掺Bi硅酸盐玻璃的超宽带近红外荧光性能及机理研究

• 作 者: 郑伟丽
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 超宽带近红外荧光性能 铋掺杂 硅酸盐玻璃 工艺参数 结构表征

Bi掺杂的玻璃能够发射覆盖900到1650nm波长范围内的超宽带红外发光,荧光最大半高宽约300nm,荧光寿命约为几百微秒。Bi掺杂玻璃的独特超宽带光学性能预示着它很有可能成功克服目前稀土离子掺杂光纤放大器的放大带宽不足和拉曼光纤放大器的多波长激发的缺点,并有希望成为全新一代的超宽带光放大材料。虽然Bi掺杂玻璃的荧光性能得到了大量研究,但是,迄今为止,Bi掺杂材料的红外发光机理仍不明确,光放大和激光输出的报道集中在Bi掺杂石英玻璃上,关于多组分玻璃的光放大和激光输出报道较少。　　
本文主要以掺杂Bi2O3的硅酸盐玻璃为研究对象,研究其在近红外波段的超宽带发光性能,并且进行了发光机理的初步探讨。在硅酸盐玻璃成份,泵浦波长等对Bi掺杂玻璃的发光性能研究成果的基础上,我们研究了一种荧光性能优良的SiO2-Al2O3-ZnO硅酸盐玻璃系统,详细探讨了掺Bi硅酸盐玻璃超宽带近红外发光性能的影响因素,以及Bi掺杂玻璃的发光中心,以探明其发光机理。　　
通过改变碱金属或碱土金属氧化物来优化玻璃组分,发现随着玻璃基质的光碱度降低,Bi掺杂玻璃的超宽带近红外荧光性能越好,最终寻找到SiO2-Al2O3-ZnO玻璃基质。随后研究了ZnO/Al2O3比例、Bi掺杂量、熔制温度、熔制时间和伽马辐照等对掺Bi的SiO2-Al2O3-ZnO玻璃体系荧光性能的影响,发现随着这些因素的变化,在熔制过程中玻璃的内部结构和Bi不同价态之间的比例也在不断变化,最终导致掺Bi锌铝硅玻璃近红外荧光性能有很大的差异,并发现21ZnO-20Al2O3-59SiO2-2Bi2O3(mol%)组分的玻璃在1550℃熔制温度下具有最优的荧光性能,该组分玻璃荧光半高宽可达到348nm左右(800nm激发下),荧光寿命最长为700μs左右(500nm激发下)。　　
在发光机理方面,通过研究掺Bi的ZnO-Al2O3-SiO2玻璃在不同泵浦波长下的荧光光谱(包含多个高斯峰)和荧光衰减曲线(非一阶衰减变化),推断出玻璃的发光中心有可能包含不同价态的Bi离子。通过研究玻璃的X射线光电子能谱和荧光光谱的关系,发现荧光峰强度高的玻璃的O1s和Bi4f的结合能相对较高且桥氧含量也较高。通过研究γ辐照对玻璃荧光性能的影响,发现当辐照剂量合适时,玻璃的荧光强度增加,分析玻璃结构的变化认为辐照过程中非桥氧释放出的电子被Bi离子吸收从而导致发光强度增加,因此可以推断Bi掺杂硅酸盐玻璃的发光中心是低价态的Bi离子。