具有金属纳米粒子和稀土离子掺杂复合体系的多孔石英玻璃光纤研究

The Surface Plasmon Resonance（SPR）effect of the metal nanoparticles can significantly enhance the fluorescence of the surrounding ions. However, restricted at near field of the surface plasma waves, the composite system of the metal nanoparticles and the light-emitting ions are generally layer-structured, or in a mixed phase, thus limiting the application of this effect in one-dimensional materials. The project uses nano-porous silica glass as a carrier of metal nanoparticles and rare earth ions， preparing composite system optical fiber based on a kind of glass doped with nanoparticles and rare earth ions,and study the influence of metal nanoparticles on the luminescence of rare earth ions . The contents includes: studying the influence of pore structure of porous glass on size, shape and distribution of metal nanoparticles; Studying the optical properties of glass doped with metal nanoparticles and rare earth ions;studying the influence of metal nanoparticles on the excitation or relaxation processes; investigation of the influence of metal nanoparticles on energy transfer kinetic processes of rare earth ions in the porous glass; exploring the technology of preparation of microstructure optical fibers with composite system of metal nanoparticles and rare earth ions; studying the mechanism of action of metal nanoparticles in the optical fiber and optical fiber structure on the excitation or relaxation precess of rare-earth ions. Based on the above research, it will give us a better understanding of the influence of metal nanoparticles on the luminescence process of rare earth ions, and open up new research directions for plasma-enhanced fluorescence effects in the fiber materials.

贵金属纳米颗粒表面等离子体共振效应可有效增强附近离子的荧光。然而，受到表面等离子体波近场局域的限制，金属纳米颗粒与发光离子复合体系一般为层状结构或以混合相存在，因而限制了此效应在一维材料上的应用。本项目采用纳米多孔石英玻璃作为金属纳米颗粒和稀土离子载体，制备基于这种玻璃的金属纳米颗粒-稀土离子复合体系光纤，并研究金属纳米颗粒对稀土离子发光过程的影响。具体内容包括：研究多孔玻璃纳米孔结构对金属纳米颗粒尺寸、形貌及分布的影响；研究金属纳米颗粒掺杂玻璃的光学特性及其对稀土离子激发或弛豫过程的促进或抑制机理；揭示金属纳米颗粒对多孔玻璃中稀土离子能量传递动力学过程的影响；探索金属纳米颗粒-稀土离子复合体系微结构光纤制备技术并研究光纤中金属纳米颗粒和光纤结构对稀土离子的作用机制。基于上述研究，将有助于揭示金属纳米颗粒对稀土离子发光过程的影响，并为等离子体增强荧光效应在光纤材料中的应用开辟新的研究方向。

表面等离子体共振效应可有效增强贵金属纳米颗粒附近稀土离子的荧光。为了研究一维光纤材料中金属纳米颗粒对稀土离子发光的影响，本项目采用纳米多孔石英玻璃作为金属纳米颗粒和稀土离子载体，制备基于这种玻璃的金属纳米颗粒-稀土离子复合体系光纤，并研究金属纳米颗粒对稀土离子发光过程的影响。.本项目主要内容如下：.首先在在纳米多孔石英玻璃制备方面，通过对玻璃制备工艺的不断改进和完善来制备基于纳米多孔石英玻璃的性能优良的掺稀土石英玻璃。重点研究了制备芯棒过程中的关键工艺，包括热处理分相，热酸浸析，除羟基，烧结等工艺。然后对芯棒进行了详细的测试，包括纳米多孔石英玻璃棒的孔形貌，孔径大小及分布。有源芯棒中羟基以及杂质的含量。最后通过红外及Raman光谱，对芯棒内部结构进行了研究。然后，在成功制备纳米多孔石英玻璃的基础上，展开了金属纳米颗粒和稀土离子复合的纳米多孔玻璃的研究。.其次，项目主要采用溶液浸渍-热处理法（Immersion-Heat-Treatment）制备金属纳米颗粒和稀土离子掺杂纳米多孔玻璃。通过选择合适的溶液配比，并改进烧结工艺进行稀土离子价态调控。通过测试稀土离子掺杂石英玻璃光谱特性，并研究金属纳米颗粒和稀土离子共掺的玻璃中金属纳米颗粒的光学特性和稀土离子的发光特性，本项目研究了溶液掺杂浓度、热处理温度、不同的热处理氛围以及不同稀土离子对金属纳米颗粒表面等离子体共振（SPR）吸收峰峰值所在位置的影响，并初步研究了金属纳米颗粒与稀土离子共掺时，金属纳米颗粒对稀土离子的荧光调控。.最后，项目进行了具有金属纳米颗粒和稀土离子复合体系光纤的拉制。由于金属纳米颗粒的熔沸点与石英玻璃的软化点相差较大，导致在拉制过程出现多次金属纳米颗粒气化挥发殆尽的情况，针对这种情况，我们改进了拉制工艺。研究了制备这种复合体系光纤的特有的拉制条件和制备工艺，并初步测试了这种光纤的光谱特性。光谱显示，具有金属纳米颗粒和稀土离子复合体系的光纤具有较强的等离子体吸收效应。