超宽带光放大用新型发光材料的设计，制备和光学性能研究

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1、浙江大学博士学位论文摘要随着计算机I，嘲络和通讯技术的发展，超大容量信息传输和超}夹实时信息处理已经成为光纤通讯的两个重要研究内容。目前，光纤制备技术的改进已经使光纤通讯的窗口覆盖了1．2到1．7um的整个近红外波段。传统的稀土离子掺杂光纤放大器由于稀土离子发光峰窄的本征特点，表现出两个突出问题是：(1)有些波段处未有合适的稀土光纤放大器；(2)利用—根光纤—个泵浦源不能实珊整个光通j飘波段的光放大。如果能够设计和制备新型的红外增益材料，通过该材料制备的—根光纤就可实现多个波段甚至是整个光通{羽波段的光放大，势必会给光通讯技术的

2、发展带来很大的推动作用。本文系统介绍了稀土离子，过渡金属离子，主族元素离子掺杂}槲和半导体量子点作为红外增益材料的研究进展，概括和评述了宽带近红外增益材料发展还面临的问题，并就其今后的发展进行了展望。在此基础上，我们围绕新型增益材料研究几．个重要内容，即“可调谐’’、“超宽带’、“多功台彦’、“高效率刁廿‘微绀’，介绍了我们进行材料设计和构造的研究思路，诸如“配位场调控’、‘味0用微孔环境稳定多重发光中心?’和‘‘j匿短脉冲空间选择

3、生诱导发光中心的转变’，并开发出几类新型近红外宽带发光材料。利用热分析，X射线衍射，高分辨透射电

4、镜，拉曼散射光谱，电子白旋共振，透过／吸收光谱和光致发光光{黻征手段研究了Ni和Bi离子激活材料的微观结构和光谱眭能。本研究取得了一系列实验结果为新型宽带近红外增益材料的开发和实用化奠定了基础。研究了Ni升离子掺杂ZnDAl203一Si02微晶玻璃近红外宽带发光的机理，结果发现宽带红外发光源于掺入Zr】刖204微晶N糟子盼死(Dj确2I∽跃迁，而并非是玻璃相中的Ni2+离子。在此基础上提出了该类材料的设计原则：Ni2+离子必须掺杂入微晶的八面体恪位。并进—步设计和制备了两种新型卜Ji2+离子激活红外宽带发光材料：Ni2+离子掺杂

5、MgO-A1203一Si02和LizO-A1203．Si02微晶玻璃材料。对不同热处理工艺条件下获得的Ni2+掺杂Li20A如03．Si02微晶玻璃的发光

6、生能进行了研究，结果发现在保证微晶玻璃透明的温度范围内(600--一800oC)随着热处理温度的升高发光减弱，随着热处理时间的延长发光增强且发光峰蓝移。探讨了上述现象的起因：Ni镛子发光对环境很敏感，不同热处理工艺不仅影响微晶结构，也影Ⅱ『甜i镛子所占据格位的分布。Ill摘要提出两个可实现可调谐发光的研究思路：(1)利用微晶玻璃中纳米微品的小尺寸效应调拧光学

7、生能；(2)利用

8、配位场调控实现可调谐发光。设计并成功制备了具有可调谐红外宽带发光特征的Ni2+离子掺杂微晶玻璃材料。利用纳米材料特殊的微观结构特点，在Ni2+离子掺杂丫．Ga203微晶玻璃中，通过调控热处理温度控制析出纳米微晶的尺寸(4．8"-'11．7nm)，实现了40am(1240"-"1280nm)的近红外宽带可调谐发光。分析可调谐发光的起因：微晶玻璃中不同尺寸的纳米晶表现出不同程度的结构畸变，引起过渡金属离子和周围配体的相互作用程度不同，从而影响中心活性离子的能级分裂。进一步通过直接控制中心活性离子和配位体的相互作用，在Y．Ga203，

9、M92Si04和Bao．80s(A11．7lSi2．29)08透明微晶玻璃中，首次实现了覆盖整个近红外波段，发光峰可从1245珊谰至1450nm和1570nlil的宽带可调谐发光。理论分析确认可调谐发光是通过调控微晶中活

10、生离子与氧离子的键长实现。该方法具有普适

11、生，可用于设计工作在其它波段的新型发光材料，有望解决传统半导体量子点可调谐发光材料的环境毒眭问题，并在生物和通讯领域获得应用。提出利用单一离子掺杂实现超宽带发光的研究思路：利用活f生离子掺杂进入同—微晶中两个不同的晶格位置，通过发光峰的组合实现超宽带发光的目的。基于E述

12、设计思想成功制备了具有超宽带红外发光特征的新型Ni2+离子掺,：瓤Ga／03)3(Ge02)2微晶玻璃材料并对其结构和光学性能进行研究。EELS和光谱分析结果表明Ni2+离子分别掺杂进入了规则和变形Ga06八面体。处于规则八面体的Ni2+离子具有较强的晶体场能量，发光中心波长处于高能量区域(1300nm)；而处于变形八面体位置的Ni2+离子具有较弱的晶体场能量，发光中心波长处于低能量区域(1450nm)。通过两个发光峰的组合实现半高宽达400am的超宽带近红外发光。激发光谱和瞬态光谱的表征结果表明不同格位的发光中心存在传能过程，

13、且该传能效应可被利用作仅通过选择1<同激发波长来实现红外发光的可调控。最后提出了过渡金属离子掺杂的机理：基于系统能垂撮小的稳定化趋势是过渡金属离子格位选择的驱动力。上述结果为利用通过掺杂改变纳米材料发光性能的研究提供重要参考。基于前面Ni2+离子近红J'l-波段