卤素取代和离子能量传递对稀土掺杂氟锆酸盐玻璃中红外发光性能的影响

论文摘要

中红外光在通信、医疗、遥感等方面具有广泛的应用前景。稀土掺杂的玻璃材料具有稀土溶解度高,易加工成型等优势,在中红外发光材料中被广泛关注。氟锆酸盐玻璃具有高透过,低损耗,低声子能量等优点,适合作为中红外发光材料。本文基于氟锆酸盐玻璃体系,通过阴离子取代和敏化剂共掺,改善中红外发光性能。主要研究内容如下:制备了透明的Er3+/Yb3+共掺氟氯锆酸盐玻璃。J-O计算结果表明,氯离子增加了稀土离子局域晶体场的不对称性,提高了辐射跃迁几率。傅里叶变换红外光谱证明样品具有高的中红外光透过率和低的羟基含量。拉曼光谱确认了氟氯锆酸盐玻璃的最大声子能量,并通过德拜模型说明它具有更低的声子密度。通过不同激发光获得了荧光光谱和能级寿命并详细的讨论了能量转移过程。氟氯锆酸盐玻璃中,Yb3+含量的增加不仅会增加4I11/2能级的电子布居,还会影响激发态吸收导致4I13/2电子布居的相对减少,使中红外发光的增强。同时,4I11/2寿命在反向的能量传递过程中的减少,可以推断正向传递过程中寿命的增加。这有利于降低泵浦阈值并且提高激光发射功率。阴离子取代和敏化剂共掺两种方法的共同作用会提高中红外发光强度。制备了透明的Ho3+/Yb3+共掺氟锆酸盐玻璃（Zr-Ba-La-Al-Y-Fx,简称ZBLAY）。通过调制Ho3+、Yb3+、BaCl2的浓度研究中红外发光性能。拉曼光谱显示ZBLAY玻璃的声子能量为588 cm-1,低于传统氟锆酸盐玻璃的600 cm-1,一定程度上降低了非辐射跃迁几率。J-O理论计算结果表明,Yb3+会增加晶体场的不对称性,增大辐射跃迁几率。红外荧光光谱显示Yb3+能有效吸收能量转移给Ho3+,因此提高Ho3+的红外发光、改善Ho3+吸收效率低的问题。Yb3+-Ho3+的能量传递效率为72.6%。讨论了ZBLAY玻璃中Yb3+到Ho3+的能量传递机制:声子辅助的能量传递和交叉驰豫。使用熔融淬火法制备了Bi3+/Ho3+共掺ZBLAY玻璃,探究了Bi3+对Ho3+的敏化作用。吸收光谱表明1200 nm附近Ho3+的吸收峰被Bi3+增强。J-O理论显示,Bi3+可以改变玻璃的共价性和不对称性,提高Ho3+的跃迁几率。荧光光谱表明Bi3+能提高Ho3+的红外发光。使用XRD表征Er3+/Pr3+共掺的ZBLAY玻璃,Pr3+共掺不会导致样品析晶且样品仍具有良好的可见光透过性。比较了所有样品的荧光寿命和荧光强度,最佳Er3+/Pr3+共掺浓度比为4:0.5。结合光谱和寿命讨论了能量转移过程,结果表明Pr3+会造成4I13/2能级退激发,减少4I13/2能级的寿命,因此增强2.7μm发光强度。

论文目录

摘要

abstract

第一章绪论

1.1 选题背景

1.1.1 引言

1.1.2 中红外激光产生方式

1.2 稀土离子

1.2.1 稀土离子简介

1.2.2 稀土离子的能级组态

1.2.3 中红外发光的稀土离子能级结构

1.3 稀土发光的基质材料

1.3.1 玻璃基质和晶体基质

1.3.2 中红外玻璃基质的选择

1.3.3 中红外激光玻璃研究现状

1.4 本文的研究内容和意义

1.5 与中红外玻璃相关的理论计算

1.5.1 Judd-Ofelt理论

1.5.2 声子能量

1.5.3 羟基含量

1.5.4 吸收截面

1.5.5 发射截面

1.5.6 能量传递

3+/Yb³⁺共掺氟氯锆酸盐玻璃的中红外发光性能与能量传递机制'>第二章 Er³⁺/Yb³⁺共掺氟氯锆酸盐玻璃的中红外发光性能与能量传递机制

2.1 引言

2.2 实验

2.2.1 ZFC玻璃的制备

2.2.2 ZFC玻璃的表征

2.3 结果与讨论

2.3.1 ZFC的结构分析

2.3.2 ZFC玻璃的吸收光谱分析

2.3.3 ZFC玻璃的Judd-Ofelt理论分析

3+-Er³⁺的能量转移过程分析'> 2.3.4 ZFC玻璃的荧光光谱与Yb³⁺-Er³⁺的能量转移过程分析

3+-Yb³⁺的能量转移过程分析'> 2.3.5 ZFC玻璃的荧光光谱与Er³⁺-Yb³⁺的能量转移过程分析

2.3.6 ZFC玻璃的傅里叶变换红外光谱分析

2.3.7 ZFC玻璃的拉曼光谱分析

2.3.8 ZFC玻璃中稀土离子的能量传递系数分析

2.3.9 ZFC玻璃的吸收、发射截面与增益分析

2.4 结论

3+对于Ho³⁺中红外发光的影响'>第三章 ZBLAY玻璃中Yb³⁺对于Ho³⁺中红外发光的影响

3.1 引言

3.2 实验方法

3.2.1 ZBLAY玻璃的制备

3.2.2 ZBLAY玻璃的表征

3+单掺ZBLAY的结果与讨论'> 3.3 Ho³⁺单掺ZBLAY的结果与讨论

3+单掺ZBLAY的结构分析'> 3.3.1 Ho³⁺单掺ZBLAY的结构分析

3+单掺ZBLAY的吸收光谱分析'> 3.3.2 Ho³⁺单掺ZBLAY的吸收光谱分析

3+单掺ZBLAY的J-O理论分析'> 3.3.3 Ho³⁺单掺ZBLAY的J-O理论分析

3+单掺ZBLAY的荧光光谱分析'> 3.3.4 Ho³⁺单掺ZBLAY的荧光光谱分析

3+单掺ZBLAY的傅里叶变换红外光谱分析'> 3.3.5 Ho³⁺单掺ZBLAY的傅里叶变换红外光谱分析

3+单掺ZBLAY的拉曼光谱分析'> 3.3.6 Ho³⁺单掺ZBLAY的拉曼光谱分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的结果与讨论'> 3.4 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的结果与讨论

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的结构分析'> 3.4.1 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的结构分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的吸收光谱分析'> 3.4.2 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的吸收光谱分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的 J-O理论分析'> 3.4.3 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的 J-O理论分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的荧光光谱分析'> 3.4.4 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的荧光光谱分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的能级结构分析'> 3.4.5 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的能级结构分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的荧光寿命分析'> 3.4.6 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的荧光寿命分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的傅里叶变换红外光谱分析'> 3.4.7 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的傅里叶变换红外光谱分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY吸收和发射截面分析'> 3.4.8 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY吸收和发射截面分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的增益分析'> 3.4.9 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的增益分析

3+/Yb³⁺共掺ZBLAY的变功率荧光光谱分析'> 3.4.10 Ho³⁺/Yb³⁺共掺ZBLAY的变功率荧光光谱分析

2含量对Ho³⁺在ZBLAY玻璃结果与讨论'> 3.5 不同BaCl₂含量对Ho³⁺在ZBLAY玻璃结果与讨论

2的ZBLAY的结构分析'> 3.5.1 不同含量BaCl₂的ZBLAY的结构分析

2的ZBLAY的傅里叶变换红外光谱分析'> 3.5.2 不同含量BaCl₂的ZBLAY的傅里叶变换红外光谱分析

2的ZBLAY的吸收光谱分析'> 3.5.3 不同含量BaCl₂的ZBLAY的吸收光谱分析

2的ZBLAY的J-O理论分析'> 3.5.4 不同含量BaCl₂的ZBLAY的J-O理论分析

2的ZBLAY的荧光光谱分析'> 3.5.5 不同含量BaCl₂的ZBLAY的荧光光谱分析

2的ZBLAY的拉曼光谱分析'> 3.5.6 不同含量BaCl₂的ZBLAY的拉曼光谱分析

3.6 结论

3+/Ho³⁺和Er³⁺/Pr³⁺共掺ZBLAY的中红外发光性能'>第四章 Bi³⁺/Ho³⁺和Er³⁺/Pr³⁺共掺ZBLAY的中红外发光性能

4.1 引言

4.2 实验部分

3+/Ho³⁺共掺的ZBLAY的中红外发光特性'> 4.3 Bi³⁺/Ho³⁺共掺的ZBLAY的中红外发光特性

3+/Bi³⁺共掺ZBLAY的结构分析'> 4.3.1 Ho³⁺/Bi³⁺共掺ZBLAY的结构分析

3+/Bi³⁺共掺ZBLAY的吸收光谱分析'> 4.3.2 Ho³⁺/Bi³⁺共掺ZBLAY的吸收光谱分析

3+/Bi³⁺共掺ZBLAY的 J-O理论分析'> 4.3.3 Ho³⁺/Bi³⁺共掺ZBLAY的 J-O理论分析

3+/Bi³⁺共掺ZBLAY的荧光光谱分析'> 4.3.4 Ho³⁺/Bi³⁺共掺ZBLAY的荧光光谱分析

3+/Bi³⁺共掺ZBLAY的荧光寿命分析'> 4.3.5 Ho³⁺/Bi³⁺共掺ZBLAY的荧光寿命分析

3+/Bi³⁺共掺ZBLAY的能级结构分析'> 4.3.6 Ho³⁺/Bi³⁺共掺ZBLAY的能级结构分析

3+/Bi³⁺共掺ZBLAY的傅里叶变换红外光谱分析'> 4.3.7 Ho³⁺/Bi³⁺共掺ZBLAY的傅里叶变换红外光谱分析

4.3.8 小结

3+/Pr³⁺共掺ZBLAY的中红外发光特性'> 4.4 Er³⁺/Pr³⁺共掺ZBLAY的中红外发光特性

3+/Pr³⁺共掺ZBLAY的结构分析'> 4.4.1 Er³⁺/Pr³⁺共掺ZBLAY的结构分析

3+/Pr³⁺共掺ZBLAY的吸收光谱分析'> 4.4.2 Er³⁺/Pr³⁺共掺ZBLAY的吸收光谱分析

3+/Pr³⁺共掺ZBLAY的荧光光谱分析'> 4.4.3 Er³⁺/Pr³⁺共掺ZBLAY的荧光光谱分析

3+/Pr³⁺共掺ZBLAY的荧光寿命分析'> 4.4.4 Er³⁺/Pr³⁺共掺ZBLAY的荧光寿命分析

3+/Pr³⁺共掺ZBLAY的能级结构分析'> 4.4.5 Er³⁺/Pr³⁺共掺ZBLAY的能级结构分析

4.4.6 小结

4.5 结论

第五章总结与展望

5.1 全文总结

5.1.1 铒镱共掺的氟氯化物玻璃的能量传递机制与中红外发光性质

5.1.2 钬镱共掺氟化物玻璃中的能量传递与中红外发光性质

3+、Er³⁺中红外发光的影响'> 5.1.3 其他离子在ZBLAY玻璃中对Ho³⁺、Er³⁺中红外发光的影响

5.2 工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴少华

导师: 张晓松

关键词: 氟氯锆酸盐玻璃,中红外发光,能量传递,理论

来源: 天津理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,无机化工

单位: 天津理工大学

分类号: O482.31;TQ171.7

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卤素取代和离子能量传递对稀土掺杂氟锆酸盐玻璃中红外发光性能的影响

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