三章首先介紹了Nd3+摻雜Ge-Ga-S-CsI硫系玻璃的制備及其各熱學(xué)、光學(xué)等性能測(cè)試，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)介紹了對(duì)應(yīng)硫系玻璃微球的制備流程，包括制備裝置的設(shè)計(jì)、玻璃粉末的研磨與篩選及高溫下微球的熔制和冷卻至室溫。最后表征了制得的玻璃微球的尺寸分布、表面質(zhì)量等特性

5、，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供了合適的硫系玻璃微球。
　　論文第四章主要介紹了運(yùn)用酒精火焰加熱拉伸法制備石英光纖錐。搭建了一套完整的從拉制、取錐到損耗測(cè)試的平臺(tái)，拉制實(shí)驗(yàn)表明，拉制的石英光纖錐直徑在1~2μm左右，表面較為光滑；設(shè)計(jì)了一種較為巧妙的取錐方法，有效避免了取錐過(guò)程中光纖錐的斷裂；在隨后進(jìn)行的導(dǎo)光損耗測(cè)試中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明制備完成的光纖錐具有86％的通光率，所拉制的光纖錐損耗普遍在0.5 dB左右。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)由于范德華力吸收而附

6、著于光纖錐表面的空氣塵埃在通光時(shí)會(huì)成為一個(gè)個(gè)光散射點(diǎn)，因此拉制的光纖錐應(yīng)盡快用于耦合實(shí)驗(yàn)。
　　論文第五章在介紹耦合理論的基礎(chǔ)上研究了Nd3+摻雜75GeS2-15Ga2S3-10CsI硫系玻璃微球與拉制的1~2μm石英光纖錐的耦合發(fā)光特性。理論模擬表明由于硫系微球與石英光纖錐高折射率差的存在，800 nm和1075 nm處均將在微球內(nèi)激發(fā)出高階模。微球耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明未經(jīng)除水的硫系玻璃微球只觀察到熒光光譜，而經(jīng)除水的硫系玻璃微球