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S+C+L+U波段发光铋掺杂玻璃与光纤研究

2020-12-02阅读(237)

S+C+L+U波段发光铋掺杂玻璃与光纤研究

论文摘要

铋（Bi）激光玻璃与光纤已成为新一代激光介质,在超宽带光放大器及可调谐激光器领域展示出重大潜力。但传统Bi玻璃的近红外发光多集中于O波段（1260-1360 nm）之前,难以拓展到重要的S（1460-1530 nm）,C（1530-1565 nm）,L（1565-1625 nm）及U（1625-1675 nm）通信波段。实现Bi在石英低损耗窗口的宽带发光有助于通过单种元素掺杂在单一波长下实现整个光通信窗口的光放大。这种超宽带光放大器的实现有可能从根本上突破现代通信系统的速率和容量瓶颈。除此,目前铋掺杂玻璃面临发光弱、Bi分布不均匀及热猝灭严重等问题。实现高效、超宽和发光中心稳定的Bi近红外发光将有助于从根本上解决Bi激光介质的增益及带宽问题,为覆盖整个近红外区域可调谐激光器的实现奠定基础。针对Bi激活玻璃与光纤存在的这些关键问题,我们设计、制备并研究了一系列Bi掺杂多组分玻璃。本文取得的研究成果如下:（a）解决了Bi掺杂玻璃发光效率低的问题。我们首次提出通过氮化物掺杂结合玻璃局域结构剪裁实现了超低Bi掺杂浓度下发光的强化和稳定。氮化物掺杂不仅使得Bi近红外发光被提升1000倍,还大大强化了其特征吸收。经过氮化物掺杂后的低浓度Bi掺杂样品与最优化Bi掺杂浓度样品的发光强度和带宽相当,并保持了其长寿命的特点,其荧光寿命是掺杂最优化Bi浓度样品的寿命的2倍。并且,我们在典型硼酸盐及磷酸盐玻璃体系中对结论进行了验证。这种在不显著改变玻璃网络结构的情况下优化Bi掺杂玻璃近红外发光特性的方法解决了低浓度Bi掺杂的发光效率问题,并有助于设计和制造高效发光的Bi掺杂多组分玻璃与光纤。（b）解决了Bi掺杂玻璃发光带宽窄的问题。我们通过还原及氮化物掺杂,在保证Bi高效发光及长寿命的情况下,首次实现了覆盖750-1900 nm的超宽带、可调谐、长寿命的超宽带近红外发光,其半高宽高达650 nm。赋予Bi近红外玻璃覆盖生物成像窗口和光学通信窗口（O-U波段）的超宽带近红外发光。另外,我们在硅锗酸盐、硼锗酸盐和磷锗酸盐玻璃中验证了该策略的普适性。Bi掺杂玻璃近红外发光的显著增强和拓宽有助于Bi掺杂新型超宽带近红外发光材料与器件的开发和应用,为新型Bi掺杂多组分光纤及光纤激光的设计、制备和优化打下了基础。（c）解决了Bi掺杂玻璃发光的热衰及玻璃均匀性问题。通过氮化物掺杂及局域剪裁玻璃结构,我们制备了无热衰的Bi掺杂多组分玻璃。研究表明,氮化物掺杂有助于增加玻璃局域刚性,使得玻璃结构更紧凑,从而有利于Bi近红外中心的稳定和高效发光。氮化物掺杂的多组分硅酸盐玻璃在加热到450 K的情况下无热衰现象。这种新型Bi掺杂玻璃的近红外发光在两次循环加热下仍然能够恢复原始发光强度。且氮化物掺杂的多组分玻璃具有良好的均匀性。这些结果为Bi掺杂多组分玻璃及光纤的性能优化奠定了基础。（d）揭示了新型Bi近红外发光行为与玻璃结构的关系。我们通过氮化物掺杂在Bi掺杂的硼锗酸盐及氟锗酸盐玻璃中实现了Bi激活超宽带近红外发射,并详细探究了Bi超宽带近红外发光与玻璃结构的依赖关系。实验结果表明,新型Bi近红外发光中心的发光特性可能受到玻璃结构和声子能的影响,且不同的Bi近红外中心对于玻璃结构的依赖程度不同。这些结果有助于鉴别Bi近红外发光中心的来源,并加深我们对Bi近红外发光行为的理解,为Bi近红外发光的调控提供了借鉴。（e）首次成功制备了氮化物掺杂的新型超宽带Bi激活多组分锗酸盐光纤。我们发现Bi掺杂多组分锗酸盐光纤也展现出了与芯层玻璃类似的超宽带近红外发光,其近红外发光覆盖整个近红外区域（O-U波段）。研究表明Bi近红外中心可以在光纤拉制的二次加热过程中存活。这些结果为近红外发射带宽超过650 nm的Bi掺杂多组分玻璃光纤增益介质及可调谐Bi光纤激光的开发奠定了基础。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第1章 绪论
  •   1.1 宽带光放大用玻璃概述
  •   1.2 典型近红外玻璃简介
  •     1.2.1 稀土激活近红外玻璃
  •     1.2.2 过渡金属离子激活近红外玻璃
  •     1.2.3 量子点激活近红外玻璃
  •     1.2.4 主族元素激活近红外材料
  •     1.2.5 Bi激活近红外玻璃研究进展
  •     1.2.6 Bi激活光纤与激光概述
  •     1.2.7 Bi激活玻璃/光纤存在的问题
  •   1.3 本课题的来源及提出
  •     1.3.1 本课题的来源
  •     1.3.2 本课题的提出
  • 第2章 样品的制备与表征
  •   2.1 样品的制备
  •     2.1.1 实验试剂
  •     2.1.2 实验设备
  •     2.1.3 制备流程
  •   2.2 样品的测试设备及参数
  •     2.2.1 X射线衍射
  •     2.2.2 X射线光电子能谱
  •     2.2.3 透射光谱
  •     2.2.4 稳态与瞬态荧光光谱
  •     2.2.5 核磁共振谱
  •     2.2.6 拉曼光谱
  •     2.2.7 傅里叶红外谱
  •     2.2.8 电子探针显微分析
  •     2.2.9 折射率测试
  • 第3章 高Bi掺杂浓度下O波段玻璃单带发光的增强
  •   3.1 前言
  •   3.2 实验部分
  •     3.2.1 样品制备
  •     3.2.2 样品表征
  •   3.3 结果与讨论
  •     3.3.1 光学特性表征及机理分析
  •     3.3.2 玻璃结构特性表征
  •     3.3.3 荧光寿命表征
  •     3.3.4 玻璃均匀性表征及分析
  •     3.3.5 典型高共价性还原剂对实验结果的验证
  •   3.4 本章小结
  • 第4章 超低Bi掺杂浓度下O波段玻璃单带发光的增强
  •   4.1 前言
  •   4.2 实验部分
  •     4.2.1 样品制备
  •     4.2.2 样品表征
  •   4.3 结果与讨论
  •     4.3.1 氮化铝对发光的增强及低Bi浓度掺杂的优势
  •     4.3.2 氮化铝浓度对Bi近红外发光和吸收的增强规律
  •     4.3.3 氮化铝对Bi可见光的影响
  •     4.3.4 氮化铝对玻璃结构的影响
  •     4.3.5 氮化铝对玻璃均匀性的影响
  •     4.3.6 氮化铝诱导Bi近红外中心的模型
  •     4.3.7 氮化铝对超低Bi浓度掺杂硼/磷玻璃发光的优化
  •   4.4 本章小结
  • 第5章 碳化物诱导Bi掺杂玻璃的O-U波段多模式发光
  •   5.1 前言
  •   5.2 实验部分
  •     5.2.1 样品制备
  •     5.2.2 样品表征
  •   5.3 结果与讨论
  •     5.3.1 SiC对 Bi掺杂玻璃吸收的影响
  •     5.3.2 SiC诱导Bi多中心及其室温光谱特征
  •     5.3.3 Bi近红外发光的宽幅可调特征
  •     5.3.4 Bi低温光谱及荧光寿命表征
  •     5.3.5 SiC对 Bi掺杂玻璃结构的影响
  •     5.3.6 SiC诱导新型Bi近红外中心机理
  •     5.3.7 新型Bi近红外发光的优势
  •     5.3.8 新型Bi玻璃与高Bi浓度掺杂玻璃发光的对比
  •     5.3.9 Bi掺杂硼锗/硅锗玻璃的新颖宽带近红外发光
  •   5.4 本章小结
  • 第6章 氮化物诱导Bi掺杂玻璃的O-U波段多模式发光
  •   6.1 前言
  •   6.2 实验部分
  •     6.2.1 样品制备
  •     6.2.2 样品表征
  •   6.3 结果与讨论
  •     6.3.1 Bi-氮化物掺杂玻璃的室温光谱表征
  •     6.3.2 Bi-氮化物掺杂玻璃的荧光衰减曲线
  •     6.3.3 Bi掺杂浓度对光谱、XRD的影响
  •     6.3.4 Bi近红外发光的热猝灭特性
  •     6.3.5 新型Bi近红外发光的可能归属
  •     6.3.6 Bi-氮化物掺杂玻璃中Bi发光的优势
  •     6.3.7 Bi掺杂硅/硼/磷锗酸盐玻璃中的发光特性
  •   6.4 本章小结
  • 第7章 氧化锗对Bi掺杂硼锗酸盐玻璃多模式发光的影响
  •   7.1 前言
  •   7.2 实验部分
  •     7.2.1 样品制备
  •     7.2.2 样品表征
  •   7.3 结果与讨论
  •     7.3.1 硼酸盐、硼锗酸盐和氮化物掺杂的硼锗酸盐玻璃光谱对比
  •     7.3.2 Bi掺杂硼锗酸盐玻璃的可调近红外发射
  •     7.3.3 氧化锗对于Bi吸收特性的影响
  •     7.3.4 氧化锗对Bi激发谱及荧光寿命的影响
  •     7.3.5 氧化锗含量对Bi掺杂玻璃结构的影响
  •     7.3.6 Bi掺杂硼锗酸盐玻璃的均匀性表征
  •     7.3.7 Bi掺杂新型硼锗酸盐玻璃与传统多组分玻璃的光谱对比
  •   7.4 本章小结
  • 第8章 氟化钡对Bi掺杂锗酸盐玻璃多模式发光的影响
  •   8.1 前言
  •   8.2 实验部分
  •     8.2.1 样品制备
  •     8.2.2 样品表征
  •   8.3 结果与讨论
  •     8.3.1 氟化物对Bi发射谱的影响
  •     8.3.2 不同发射波长的激发谱对比
  •     8.3.3 氟化物浓度对Bi吸收的影响
  •     8.3.4 二维激发-发射谱表征
  •     8.3.5 氟化物对荧光寿命的影响
  •     8.3.6 氟化物对样品红外和拉曼谱的影响
  •     8.3.7 氟化物对样品铝核磁谱的影响
  •     8.3.8 氟化物影响Bi近红外发光的机理探讨
  •   8.4 本章小结
  • 第9章 O-U波段发光Bi掺杂光纤的制备及荧光特性
  •   9.1 前言
  •   9.2 实验部分
  •     9.2.1 样品制备
  •     9.2.2 样品表征
  •   9.3 结果与讨论
  •     9.3.1 Bi掺杂玻璃光纤的芯层组分优化
  •     9.3.2 Bi掺杂玻璃光纤的芯层和包层折射率匹配
  •     9.3.3 Bi掺杂玻璃光纤的制备流程
  •     9.3.4 Bi掺杂玻璃光纤的端面元素分布
  •     9.3.5 Bi掺杂玻璃光纤的结构表征
  •     9.3.6 Bi掺杂锗酸盐玻璃光纤的光谱表征
  •   9.4 本章小结
  • 第10章 结论与展望
  • 参考文献
  • 攻读博士学位期间取得的研究成果
  • 致谢
  • 附表

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 曹江坤

    导师: 彭明营

    关键词: 近红外,超宽带,波段,玻璃结构,放大器

    来源: 华南理工大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,无机化工,无线电电子学

    单位: 华南理工大学

    基金: 国家重点研发计划(No.2017YFF0104504),国家自然科学基金优秀青年基金(No.51322208),教育部“创新团队发展计划”(No.IRT_17R38)

    分类号: TN253;TQ171.1

    DOI: 10.27151/d.cnki.ghnlu.2019.000312

    总页数: 145

    文件大小: 17266K

    下载量: 178

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