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磷酸盐玻璃作为光纤放大器和光纤激光器基质玻璃有许多优点,如成纤性能好,稀土离子掺杂浓度高,声子能量高,上转换效率低,非线性折射率低等,受到人们越来越多的重视。但磷酸盐玻璃热化学稳定性比较差,如在空气中容易潮解,热膨胀系数大,抗热冲击能力小等,这些缺点限制了它的一些应用。本论文以提高磷酸盐玻璃热化学稳定性为目的,研究玻璃组分氧化物对磷酸盐玻璃热化学稳定性和光谱性能的影响。
玻璃的性质取决于玻璃的组成和结构,绪论部分论述了磷酸盐玻璃的结构,并分析了Al2O3、SiO2、碱金属氧化物、碱土金属氧化物在磷酸盐玻璃中的状态和作用。磷酸盐玻璃被水侵蚀机理和溶解动力学在此部分也做了详细分析。绪论第三部分主要论述了玻璃中的稀土离子,稀土离子的光放大机理以及光谱计算的基础理论J-O理论。
论文实验第一部分研究了Al2O3对磷酸盐玻璃热化学稳定性的影响,并用红外光谱探讨了铝磷酸盐玻璃的结构。(1)随Al2O3含量的增加(0-10mol%),磷酸盐玻璃的密度、折射率、Tg、Tf逐渐提高,分子体积、热膨胀系数和溶解速率随Al2O3含量的增加而减小,化学稳定性逐渐变好。(2)由磷酸盐玻璃的红外光谱可知,随Al2O3含量不断增加,以四配位或六配位的铝离子加强了链状磷酸盐的连接,当Al2O3含量超过5.6时P-O-P键的反对称伸缩振动向高频移动,因此Al2O3的增加也增强了P-O-P键的连接。
实验第二部分主要研究SiO2对磷酸盐玻璃热化学稳定性和玻璃光谱性能的影响。实验结果表明磷酸盐玻璃中搀杂过量的SiO2(>35mol%),玻璃分相偏聚严重并急剧降低玻璃的化学稳定性,SiO2不能明显的提高掺铒磷酸盐玻璃的光谱性能;在磷硅酸盐玻璃75P2O5-5SiO2-5Al2O3-15Na2O(PS2)中存在一个最佳Er3+含量使玻璃的光谱性能最好。(1)随SiO2含量的增加Er离子自发辐射几率A(4I13/2→4I15/2)和峰值受激发射截面σepeak(1533nm)逐渐降低,SiO2的存在使有效线宽△λeff变小,但不同SiO2含量的玻璃△λeff相差不大基本处于52-54nm之间。(2)实验发现掺铒75P2O5-5SiO2-5Al2O3-15Na2O(PS2)玻璃存在一个最佳的Er3+浓度使得△λefi×σepeak(λ)取得极大值,同时又不使Er离子浓度产生浓度猝灭效应,本实验测得为3.73-4.31(1020·em-3)。(3)75P2O5-5SiO2-5Al2O3-15Na2O玻璃随通气除水时间增长(1~3.0h,通气量为0.2L/min),能显著提高玻璃辐射寿命,但A(4I13/2,4I15/2)、σepeak(1533nm)及△λeff呈减小趋势。
实验第三部分主要研究磷酸盐玻璃中碱金属和碱土金属离子对玻璃热化学稳定性的影响,并且研究了磷硼硅玻璃的化学稳定性。实验发现含SrO的磷硅酸盐玻璃耐水性较好,合适硅硼搀杂量的磷酸盐玻璃也具有很好的耐水性。
实验最后部分讨论了稀土离子在玻璃中的存在状态及Er3+对磷酸盐玻璃折射率和耐水性的影响。