论文部分内容阅读
自从激光出现以来，超高功率激光就是激光科学的主要方向之一。近年来，超高功率激光因为在前沿物理科学研究和“快点火”方向的巨大作用而越发受到科研人员的重视和关注。激光增益介质作为高功率激光装置及激光技术的核心和基石，具有重要的科研意义。本论文方向为研制适用于混合型钕玻璃高功率激光系统的宽带发光钕玻璃。论文内容主要分析了钕离子掺杂铝酸盐玻璃的物理性质、结构性质和光谱性质;同时对铝酸盐玻璃中钕离子发光光谱展宽机理进行了研究和探讨。最后，本课题初步探索出多种新型宽带铝酸盐钕玻璃配方，丰富了已有钕玻璃的数据库。 本论文主要包括6章:第一章是文献综述部分，第二章是本文实验方法及稀土光谱学的理论基础;第三到五章是本论文的核心部分;第六章是结论。 第一章简要的介绍了激光和高功率激光的发展与应用;简述了各种高功率激光增益介质的优缺点;分析得出混合型钕玻璃体系对宽带钕玻璃的需求;同时讨论了稀土离子电子组态和稀土发光特性;最后提出了宽带钕玻璃研发工作的必要性和紧迫性。基于此目的，第一章结尾部分提出本论文在开发新型钕玻璃和研究荧光展宽机理等方向的思路。 论文的第二章，介绍了试验方法和各种测试表征手段，同时概述了稀土光谱参数和相关理论计算。 铝酸盐玻璃热稳定性较差，以往文献中通过引入少量SiO2增强玻璃的抗析晶能力。本论文第三章主要讨论了在传统低硅铝酸盐组分中，SiO2含量从0mol％变化至12mol％对铝酸盐玻璃物理热学性质、结构和Nd3+离子光谱性质的影响。随着SiO2增加，玻璃的密度和折射率下降;玻璃化转变温度Tg和析晶起始温度Tx上升。Raman光谱表明，高场强的Si4+离子夺取并积聚非桥氧，形成[SiO4]四面体的Q0结构;同时导致Al-O网络中非桥氧数量逐渐减小。吸收光谱峰型变化证实Nd-O键共价性下降。与此同时，Nd3+离子荧光峰半高宽从39.7nm缩窄至36.3nm，有效线宽从48.2nm缩窄至44.7nm;计算得到Nd3+离子受激发射截面σe从1.84×10-20cm2增大至2.04×10-20cm2。本章最后对大尺寸低硅铝酸盐玻璃制备工艺进行了探索。 实验第四章讨论了铝酸盐玻璃中引入其它玻璃形成体氧化物(B2O3、GeO2、Ga2O3)，对玻璃物理热学性质、结构和Nd3+离子光谱性质的影响。 其中，高场强B3+离子掺杂铝酸盐玻璃后，玻璃结构和光谱性质与Si掺杂所引起变化类似。Raman光谱证实B3+夺取并积聚Al-O网络中的非桥氧，形成高解聚态硼氧三角体[BO3]的Q0结构。B2O3含量增加导致玻璃化转变温度Tg显著降低，热稳定性参数△T逐渐增大。吸收光谱峰型变化证明Nd-O键共价性程度下降;荧光光谱中，Nd3+离子荧光峰半高宽从从40.1nm减小至34.3nm，有效线宽从50nm缩窄至41.6nm。Fuchtbauer-Ladenburg公式计算得到Nd3+离子受激发射截面σe从1.6×10-20cm2增大至2.04×10-20cm2。 因为Ge4+离子场强稍弱，其夺取非桥氧的能力弱于B3+、Si4+离子。所以GeO2在玻璃中形成[GeO4]的Q2结构。随着GeO2含量上升，玻璃特征温度Tg和Tx显著降低;同时Nd-O键共价性下降。Nd3+离子荧光峰半高宽从40.5nm减小至36nm，有效线宽从49.60缩窄至44.6nm。Fuchtbauer-Lade nburg公式计算得到Nd3+离子受激发射截面σe从1.6×10-20cm2增大至1.85×10-20cm2。 与B3+、Si4+、Ge4+不同，Ga3+离子场强较弱，无法夺取铝氧网络中的非桥氧。随着Ga2O3取代Al2O3，玻璃的特征温度Tg和Tx显著下降，热稳定参数△T和H先增大后减小，说明出现混合形成体效应。Raman光谱显示玻璃逐渐由铝酸盐结构转变为镓酸盐结构。在不同组成的铝镓酸盐玻璃中，Nd3+离子发射带宽变化不明显，其中荧光峰FWMH约为39nm，有效线宽约为37nm。Fuchtbauer-Ladenburg公式计算得到Nd3+离子受激发射截面σe从铝酸盐玻璃中1.79×10-20cm2逐渐增大至镓酸盐玻璃中2.06×10-20cm2。第四章最后部分探索了大尺寸铝镓酸盐钕玻璃的熔制工艺，得出多个热稳定性好的宽带铝酸盐钕玻璃组分配方。 第五章讨论了铝酸盐玻璃中网络修饰体含量变化和Nd3+离子浓度变化对其光谱性质的影响。 发现随着玻璃中CaO/Al2O3比例的提高，玻璃的特征温度Tg从839℃下降至767℃，同时玻璃的热稳定参数△T和H先增大后减小，在CaO/Al2O3=2时达到极大值;研究确定了热稳定性最佳的铝酸盐玻璃组分中碱铝比。Raman光谱表明玻璃中CaO含量升高导致玻璃中NBOs数量增多，引起玻璃网络解聚程度增大。光谱分析说明随着CaO含量提高，Nd-O键共价性程度逐渐升高;Nd3+离子荧光峰半高宽从38.6nm展宽至41.2nm，△λeff从47.5nm展宽至50.2nm。计算得到Nd3+离子受激发射截面σe从2.11×10-20cm2降低至1.35×10-20cm2。 实验制备了不同Nd2O3掺杂浓度的低锗铝酸盐钕玻璃，研究其光谱性质变化。随Nd2O3浓度上升，钕离子荧光峰出现浓度展宽现象，荧光半高宽从33.8nm增加至41.6nm;荧光强度先上升后下降，Nd2O3为0.5mol时达到最大值，随后出现浓度淬灭现象。同时，Nd2O3浓度上升引起荧光寿命下降，当Nd2O3＞0.5mol％时，出现浓度淬灭，荧光寿命下降速度加快。 实验制备了不同Nd2O3掺杂浓度的铝镓酸盐钕玻璃，并研究其光谱性质变化。随Nd2O3浓度上升，荧光峰出现浓度展宽现象，荧光半高宽从34.1nm展宽至39.6nm;荧光强度先上升后下降，在Nd2O3=0.5mol％时达到最大值;荧光寿命逐渐下降，在Nd2O3＞0.5mol％后，出现浓度淬灭。 最后一章是本论文的结论部分，总结了全文的主要研究结果。