碲酸盐玻璃的制备和性能研究

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掺饵光纤放大器(EDFA)因其优异的光学性能,在光传输系统中有广泛应用。碲酸盐玻璃因具有受激发射截面大、增益带较宽等优异的特性,用其作为宽带掺铒光纤放大器基质材料的开发研究已引起国内外的广泛关注。然而,现有碲酸盐玻璃的热膨胀系数较高、热稳定性较差,不利于玻璃光纤的制备和使用。为了使碲酸盐玻璃在光纤激光器或放大器用基质材料领域得到广泛应用,需要对玻璃的化学组成和制备工艺进行科学设计和调控,以获得具有低热膨胀系数、高热稳定性和光学性质优异的碲酸盐玻璃材料。本文通过在TeO2-ZnO-Na2O基础玻璃体系中引入SiO2、B2O3、GeO2和Al2O3等成分调节玻璃组成以改善玻璃的形成能力、热学性质等综合性能。试验中发现TeO2-ZnO-Na2O基础玻璃体系中分别或同时加入B2O3、GeO2可制备其透明度良好,出现气泡、条纹的情况较少的玻璃试样:但是加入Al3O4较难形成外观良好的碲酸盐玻璃,且制备所需的温度较高;加入SiO2的成分体系不可形成玻璃相。采川CCl4做除水剂将炉料浸泡,之后利用熔融法制备了掺饵碲酸盐玻璃。应用傅里叶红外光谱(FTIR)分析玻璃的结构,通过分析比较得知本文采用的炉料浸泡法可有效去除玻璃体系中的羟基。采用示差扫描量热(DSC)和热膨胀系数测试(DTA)分析得到了玻璃转化温度(Tg)、玻璃析晶温度(T、)、玻璃软化温度(Tf)和热膨胀系数(a),其AT(AT=Tx-Tg)≥155℃,热膨胀系数为8.668-12.279×10-6/℃,本文所制备的Te02-ZnO-Na2O-B203-Ge02(TZNBG)玻璃的析晶峰不明显,热膨胀系数较低且软化温度较高,具有较高的热学稳定性。应用Judd-Ofelt理论分析计算了玻璃的振子强度Ωλ(λ=2,4,6),跃迁儿率A,荧光分支比β,辐射寿命Ti,计算并与其他玻璃体系比较了Q4/Ω6,本文制备的碲酸盐玻璃具有较小的Q4/Q6,为0.744-0.872。根据McCumber理论计算了受激发射截面σemis和荧光半高宽FWHM,其σemis×FWHM在400~500×10-21cm2·nm之间,σemis×Ti的值达到了80×10-21cm2·ms,与其他地酸盐玻璃体系相比较高。基于所得到的数据可以得出TZNBG体系的玻璃具有低热膨胀高热稳定性,较高的Er3+4l3/2→4I15/2能级跃迁效率和较好的增益带宽性能,是优良的掺铒光纤放大器用基质材料。另外,本文在掺铒TZNBG玻璃体系中掺杂稀士离子Dy。利用Judd-Ofelt理论和McCumber理论分析Er3+/Dy3+共掺TZNBG玻璃的吸收光谱和发射光谱。通过分析所得数据可以得出,在掺杂的Er3+含量为1wt%BG碲酸盐玻璃中,Dy3+的加入使得其Q4/Q6的值随Dy3+的引入量的增加而增大,辐射寿命缩短;掺杂Dy3+的百分含量为0.5wt%时,对Er3+的光学性能具有较好的提高作用,当Dy3+的加入量继续增加时,其发光性能反而随Dy3+加入量的增加而减弱。
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