掺镱离子透明微晶玻璃材料的研究

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1、中南人学硕士学位论文摘要Yb3+离子因具有能级结构简单、储能效果好、荧光寿命长、不存在激发态吸收、与固体二极管激光器抽运波长(900．1100nm)耦合性好等特点，使得掺这种离子的激光材料成为当前的研究热点。其中，掺Yb3+离子的透明氟氧化物微晶玻璃因兼具氟化物玻璃的优异光学性能以及氧化物玻璃优良的化学稳定性和热稳定性而引起材料科学工作者的广泛关注。与其他氟化物相比，CaF2晶体对稀土离子有较高的固溶度，且具有透光范围宽(0．125．10um)、化学稳定性好、及声子能量低等特点，因此，掺Yb”离子且含CaF2纳米微晶的氟氧化物微晶玻璃是一种比较有发展潜力的激光材料，特别是在可调谐激

2、光器和超短脉冲激光器方面的应用前景看好。本文采用传统熔体冷却技术及晶化热处理工艺制备了掺Yb”离子的NaF．CaF2一A1203．Si02体系透明氟氧化物微晶玻璃。利用差热分析(DSC)、X射线衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等检测手段研究了该系统玻璃的形成能力、析晶机理、微观结构。同时，利用荧光光谱、吸收光谱以及荧光寿命等测试方法和结果，分析了Yb3+离子掺入浓度对材料光谱和激光性能的影响。结果表明：在NaF—CaF2．A1203．Si02系统中，当引入Na20、K20等碱金属氧化物时，因增加了玻璃组成体系中的0：Si比，使得玻璃的形成能力降

3、低。由于0：Si比的增加，熔体粘度降低，因此，在熔体浇注成型过程中，离子容易发生迁移而调整为晶格结构，出现白发析晶现象；CaO部分替代CaF2后，玻璃中硅氧网络结构得到加强，玻璃的析品稳定性提高。在NaF—CaF2．A1203．Si02系统玻璃中，NaF和CaF2的摩尔百分比高达30％，因此，由[Si04]禾n[A104]四面体组成的网络结构中存在较多网络断开点或非桥氧离子。Ca2+和Na+离子进入这些网络间断点位置，并与非桥氧离子(!tlJ-Si—O‘)键合。当引入Yb203到这些玻璃中后，Yb3+、Ca2+和Na+离子都处于网络间断点位置。由于Yb3+离子的高电价，Yb3+与网

4、络间断点位置中的非桥氧优先成键，这就使得间断点位置区域中的Ca2+和Na+离子富集。这些Ca2+和Na+离子中的一部分与可能尚未达到电价饱和的非桥氧连接，而大部分则与F。或游离氧02。离子连接。与键合到非桥氧上的Ca2+和Na+离子相比，与F’成键的Ca：+离子更容易发生迁移、转动和重排，在热处理过程中，更容易与F-离子一起调整为晶格结构。随着Yb203中南人学硕十学位论文摘要引入量的增加，与结构中的非桥氧键合的cE+离子浓度减小，而与结构中的F。离子键合的Ca2+离子含量增加，因此，玻璃的析晶活化能随着Yb”掺入量的增加而逐渐降低，析晶能力增强。在析晶过程中，晶核呈三维方式生长，

5、晶体长大主要受扩散机制所控制。且随着温度的升高，其成核速率不断降低，最终趋向于零形核率。随着Yb”离子掺入量的增加，NaF．CaF2。A1203．Si02系透明微晶玻璃中两荧光发射峰向长波方向移动，且第二发射峰强度(Ih)与第一发射峰强度(I九n)的比值(Iz．s／IA．r，)呈现增大趋势。在热处理过程中，部分Yb”离子进入CaF2晶体中的Ca2+离子位置，并可在CaF2萤石结构中产生丰富的不对称格位，使得Yb3+离子中电子的能级结构变得更为复杂，从基态激发出的电子数增加，导致发射强度和吸光度提高，同时，使得吸收和发射光谱带加宽。在荧光捕获效应和荧光猝灭效应综合作用下，荧光寿命随着

6、Yb3+离子浓度的增加呈现先增加后降低的变化趋势，如Yb3+离子浓度过大会使其吸收截面和受激发射截面减小。所研制微晶玻璃的吸收截面为2．68pm2、受激发射截面为5．51pm2、荧光寿命为1．32ms、饱和泵浦强度(Isat)为5．77、最小泵浦强度(Imin)为O．60，是一种综合光谱性能优良的掺Yb”激光材料。关键词：Yb3+离子，氟氧化物、透明微晶玻璃，析晶动力学，光谱性能中南人学硕士学何论文ABSTRACTABSTRACTThelasermaterialsdopedYb3+ionshavebecomethehotspotbecauseYb”ionhasverysimplee

7、nergylevelsystem，goodenergystorageability,longfluorescencelifetime，noexcitedstateabsorption，andcouplingeffectivelywiththewavelength(900～1lOOnm)pumpedbysoliddiodelaser．TransparentoxyfluorideglassceramicsdopedYb3+ionshaveattractedwidespre