掺铥碲酸盐玻璃析晶性能及光谱性能的研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ayczswh
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碲酸盐玻璃已经被证明是适合Tm3+、Ho3+离子掺杂的良好基体材料。掺Tm3+离子碲酸盐玻璃不仅在1.47μm的光纤放大器应用中具有优势,而且在2μm激光器的应用中有很大的潜力。通过调整玻璃组分改善掺杂离子的发光特性,获得良好的稀土掺杂基质材料成为碲酸盐玻璃研究的重点内容。但是碲酸盐玻璃结构不对称,稳定性较差,特别是其抗析晶性能不大理想,阻碍了其应用。虽然碲酸盐玻璃抗析晶性能的研究取得了一些进展,但是没有就组分对碲酸盐玻璃抗析晶性能的影响进行系统的研究。另外由于分析方法的局限性,不能准确地衡量碲酸盐玻璃光纤拉制时的抗析晶性能。实际制备的一些碲酸盐玻璃,根据热力学特征温度判断能得到较好的抗析晶性能,但在光纤拉制过程中依然会出现析晶现象,无法完成从玻璃到光纤的制备。因此进一步研究碲酸盐玻璃抗析晶性需要结合光纤拉制的实际情况,考虑玻璃析晶动力学因素以及玻璃粘度与温度关系,才能获得良好的碲酸盐玻璃光纤,真正推动碲酸盐玻璃实用化的进程。 本论文研究工作主要有以下三个方面:碲酸盐玻璃析晶性能的研究、碲酸盐玻璃粘度的研究以及碲酸盐玻璃光谱性质研究。 系统分析了各组分对碲酸盐玻璃的抗析晶性能的影响。研究结果表明,析晶动力反应速率方程k(T)曲线揭示了碲酸盐玻璃不同温度下析晶性能,k(T)大小随温度增加而变化的快慢,反映了碲酸盐玻璃的析晶能力。与△T判据相比,析晶动力学判据在表征碲酸盐玻璃的抗析晶性能上更具有准确性。网络修饰体离子在玻璃结构中通常起断网的作用,与其电荷数以及离子半径有关,即场强大小有关。网络修饰体离子的半径越大,场强越小则对玻璃网络结构的破坏能力越小,对应k(T)值也越小,碲酸盐玻璃的抗析晶性能越好。 玻璃进行光纤拉制时,粘度对玻璃析晶的影响逐渐增强。在碲酸盐玻璃抗析晶稳定性基础上,系统研究了不同组分碲酸盐玻璃的粘度。玻璃粘度受到组分离子的极化、键强、结构对称性以及配位数等的影响。玻璃进行光纤拉制时粘度范围在105Pa.s附近。由于此粘度范围与玻璃析晶范围发生重合,使得现有粘度测试方法无法对该区域的粘度准确测量。因此无法直观得到从玻璃转变温度到析晶温度区域粘度变化,从而无法直接判断玻璃光纤拉制性能随粘度变化的情况。根据析晶温度范围内,粘度活化能近似等于析晶活化能以及根据实测粘度得到的粘度活化能,就可以总结出这一变化温度区域的粘度变化。因此我们提出了一个新的判据△E(△E=Eη-E)来判断玻璃粘度变化时的抗析晶稳定性。结果表明这一范围内粘度活化能与析晶活化能差值△E大,玻璃析晶所需克服的阻力越大,即随温度升高玻璃粘度变化慢,玻璃不易析晶。通过拟合得到不同组分碲酸盐玻璃的粘度曲线,得到粘度下k(T)曲线,对应的析晶速率曲线变化快慢反映了玻璃随粘度变化时析晶性能。尤其是粘度105Pa-s附近速率曲线的变化快慢揭示了碲酸盐玻璃在拉丝时的抗析晶性能,k(T)曲线变化越慢,碲酸盐玻璃的拉丝性能越好。根据粘度曲线求出了碲酸盐玻璃的拉丝温度Td(对应粘度105Pa·s), Tx-Td乃给出了玻璃的拉丝操作范围大小,Tx-Td越大,拉丝温度范围越宽,越有利于光纤拉制;并计算了Td温度下析晶动力反应速率k(Td),K(Td)越小则碲酸盐玻璃在光纤拉制时的抗析晶性能越好。基于碲酸盐玻璃的抗析晶性能分析,对掺铥碲酸盐玻璃组分进行了优化并对其光谱性质做了研究和分析:(1)讨论玻璃组分与玻璃光谱性质参数之间的关系:网络修饰体对玻璃的光谱性质影响与阳离子场强存在一定关系;(2)研究了不同浓度铥掺杂时玻璃的光谱性质,利用速率方程及交叉弛豫方程分析了交叉弛豫机理及其对掺铥碲酸盐玻璃1.8~2.0μm发光的影响,结果表明铥离子交叉弛豫现象随浓度增大而增强,且交叉弛豫现象能有效提高Tm3+的1.8μm发光。(3)研究了Tm3+/Ho3+共掺下碲酸盐玻璃2.0μm发光的性能,综合分析交叉弛豫现象以及离子间能量转移对提高发光强度的影响。当Tm3+离子向Ho3+离子进行能量转移时,可以把这两种离子看作一种耦合系统。此时Tm3+/Ho3+共掺时的激发并非平衡状态,离子间的能量传递是依靠“近场作用”下的共振传递。铥离子浓度变化时,影响2.0μm发光的主要是交叉弛豫;钬离子浓度变化时,近场能量转移起主要作用。 不论是碲酸盐玻璃材料还是其它多组分特种玻璃材料,作为性能优良的稀土掺杂基质材料,则应具备较好的玻璃稳定性、较强的抗析晶性能、良好的光纤拉制性能以及良好的光谱性质。
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