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新型SiO_2-Bi_2O_3-Sb_2O_3-Er_2O_3玻璃的光谱性质研究


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新型  S i O 2 - B i 2 0 3   S b 2 0 3 - E r 2 0 3   玻璃的光谱性质研究 
侯 文 远 

( 哈 尔滨师范大学 物理与电子 工程 学院, 黑龙 江 哈 尔滨 1 5 0 0 2 5 )  

摘 要: 本文采用高温熔融法制备了S i 0 2 - B i 2 0 , 一 S b 2 0   一 E r 2 0   玻璃。测量和研究了样品的吸收光谱和发射光谱。结果表明, n   的值和  1 . 5  m 附近 的发射 带宽均 随着 E r 3 + 浓度的升 高而增大。   ’   ’  
关键词 : E r 3 + 掺杂 ; 吸收光谱 ; 发射光谱  ’   。  
f  
, 

L   I  

1 实验 

根据M c C u m b e r 理论 旧 , E r  ̄ : 4 I 。  ÷ 4 I t y 2 跃迁的 受激发 射截面的 计 算 

实验 中锑铋硅 酸盐 玻璃 样品 ( S b s 系列 )组分 为 ( 7 0 一 x ) S i 0 r  可 通过 下列公 式 得出 :   。。   。 f r   、   1   2 0 B i 2 0 3 — 1 0 S b 2 0 3 一 x E r 2 0 3 ( x = 1 , 2 , 3 , 4 , 5 ) , 按照 x = l , 2 , 3 , 4 , 5的 比例 ,   ( A ) = a . ( A ) e x p [ I   E 一  l , 灯 I   ( 1 )   将样 品依 次命 名为 S b s l , S b s 2 , S b s 3 , S b s 4 , S b s 5 。使用原料 的纯度为  L 、   九 ,   J   ’   l-   下表 1 , 使原 料的总质 量为 5 g , 充分 混合后 , 进行 研磨 , 研磨 时间不  其中 c r B (   ) 表示 E r 3 + . 4 I 。  + 4 I 。 驼 的吸收截面 ; E为在 T 温度下 , 使 一  少于 l h , 将研磨 好的原料放人 刚玉坩锅 中 , 在1 4 0 0  ̄ C 硅钼棒 电炉中  个 E  离子从基态 4 I   北激发到 4 I 。  能级所需要的净 自由能 . h 表示普朗  熔制 1 h后 , 取 出坩 锅 , 并将熔 融状态下 的玻璃倒入 已预热 至 3 0 0   克常量; k 表示波尔兹曼常量。   4 0 0 ℃的铜板 上成 型 , 待完 全冷 却 , 放人 4 0 0  ̄ C 的炉 中 , 进行 退火 处  通过实验可知 ,随着 E r 3 + 离子浓度增加 , S b s 玻璃的吸收截 面和  理, 持续 3 h , 自然冷却 至室 温 , 最 后将烧制 出 的样 品进行抛 光打磨  F WH M均增大 , 且在 E  葛 子浓度为 1 0 % 的S b s 5 玻璃 中, F W H M的值  处理 , 用 于数 据测试 。   达到 9 1 n m, 是 目前较为突出的光放大器材料。   一   采用 V 型棱 镜 法 测 量 样 品 的 折 射 率 ,样 品 的密 度 则 使 用  3 结论  A r c h i me d e s 法 测量 , 用 电子 天平称其质 量后 , 将样 品浸没在 蒸馏水  本文采用高温熔融法制备了 锑铋硅酸盐系列玻璃 。 通过测量样品  中 ,表 2列 出 了玻璃 的密度 ,折射率 和 E r 3   离子浓 度。使用 J A S 2   的吸收光谱和发射光谱 ,系统分析了样品的光谱随着铒离子浓度的变  C O V 2 5 7 0型光谱 仪测得范 围在 4 0 0 — 1 7 0 0 n m的吸收光谱 , 用波长为  化 隋况 。结果表明, 随着 E P浓度的增加 , Q  的值单调增加 ; 并且随着  9 8 0 n m 的半导体激光器作为激光光源测得发射光谱。 测量过程 中避  E — 努子浓度的增 加 , S b s 玻璃的 F WH M增大 ,且在 E   寿子浓度为  免嗓声 , 且温度为室温 。   1 % 时, 0 F WHM的值最大 , 达到 9 1 n m 。   2 结果与讨论  参考文献  2 . 1   E r  参 杂锑铋硅酸盐 的吸收光谱分析 。E r 3 + 离子在 S b s 系列  【 1 ] F u j i w a r a  S , S u z u k i  T , S u g i m o t o  N, e t   a 1 . T H z  o p i t c a l  s w i t c h i n g  i n   玻璃 中的吸收光谱 , 其测量范围为 4 0 0 ~ 1 7 0 0 n m。 在S b s 系列玻璃样  g l a s s e s  c o n t a i n i n g   b i s m u t h  o x i d e口 ] J  N o n - c r y s t  S o l i d s , 1 9 9 9 , 2 5 9 " .   品 中, E r 3 + 离子从紫外 区到近红外区都有 较强的吸收 ,且 随着 E r 3   离  】1 6 -1 2 0 .   子浓度 的增加 , 其吸 收性 能逐 渐增加 , 在S b s   中, 在9 8 0 n m附近 的  [ 2 ] S u g i mo t o  N . U h r a f a s t  o p i t c a l  s w i t c h e s  a n d  w a v e l e n g t h  d i v i s i o n   吸 收截 面更 大 , 有更 宽 的 吸收范 围( 9 4 6 ~ 1 0 2 6 n m) 同时, 在 红外 区  mu l i t p l e x i n g ( WD M) a m p l i i f e r s   b a s e d   o n   B i s m u h t   o x i d e ̄ l a s s e s [ J - J J   A m  域, 吸收范 围甚 至达到 2 0 0 n m, 具体吸收范围( 1 4 8 2 — 1 6 8 2 n m)   C e r a m  S o c , 2 0 0 2 , 8 5 : 1 0 8 3 — 1 0 8 8 .   J  ̄ O理论[ 1 1 , 1   用 于分析 稀土离子 在不 同基 质 中的光谱 性质 , 其  [ 3  r a m b i l l a   G , K o i z u m i   F , F i n a z z i   V , e t   a 1 . S u p e r c o n t i n u u m   g e n e r a i t o n   i n   中,   与玻璃结构 、 配位场对称性和有序性有关 , n2 的值越大 , 则玻  t a p e r e d   b i s m u t h   s i l i c a t e   i f b r e s [ J ] . E l e c t r o   L e t t , 2 0 0 5 , 4 1 : 7 9 5 — 7 9 7 .   璃共价 性便 越强 , n2 的值越小 , 玻璃 的离子性则越 强 ; Q4 、   则与介  [ 4 ] L e e  J  H, K i k u c h i  K, N a g a s h i ma  T , e t  a L A U — i f b e r  8 0  G b i t  s 一 1  

质的刚性密切相关,   的值越小, 玻璃的刚性越强。 利用 J u d d — O f e l t  wa v e l e n g t h  c o n v e r t e r   u s i n g  l m l o n g  b i s mu h o t id x e - b a s e d  n o n l i n e a r   理论 计算得 出 S b s 系列玻 璃 中 E r 3   强度参 数 Q (  _ 4 . 6 】 值, 详见下表 ,  o p t i c l a   i f b e r   w i h t   a   n o n l i n e a i r t y   o f   1   1 0 0   W一 1 k m 一 1 [ J ] . O p t   E x p r e s s ,  
从下表 可以看 出 , 随着 E —翦子浓度 的增加 ,   的值不断增大 , E r - O  2 0 0 5. 1 3 : 3 1 4 4— 3l 4 9 .   :   键 的共 价性不断增强 ; n 6 的值在 S b s 2 中最小 , 说明 S b s 2 玻 璃的刚  [ 5 ] S u g i m o t o   N , N a g a s h i m a   T , Ha s e g a w a   T , e t   a 1 . B i s m u t h - b a s e d   o p i t c a l  
性最强 。  
i f b e r   w i h t   n o n l i n e a r   c o e ic f i e n t   o f   1  3 6 0 W— l k m — l[ C ] . O p t i c l a   F i b e r  

S b s系列玻璃中 E r 3 + 的强度参数 Ql l   2   1 日  

C o mmu n i c a i t o n   C o n f e r e n c e& E x p o s i t i o n . 2 0 0 4 .  

[ 6 ] S t o n e  C   E , Wr i g h t   A  C , S i n c l a i r   R  N . S t r u c t u r e   o P o i s m u t l l  b o r a t e   g l a s s e s [ J ] . P h y s   C h e m   G l a s s e s , 2 0 0 0 , 4 1 ( 6 ) : 4 0 9 - 4 1 2 .   [ 7 ] L i n   T   X, Y ng a   Q, S i   J   H, e t   a 1 . U l t r a f a s t   n o n l i n e a r   o p t i c l a   p r o p e r t i e s   o f   B i 2 0 3 一 B 2 0 3 一 S i O 2   o x i d e   g as l   J 】 . O p t   C o m mu n , 2 0 0 7 , 2 7 5 : 2 3 0 — 2 3 3 .  

[ 8 ] 吴昭君, 孙江亭, 张家骅 , 等. 新型掺钾碲 酸盐玻璃光谱性质和热稳定 
性 研 究  光 电子 ? 激光 , 2 0 0 8 , 1 9 ( 8 ) : 1 0 6 8 — 1 0 7 0 .  
[ 9 ] G o m e s   A   S   L , F a l c   o   F i l h o   E   L , d e   A r a d   i o   C i d   B , e t   a 】 . 1   i r d — o r d e r  
n o n l i n e r  o a p t i c l p a r o p e r t i e s  o f   b i s mu h— t b o r a t e   a s s e s  me a s u r e d  b y  

c o n v e n t i o n l a   nd a   he t r m a l l y   ma n a g e d   e c l i p s e   Z   s c a n口 l J   A p p l   P h y s ,  

z 2发射光谱和受激发射截面。 S b s 系列玻璃中 E r 3  ̄ : 4 I  + 4 I   船 跃迁 2o 0 7 . 1 0 1 : 0 3 3 1   1 5 1 — 0 3 3 1   1 5 1 7 .   的发射光谱( 光谱面积已进行归一处理 ) 发射的中心波长均在 1 . 5 5 1  ̄ m  『 1 0 ] M a r c h e s e   D, D e   S a r i o   M, J h a   A, e t   a 1 . G e S 2 一 G a 2 S 3 一 C s I   c h a l c o h l a i d e   附近。光放大器的增益宽带特性可用发射光谱的半高全宽( F wH M ) 和  a s s e s   f o r   a l l — o p i t c l a   s w i t c h i n g   d e v i c e s [ C ] . C o fe n r e n c e   o n   I i i f r a r e d   G l a s s   受激发射截面的大小来表征。F WH M越宽, 受激发射截面越大, 光放大 Op i t c l  a F i b e s  r nd a   T h e i r   Ap p l i c a t i o n s 。 1 9 9 8 : 1 7 7 — 1 8 5 .叠  器对光信号的放大 陛 能越好。随着 E p 离子的增加 , 玻璃的发射半高全 [ 1   l l hd d   B   R . O p t i c l a   a b s o r p t i o n   i n t e n s i t i e s   o f   r re a - e a l  ̄ i o n s [ J ] J 2 h y s .   宽( F wH M) 由6 4 n m增加到 9 1 n m。   R e v . , 1 9 6 2 , 1 2 7 ( 3 ) : 7 5 0 — 7 6 1 .   t :   根据测得的吸收光谱和  (   ) =  
工 J  

1 2 ] O f e h   S . I n t e n s i t i e s   o f   c r y s t a l   s p e c t r a   o f   r re a - e a r t h] b n s 口 l J . C h e m .   可计算出样品 E P :  ̄ I 。  + 4 I 。 弛  【

P h y s . , 1 9 6 2 , 3 7 ( 3 ) . - 5 1   1 - 5 2 0 .   【 1 3 ] M c C u mb e r   D  E . T h e o y  r o f   p h o n o n - t e r mi n a t e d   o p t i c l a  m se a s【 r I l  

的吸收截面。  

其中 N为样品中 E  的掺杂浓度 ;为吸收光谱中波长处的相对吸 P h y . s R e v . , 1 9 6 4 , 1 3 4 ( 2 A) : 2 9 9 — 3 0 6 .   收强度 ; L 为样品的厚度。  



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