【摘 要】
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因为光纤通讯具有传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、重量轻、抗电磁干扰性能强、抗腐蚀能力强、保密性强等诸多优势,所以自从光纤诞生以来就被广泛应用到信息传输领域,我国家战略中“宽带中国”的核心任务就是加快建设超宽带光纤通讯网络。光纤放大器是实现超远距离传输的光纤通讯网络中的重要组成器件,其可放大补充信号的波长和带宽取决于内置增益材料。因为中红外波段具有高大气透过率和生物组织吸收特性,使得中红外激光在
【基金项目】
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国家自然科学基金优秀青年基金项目:“光功能玻璃材料”；
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因为光纤通讯具有传输频带宽、通信容量大、传输损耗低、重量轻、抗电磁干扰性能强、抗腐蚀能力强、保密性强等诸多优势,所以自从光纤诞生以来就被广泛应用到信息传输领域,我国家战略中“宽带中国”的核心任务就是加快建设超宽带光纤通讯网络。光纤放大器是实现超远距离传输的光纤通讯网络中的重要组成器件,其可放大补充信号的波长和带宽取决于内置增益材料。因为中红外波段具有高大气透过率和生物组织吸收特性,使得中红外激光在无创医学诊断、工业过程控制、环境监测、大气感应和自由空间通信,石油勘探,以及众多的国防相关（如红外对抗、弹药处置监测等爆炸危险的隔离检测）领域应用广泛,而中红外激光器的主要工作物质就是具有中红外发光特性的材料。因此开发具有超宽带发光性能的材料来实现近中红外超宽带发光性能的应用变得极为迫切。本论文中我们以过渡金属离子掺杂微晶玻璃和复合玻璃为主要研究对象,针对拓宽过渡金属离子近中红外发光波段带宽的问题,选择具有代表性的过渡金属离子Ni和Cr作为发光中心,采用微晶玻璃材料设计-结构性能表征-光学性能表征及调控-应用演示探索的研究路线展开研究。通过热处理制度对微晶玻璃的微晶相种类、晶体场强度和所掺杂过渡金属离子种类的合理调控,实现了过渡金属离子掺杂微晶玻璃的发光峰位和带宽的可控调节。本文的研究内容主要围绕以下五个方面:（1）制备Ni2+离子掺杂Li2O-Al2O3-Si O2氧化物微晶玻璃,探究Ni2+离子掺杂的硅酸盐微晶玻璃体系中,随着微晶结构、掺杂浓度和玻璃组分的改变,其宽带发光的变化规律,实现对其宽带发光中心位置的调节,并且通过实验论证制备该组分微晶玻璃光纤的可行性;（2）研究了新型氟硅酸盐微晶相,通过组分调整使其在20Rb F-20Cd F2-60Si O2和20CsF-20Cd F2-60Si O2玻璃体系中析出。为了获得靠近中红外的宽带发光特性,选择将Ni2+离子掺杂入声子能量较低的氟硅酸盐体系基质玻璃中,析出含有新型氟硅酸盐晶相Rb2Si F6和Cs2Si F6的透明微晶玻璃,并对其析出的微晶结构和光学性能进行表征,分别在1520 nm和1540 nm附近获得了宽带发光,发光强度随微晶相的析出逐渐增强。并且通过实验探究了过渡金属掺杂浓度和热处理制度变化对发光性能的影响,结果表明,受发光离子浓度淬灭效应等原因的影响,发光强度随温度和浓度的增加呈现先增强后减弱的趋势;（3）完成新型近中红外波段宽带发光氟硅酸盐光子微晶玻璃的制备和实验测试。证明KF-Cd F2-Si O2微晶玻璃体系中纳米晶相的种类可以受热处理温制度的影响。通过控制热处理温度在微晶玻璃中实现了多种晶相的析出,并且通过进一步调节不同微晶相的相对含量,实现了发光覆盖1200-2400 nm波段的平坦宽带发光,半高宽达到了605 nm;（4）除了微晶玻璃之外,还探究了过渡金属离子掺杂荧光粉与玻璃复合而得的复合玻璃的发光性能。制备Cr2+:Zn S荧光粉复合的硼磷酸盐玻璃复合材料（CZPB）,该复合材料在1700-2900 nm范围内表现出中红外波段的宽带发光,最大半高宽的值（FWHM）约为690 nm,保留了Cr2+:Zn S荧光粉的发光特性。在非硫系玻璃体系中获得了Cr2+离子在中红外波段的宽带发光。此外,该材料还可以在保留Cr2+:Zn S荧光粉中红外宽带发光现象的情况下加工成玻璃光纤,并对其光纤结构和元素分布进行详细的表征,证明该复合材料存在光纤化的可能性;（5）制备出基于过渡金属离子掺杂的微晶玻璃和微晶玻璃光纤的梯度光学活性材料。发现这些玻璃和玻璃光纤对热处理温度场敏感,在不同温区表现出不同的光学特征,包括中心波长以及不同荧光峰强度比的规律性变化,结合材料结构与光谱分析解释了其梯度结构的形成和对应光学响应的机理。基于该类材料对温度的光学响应,可以用来指示温度并且可以满足特殊应用条件的需要,例如复杂结构器件和复杂温度分布等。此外,表征该类材料在电场和激光作用后的光学响应并探索其应用,发现这种材料在不同区域同样表现出不同的光学特性,在可视化探测方面也具有潜在应用价值。
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