Nd3+/Er3+共掺杂的中红外氟氧化物激光玻璃材料的研究

本项目针对目前Er3+掺杂的中红外(2.7微米，Er3+的4I11/2-4I13/2跃迁)激光材料存在的问题，结合本课题组的前期实验结果，提出采用Nd3+/Er3+共掺杂的氟氧化物碲酸盐玻璃材料作为中红外发射材料。其优点是：Nd3+的引入可以使泵浦光（约800nm）吸收增强，并能够将泵浦能量传递到Er3+，同时更有效地对Er3+的4I13/2能级消布居，使粒子数反转更加容易，另外，Nd3+对Er3+的上转换发光能够产生猝灭作用,并有可能使部分上转换发光的能量再循环到泵浦吸收能级，还可一定程度地抑制基态"漂白"效应。.本项目的研究内容包括：玻璃组分及合成条件的优化，玻璃的热稳定性，玻璃组分及合成条件对OH-含量的影响，玻璃基质组成及稀土离子掺杂浓度对中红外发射性能的影响，共掺杂体系中稀土离子相互作用的发光动力学规律等。

1、制备了一系列稀土离子掺杂含氟化物组分的碲酸盐玻璃材料，采用Eu3+做探针证明该类材料具有较低的声子能量。研究了Er3+单掺杂的碲酸盐玻璃材料上转换及中红外发射特性，发现在单掺杂条件下Er3+在近红外激发下主要以上转换发射为主，而中红外2.7m发射几乎观察不到。在Er3+掺杂的碲酸盐玻璃中引入Nd3+，以Nd3+做敏化剂，在800nm激发下观察到了强的中红外2.7m发射。利用I-H模型及能量传递的FÖster-Dexter理论对Nd3+及Er3+间的能量传递行为进行了定量分析，计算了能量传递速率。.2、研究了Er3+掺杂ZBLAN玻璃样品的中红外发射特性和光学跃迁性质。针对文献报道的Er3+在ZBLAN玻璃中光学跃迁数据差距较大的问题，我们根据Judd-Ofelt理论计算了Er3+各能级的发射跃迁速率、跃迁分支比等，在计算过程中我们考虑了折射率随波长的变化，同时跃迁波数采用了重心波数，与文献报道的结果相比较证实我们所得到的结果更加可靠。进而利用计算所得到的辐射跃迁速率数据利用McCumber理论对Er3+的4I13/24I11/2跃迁的激发态吸收截面进行了计算，同时对2.7m发射的光学增益特性进行了探讨。.3、尽管玻璃材料在实现中红外激光方面具有诸多优势，但玻璃的热稳定性仍是一个致命的问题，因此我们对玻璃的热学性质进行了深入的研究，并提出了采用Er3+离子进行反斯托克斯荧光制冷的机制。即在中红外2.7m激光运转过程中采用550nm附近的激光做制冷光源，同时对玻璃或光纤进行制冷，以保障激光器的温度稳定性。对Er3+掺杂的ZBLAN玻璃的反斯托克斯荧光行为进行系统研究。考虑所有能级的无辐射跃迁和辐射跃迁特性，计算了在Er3+掺杂的ZBLAN实现温度降低的效率，从理论上证实了实现反斯托克斯制冷的可能。.4、研究了Er3+掺杂的锗酸盐、碲酸盐及锗碲酸盐玻璃材料的温度特性。利用Judd-Ofelt理论计算得到了4S3/2和2H11/2能级的辐射跃迁速率，发现在这三种材料中2H11/2能级的辐射跃迁速率均大于4S3/2能级的辐射跃迁速率，这为实现反斯托克斯荧光制冷提供了可能。发现随着温度增加三个样品中Er3+的2H11/2能级的发光强度均增加，而4S3/2能级发光均减弱，利用这一原理可以实现对温度的监测。并确定Er3+掺杂的碲酸盐具有更高的温度探测灵敏度。