稀土掺杂氧化铝光波导尚处于应用基础研究阶段,研究结果主要集中在光学性能方面,对于稀土掺杂氧化铝光波导材料的结构,发光机理等基础问题研究很少。本文采用铒、镱盐掺杂溶胶-凝胶工艺和铒离子注入勃姆石凝胶原位合成薄膜工艺分别制备了掺Er³⁺:Al₂O₃和Er³⁺,Yb³⁺共掺杂Al₂O₃,系统地研究了Er³⁺,Yb³⁺掺杂浓度和烧结温度对掺杂Al₂O₃结构及其光致发光特性的影响,揭示了Er³⁺在Al₂O₃基体中的发光机理,以及Yb³⁺在Al₂O₃基体中对Er³⁺光致发光的敏化作用。 采用铒盐掺杂溶胶.凝胶工艺制备了掺Er³⁺:Al₂O₃粉末和薄膜,研究了Er³⁺掺杂浓度和烧结温度对Al₂O₃相结构的影响。建立了掺Er³⁺:Al₂O₃粉末掺杂浓度为0-20mol%,烧结温度为550-1400℃的Er-Al-O系相组成图,体系中存在γ-（Al,Er）₂O₃,θ-（Al,Er）₂O₃,α-（Al,Er）₂O₃,Al₁₀Er₆O₂₄和ErAlO₃等5种相,Er³⁺的掺杂促进γ和θ相非晶化,随着掺杂浓度升高,非晶化趋势加剧,Er³⁺的掺杂使γ→θ和θ→α相变温度提高10-20℃。在热氧化的SiO₂/Si（100）基体上提拉法制备掺0-1.5mol% Er³⁺:Al₂O₃薄膜,提拉速度为100mm/min,提拉9次,烧结温度为900℃时,薄膜厚度为1.2μm,薄膜表面平整,颗粒均匀,随着掺杂浓度升高,平均颗粒尺寸从30-50nm增至100-300nm。薄膜为γ-Al₂O₃结构,且具有（110）择优取向。 掺Er³⁺:Al₂O₃具有中心波长为1.533μm光致发光特性,掺Er³⁺:Al₂O₃的相结构对光致发光特性有显著影响。掺1mol% Er³⁺:Al₂O₃粉末,随着烧结温度由600℃增至1200℃发生γ→θ→α相变,光致发光强度相应增加。γ和θ相的光致发光谱为双峰结构,1.533μm处为主峰,1.550μm处为肩峰,α相的光致发光谱为多峰结构,除1.533μm处主峰外,还有其它尖峰。Er³⁺掺杂浓度由0.5mol%增至10mol%,900℃烧结的粉末为γ和少量θ相混合结构,掺杂浓度为0.5mol%和1mol%的粉末光致发光强度较强,随着掺杂浓度提高,光致发光强度显著下降。Er³⁺掺杂浓度为0.1-2.0mol%,烧结温度为800-1000℃,具有γ和θ相混合结构的Al₂O₃,有较强的光致发光强度和较宽的半峰宽,有利于制备光波导。利用群对称理论,分析了γ,θ和α相结构对应的光致发光谱。γ和θ相结晶程度较低,Er³⁺随机分布在O^2-构成的八面体和四面体间隙,Er³⁺周围的环境差别较大,导致光致发光谱宽化。α相结晶程度较高,Er³⁺在α相中分布在O^2-构成的八面体间隙,Er³⁺周围的环境差别较小,出现了表征Stark分裂精细结构的光致发光谱。 采用铒离子注入勃姆石凝胶原位合成了掺Er³⁺:Al₂O₃薄膜,注入能量为45keV,注入剂量为5×10¹⁵/cm²,在热氧化的SiO₂/Si（100）基体上Er离子注入一次提拉获得的50nm的勃姆石干凝胶薄膜,提拉-注入4次获得的掺Er³⁺:γ-AlOOH干凝胶薄膜,Er的峰值浓度为10at.%,900℃烧结原位合成掺Er³⁺:Al₂O₃薄膜,Er的峰值浓度降至5at.%,在200nm厚度内分布较均匀。Er离子注入勃姆石凝胶原位合成掺Er³⁺:Al₂O₃薄膜具有较高的光致发光强度,比Er离子注入Al₂O₃直接形成的掺Er³⁺:Al₂O₃薄膜光致发光强度提高4倍,比采用铒盐掺杂溶胶-凝胶工艺制备的掺Er³⁺:Al₂O₃薄膜光致发光强度提高10倍,有利于制备光波导。 采用铒、镱盐共掺杂溶胶-凝胶工艺制备了0-1mol% Er³⁺,0-2mol%Yb³⁺共掺杂Al₂O₃粉末,Er³⁺,Yb³⁺共掺杂Al₂O₃具有中心波长为1.533μm的光致发光特性。随着烧