稀土掺杂锗碲酸盐玻璃结构调控及红外发光特性的研究

来源 :中国计量大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:doudou2008
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20世纪以来,随着激光的首次发现到激光的深入研究,2~3μm波段激光已经在医疗、通讯、环境勘测以及国防军事等领域中得到广泛应用,从而受到学者们的重视。能够实现2~3μm激光输出的稀土离子主要包含有Ho3+、Tm3+、Er3+、Dy3+等,就目前而言,2μm波段激光输出材料主要来自于Tm3+离子掺杂的重金属氧化物玻璃、硅酸盐玻璃以及晶体当中,而3μm波段发光材料的研究主要在Er3+离子掺杂的氟化物玻璃(ZBLAN)和硫化物玻璃中。Ho3+离子因其较大的受激发射截面以及较长的荧光寿命,使得其在2~3μm激光发射材料中占有重要地位,虽然Ho3+存在无法匹配商用激光泵浦源的缺陷,但选择合适的离子作为敏化离子同样可以使Ho3+获得高效的激光输出。Yb3+能级结构简单成为敏化Ho3+的最优离子,对商用980 nm泵浦源有着较强的吸收带,可以将能量高效的传递至Ho3+激发态能级上。锗碲酸盐玻璃作为重金属氧化物玻璃一类,结合了锗酸盐玻璃和碲酸盐玻璃二者的优点,如热学性能好、密度和折射率高、抗拉伸能力强、声子能量低等,成为2~3μm波段激光输出的适宜材料。本文以Ho3+/Yb3+共掺杂锗碲酸盐玻璃为研究对象,通过探索和设计玻璃组分的最优比例获得声子能量低、物化性能高的玻璃基质。为探究玻璃基质中微观机构的变化对玻璃主体各项性能的影响,为此在实验中通过向玻璃基质中引入氧化物与氯化物两类修饰体,引起玻璃样品结构的改变来增强锗碲酸盐玻璃发光性能和其他物化性能,从而为2~3μm激光应用提供更为合适的玻璃材料。氧化钆作为修饰体引入玻璃网络时,玻璃样品的热学稳定性有明显的提升,网络结构在一定程度上更为的致密紧凑,Gd3+离子通过形成新的Gd-Ho团簇增大了发光离子Ho3+之间的距离,降低了共振产生的能量损失,提高了Ho3+的发光性能,并且在浓度为15 mol%时发光强度达到最大值。氧化锌作为修饰体时,玻璃的热学性能随修饰体含量的增加而逐渐增强,但相较于氧化钆而言增强程度较低。少量Zn2+离子的引入使得结构上更为紧致,使得发光性能逐渐增强,并且在10 mol%时达到最大发光强度,但是过量的引入又会使发光强度出现降低的趋势。氯化镁作为修饰体引入玻璃网络时,样品的热学性能虽然略微提升,但提升的程度远不及氧化物修饰体。MgCl2的加入使得玻璃网络中[TeO3]单元含量逐渐增大,可见和近红外波段发光强度随着Mg Cl2的增加而逐渐增大,这种趋势可以归因于Cl-离子的逐渐增多使得多声子弛豫的几率下降。氯化锌作为修饰体时,玻璃样品的最大声子能量随修饰体含量的增加而逐渐减小,新的Ge-O-Zn键逐渐代替原有的Ge-O-Ge键。红外荧光强度随着Zn O含量的增大而增强,在20 mol%浓度时达到最大。可见波段发光情况与近红外波段略有不同,最大发光强度出现在Zn O浓度为15 mol%的玻璃样品中,之后随着Zn O含量的增大,发光强度逐渐降低。结果表明,氧化物和氯化物作为修饰体,在参与锗碲酸盐玻璃形成的过程中,适量浓度的修饰体对玻璃样品的网络结构调控和发光性能都有着不同程度上的提升。
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