论文部分内容阅读
随着计算机网络及其数据传输业务的飞速发展，人们对提高波分复用系统传输容量的需求日益增长，传统的石英基质EDFA由于其本身带宽的限制而不能满足这种需求。虽然有许多物理特性改良或结构设计的方法用来增加石英基质EDFA的传输带宽，但不能从根本上解决石英基质本身带来的限制，因此寻找合适的Er3+掺杂基质材料，实现光信号的宽带高增益放大，对于光学通信系统传输容量的扩展，具有非常重要的意义。另外，鉴于蓝绿光等短波长激光器在光学通信、数据存储、激光打印、水下传输以及生物医学等方面广泛的应用，如何获得廉价、高效、小型化的蓝绿光激光器也是光电子器件和光电子材料领域的热点和难点。在获得蓝绿光输出的诸多方法中，利用稀土离子的上转换方法具有许多明显的优势，它有利于廉价、紧凑小型激光器系统的发展。本论文结合当前对光通讯材料发展的需求，研究了适用于获得宽带放大的碲酸盐和铋酸盐玻璃基质中的Er3+，Tm3+发光性能，总结出发光性能参数随玻璃成分变化的规律，同时也研究了适合于获得蓝绿光激光输出的碲酸盐玻璃材料中的Er3+，Tb3+的发光特性并获得发光效率和稳定性能俱佳的上转换发光材料。最后对重金属氧化物玻璃光纤的拉制工艺进行了大量的研究，提出了采用半圆夹芯法制作单模标准光纤，同时改进了旋转+浇铸+抽真空拉丝的管棒法拉丝工艺，获得了尺寸和通光性能俱佳的碲酸盐玻璃光纤。具体内容如下：
论文首先综述了稀土掺杂光纤放大器和稀土离子上转换发光的研究进展以及稀土离子掺杂激光玻璃的理论基础，接着综述了当前各种光纤制作技术及其优缺点，最后给出本文的研究内容和研究思路。
在论文的第二章，介绍了重金属氧化物玻璃的制备、测试实验方法和相关的光谱参数计算等基础理论，主要包括各种玻璃的制备，玻璃样品的各种测试以及Judd-Ofelt、FL、McCumber等光谱参数计算理论。
论文第三章分析了Er3+离子在碲酸盐和铋酸盐玻璃中的光谱性质，分析GeO2含量的增加对掺铒TeO2-GeO2-Nb2O5-Li2O玻璃基质的热稳定性和光谱性能的影响，即在玻璃基质物理性质改善的情况下分析Er3+在该碲酸盐玻璃中的荧光发射特性，得出了GeO2含量为10 mol.％时，该玻璃具有最佳成光纤性能且保证了最佳的Er3+荧光性能。然后研究Ce3+引入后对Er3+掺杂的铋—硼—硅酸盐中所带来的光谱性质的影响，分析玻璃基质声子能量的改变对声子辅助能量转移(PAT)率的影响，从而通过适当配比提升Er3+离子1.5μm波段的荧光发射特性。研究发现，当B2O3引入后引起的玻璃基质声子能量达到1200cm-1的时候，Er3+能级4I11/2上粒子的无辐射跃迁速率从～313 s+1剧增到～515s+1，从而能获得较大的1.5μm荧光发射效率。
在研究Er3+掺杂的碲酸盐荧光特性基础上，论文第四章研究了引入Tm3+离子共掺后的超宽带荧光特性，即在Tm3+/Er3+/Ce3+共掺的铋-硅酸盐中研究其物理和光谱性质，在采用800nmLD激光对该玻璃样品进行泵浦后，能获得了FWHM为117nm的超宽带荧光发射。该荧光具备寿命长、带宽宽、谱线平坦的综合优势，当Tm3+/Er3+/Ce3+掺杂比例为1∶1∶3能获得最佳的荧光发射特性。最后在能量转移和无辐射驰豫相关匹配理论的基础上分析了该玻璃中的超宽带发光机理。
论文第五章中，进一步分析了Er3+，Tm3+离子碲酸盐玻璃中的上转换光谱特性。通过在TeO2-ZnO-Na2O玻璃基质中引入Bi2O3成份，从而研究Er3+/Yb3+在980nmLD激光泵浦下的上转换发光特性。实验结果表明低声子能量的Bi2O3的引入，引起Er3+离子4F9/2能级跃迁的淬灭，改善了绿光的发射性能。最后讨论了TeO2-ZnO-Na2O组份碲酸盐玻璃中Tm3+/Yb3+/Tb3+单掺或多掺情况下所获得的新的上转换发光现象，详细的讨论了在Yb3+敏化后Tb3+在合作上转换过程中产生的上转换发光现象，尤其是Tm3+的引入，明显促进了Tb3+的上转换发光。
论文第六章在研究玻璃成纤性质基础上改进碲酸盐玻璃光纤制作工艺，提出或改良了三种有效的光纤制作方法。从制作光纤最简易的方法——机械组合式的半圆合成法，到采用真空设备和高速旋转装置的套管拉丝方法，都实现了单模尺寸光纤的制作。尤其是在套管法+抽真空缩棒的拉丝方法中，实现了较好的芯层和包层界面熔合和光纤芯层和包层外形同心度。
在对玻璃样品进行比较分析的基础上，第七章阐述了利用所研制的玻璃光纤进行光谱性能分析，对Er3+离子在TeO2-GeO2-Nb2O5-Li2O玻璃光纤中发射的1.5μn波段荧光光谱性质进行研究。在研究该Er3+/Yb3+共掺光纤ASE、上转换荧光光谱与泵浦功率、光纤长度的相互关系中，借助能级方程和光波导条件对ASE光分布进行模拟分析，并用实验数据进行验证。在特定泵浦条件下获得最大ASE强度时的最佳光纤长度，得出了在574mW光泵浦强度时光纤最佳长度为56.5cm。
最后是本论文的结论部分，概括了全文创新性的研究结果。