铋掺杂硼酸盐激光玻璃的制备及近红外发光性能研究

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1、硕士学位论文铋掺杂硼酸盐激光玻璃的制备及近红外发光性能研究作者姓名薛亚飞学科专业材料学指导教师彭明营所在学院材料科学与工程学院论文提交日期2018年4月11日PreparationandNIRLuminescencePropertiesofBismuth-dopedBorateLaserGlassADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：XueYafeiSupervisor：Prof.PengMingyingSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,

2、China摘要铋掺杂增益材料具有可覆盖1000-1600nm波段的超宽带近红外发光，可以覆盖石英光纤的整个低损耗通信窗口，有望作为超宽带光纤放大器增益材料。但现有铋掺杂石英光纤必须在大于2000℃制备，这造成铋大量挥发，光纤中铋残余量极少（~50ppm），因而这些光纤增益极低，本论文选取铋掺杂硼酸盐玻璃体系作为研究对象，在较低温度1400-1450℃下制备，玻璃样品铋掺杂最高浓度达到6mol%，并获得了提高和调节铋近红外发光的方法，具体的成果如下：（1）在1400℃下，系统地制备了不同碱土金属种类及含量的铋掺杂硼酸盐玻璃，研究了不同碱土金属的含量以及种

3、类的改变对其近红外发光性能的影响；通过FT-IR和NMR结构表征以及光学碱度的计算，发现了近红外发光峰位与光学碱度之间的定性关系，即当玻璃系统的光学碱度增加时，近红外发光红移，反之蓝移；发现了近红外发光强度与玻璃网络结构中的B-O、Al-O多面体结构单元之间的联系，即BO4和AlO5有助于增强近红外发光，而在Al2O3含量低于6mol%时，BO4影响占主导地位，在Al2O3含量超过6mol%时，AlO5的影响占主导。（2）在1400℃下，系统地制备了不同Bi2O3和Y2O3含量的铋掺杂硼酸盐玻璃，研究了硼酸盐玻璃中铋掺杂浓度及Y2O3含量对近红外发光性

4、能的影响；得到了性能最佳玻璃组分为77B2O3-15CaO-5Al2O3-3Y2O3-6Bi2O3，经过热循环测试，发现该玻璃体系的近红外发光有着较好的热稳定性能。（3）在1450℃下，系统地制备了不同GeO2含量的铋掺杂硼酸盐玻璃，通过加入GeO2来改善铋掺杂硼酸盐玻璃的均匀性和稳定铋近红外发光中心。发现B2O3与GeO2能够在较低温度下（1450℃）形成均匀透明的玻璃；发现随GeO2含量增加，玻璃近红外发光拓宽和并增强，吸收系数同时增大。通过FT-IR、Raman、NMR结构表征，发现这是由于Ge离子会与B离子共同形成玻璃网络结构，形成新铋发光中心

5、，随GeO2含量从0mol%增加到67mol%，AlO5和AlO6会逐渐转变为AlO4，有助于铋近红外发光，故吸收系数以及近红外发光强度增强。关键词：铋；近红外发光；玻璃网络结构；硼酸盐玻璃IAbstractBismuthdopedgainmaterialsdisplayanultra-widebandnear-infraredemissionspanningthespectralrangeof1000to1600nm,whichcancovertheentirelow-losscommunicationwindowofthesilicafiber.T

6、hebismuth-dopedmaterialsappeartobepromisinggainmaterialsfortheapplicationsofultra-widebandfiberamplifiers.However,theexistingbismuth-dopedsilicaopticalfibersmustbefabricatedathightemperature(morethan2000℃),whichwouldcauseseverevolatilizationofbismuth,andleaveextremelylowresidual

7、amountofbismuth(~50ppm)intheopticalfibers.Therefore,inthiswork,wechosebismuth-dopedborateglassesastheresearchobject,whichcouldbepreparedatrelativelylowtemperatureof1400-1450℃.ThemaximaldopingconcentrationofBi2O3wasupto6mol%.Besides,weproposedastrategytoenhanceandtunethebismuthNI

8、Rluminescenceproperties,thespecificresultsobtai