Er3+掺杂TeO2- WO3 ZnO玻璃的发光性质.docx

Er3+掺杂TeO2- WO3 -ZnO玻璃的发光性质碲酸盐玻璃最近作为宽带掺铒纤维放大器(EDFA)和掺铒波导放大器(EDWA)的主体 材料收到热捧许多研究者都将注意力集中到Er3+掺杂TeO2-ZnO-Na2O玻璃上在Er3+掺 杂碲酸盐玻璃纤维，显示了从76nm到1.5p m的平坦增益谱带碲酸盐玻璃具有高折射率 和良好的化学稳定性的优点与硅酸盐玻璃相比Er3+掺杂碲酸盐玻璃具有如下优势：在1.5 M m谱带处具有更宽的发射面，更大的受激发射横截面和高的Er3+溶解度然后，碲酸盐玻 璃作为Er3+掺杂的主体也有不利因素首先，玻璃的声子能量低于770cm-1 o因此，4I11/ 2^ 4I13/ 2的非辐射衰减太慢而不能在980nm处有效地泵浦第二，碲酸盐玻璃的转换温度0低13/ 2g 于290°C，这使其不能在高强泵浦下补偿热伤害与碲酸盐玻璃相比，碲钨玻璃具有更高的声子能量，高达930cm-1，这使980nm的泵浦 成为可能此外，碲钨玻璃具有更高的转换温度和更好的热稳定性碲钨玻璃中Er3+1.5p m 发射频宽也比较宽至今，Er3+掺杂碲钨玻璃的研究做的不多，并且都主要集中在TeO2- WO3 -La2O3/R2O (R=K, Na, Li)玻璃上。

本次工作的目的是研究一种新型玻璃，Er3+掺杂TeO2- WO3 -ZnO的发射性能结果显示， TWZ玻璃是一种有前景的宽带光放大器的主体材料1、实验步骤制备质量组成为(55+ x) TeO2-20 WO3(25-x) ZnO-O.6Er2O3 和(55+y) TeO2-25WO3- (20-y) ZnO-O.6Er2O3的玻璃在更进一步的研究中，不同量的Er2O3呗引入到玻璃中实验中将用 到氧化物分析试剂，Er2O3为光谱纯精确称量80g的批料充分混合后放入加盖的黄金坩埚 中将玻璃加热到700〜950C，使其在干燥氧化气氛下沸腾熔融60min然后将熔融液浇到 预热铝盘中， 并在玻璃转变温度附近退火 90mino 做光学检测的样品需要处理成 15mm*15mm*3mm 的规格将蒸馏水作为媒介应用阿基米德原理可测得玻璃密度掺杂的Er3+的浓度依据测量的玻璃 密度和样品的理论组成估算出来样品的特征温度使用示差热分析测量，要求加热速率为 10C/mino吸收光谱使用JascoV 570UV/VIR/ NIR分光计测量970 nmLD激发下的发射光 谱使用Jobin YvonTriax 550荧光光度计测量。

脉冲频率为20Hz的970 nmLD激发下的荧光 寿命使用示波器测量以上所有测量均在室温下进行2、结果和讨论2．1、玻璃稳定性表1列出了所有TWZ玻璃样品的组成，玻璃转变温度0g和结晶开始温度0x，还有它俩 之差△&, A0=0 -0 o DTA曲线如图1所示xg可以看出 TWZ 玻璃具有良好的玻璃稳定性在热处理过程中，一些样品只有一个微弱的 结晶峰，而另一些样品则没有结晶峰所有样品的0都在350C到376C之间当玻璃中WO3的含量不变时，TeO2越多，玻璃 g 3 2的转变温度越低而当玻璃中TeO2含量不变时，WO3越多，玻璃的转变温度越高A0通 常用于对玻璃稳定性的表征在样品纤维拔丝过程中有一系列的工作温度，当大于100C 时可以得到满意的结果，而且A0越大，效果越好TWZ玻璃的A0都大于150C，对一些 样品来讲甚至没有结晶温度所以说，TWZ玻璃具有良好的玻璃稳定性，这对纤维拔丝十 分有利2.2、吸收和发射截面Er3+的4I15/ 2_4I13/ 2转变的吸收截面a由吸收光谱决定，其中a=2・303log (I0/I)加E「3+l 其中log (I0/I)是吸收度或光学密度，n Er3+是掺杂的Er3+离子的密度，1是样品的厚度。

依据McCumber的理论，Er3+的4I 厂4I13/ 2转变的吸收截面O和受激发射横截面O有 15/ 2 13/ 2 a e如下关系：O (u) = O (u) exp[ ( £- hu)/ ( kT)]，其中u是光子频率，£是温度T下激发一个eaEr3+离子从4I⑸2到4I13/ 2能级的净自由能,h是普朗克常数,k是波尔兹曼常数基于Miniscalco 制作的简易程序，McCumber 方法可被改进为：O e (u) = 1.1O a (u) exp[ ( E0- hcX-1) / ( kT)]， 其中E0是零线能量，被定义为最低能级中高低状态间的分隔温度表2给出了不同成分的TWZ玻璃样品中的Er3+的吸收和发射横截面积n Er3+是掺杂的 Er3+离子的密度，入是吸收光谱的峰值波长，对所有样品都是1523nmO和O分别是峰p a e值数值图2显示估算的TWZ玻璃样品1中Er3+的4I⑶2—4I⑸2的吸收截面和发射截面可以看出基质玻璃对Er3+的吸收和发射截面的影响很小所有的样品的吸收截面和发射截 面都较大O和O分别为0.74-0.77pm2和0.86-0.90 pm2这显然是很大的数值。

离子的受激ae发射横截面O与玻璃的折射率有关O oc(n2+2) 2/n,由于钨碲玻璃的折射率很大，n^ ee2.1，所以玻璃中Er3+的受激发横截面积很大2.3、 发射带宽和荧光寿命发射半高宽(FWHM)通常用于表征发射带宽图3给出的是两种含TeO2的TWZ玻璃中 的Er3+的4I13/ 2—4115/ 2的FWHM，这两种玻璃中WO3的摩尔含量分别为20%和25%从图3可以看出，所有样品的FWHM都很大它们的数值从64nm增加到72nm当WO3 的摩尔含量为20%和25%不变时，FWHM的数值随TeO2含量的增加而变大所以，保持相 当高含量的TeO2对获得更大的TWZ玻璃的1.5p mEr3+的发射带宽有重要意义从图中还 可以看出WO3的摩尔含量为20%的样品比25%的样品的FWHM更大当TeO2 WO3和ZnO3 2、 3的摩尔含量分别为75%, 20%和5%时，样品1的FWHM的数值达到最大值72nm如图4所示,TWZ玻璃样品中的Er3+的4I 2能级的荧光寿命t很短,所有样品都在4.1ms 13/ 2 m到4.4ms之间含20% WO3的样品的荧光寿命t比含25%的稍长 3m光放大器的增益带宽可以使用FWHM和O的乘积来进行估算。

乘积越大，性能越好e放大器的增益通常定义为O和t的乘积表3为TWZ基质玻璃中的Er3+的4I13/ 2^4I15/2 e m 13/ 2 15/ 2的转变的发射特性和碲玻璃，ZBLAN玻璃和Al/Si玻璃的比较可以看出计算出的TWZ基 质玻璃的 FWHM*O e 的数值大于其他基质玻璃从放大器增益来看， TWZ 玻璃的增益比 eNTT碲玻璃大，但又远小于ZBLAN玻璃和Al/Si玻璃，因为其的荧光寿命太短2.4、 Er3+掺杂量对1.5p m发射性能的影响为了研究TWZ玻璃中Er3+掺杂量对1.5p m发射性能的影响，需要制备不同含量Er3+的 TWZ1样品这些TWZ1基质玻璃呗选用于样品中Er3+的最大的FWHM图5显示的是Er3+ 的4113/2一4115/2的发射光谱从样品E1到样品E4，Er3+的密度分别是1.66*102o/cm3、 50*1020/cm3、3.34*1020/cm3 和 4.11*1020/cm3可以看出，随着Er3+的掺杂量的增加，样品的最大发射强度I随之增加当n Er3+从 1.66*1020/cm3 增加到 3.34*1020/cm3 时，I 明显变大。

当 n Er3+从 3.34*102o/cm3 增加到 4.11*1020/cm3时，I只增加了一点这可能主要是由于初期的泵浦光的吸收的增加但当Er3+ 的含量多到达到泵浦光的吸收饱和度时，发射强度将不再变大另一方面，随着Er3+含量的 增加，Er3+离子的距离变近使Er3+离子的相互作用变强，这将增强Er3+在牡⑶2能级的荧光猝 灭的强度因此，当n Er3+从3.34*1020/cm3增加到4.11*102°/cm3时，I只增加了一点图6显示了样品中Er3+从4I13/ 2-4I15/ 2的标准发射光谱可以看出，随着Er3+含量的增加， 1570nm附近的相对发射强度逐步增加表4列出了这些样品的FWHM和t如表所示，m当 Er3+含量从 1.66*1020/cm3 增加到 3.34*1020/cm3 时，FWHM 从 65nm 增加到 80nm,而当 Er3+从3.34*1020/cm3增加到4.11*1020/cm3时，FWHM则几乎不变对这个可能的解释是玻 璃中Er3+越多，不同的Er3+掺杂位点越多因此，发射光谱会不均匀增宽因为FWHM当Er3+ 从 3.34*1020/cm3 增加到 4.11*1020/cm3 时几乎不变，因此可以推断当 Er3+ 含量达到3.34*1020/cm3时，Er3+可以存在与任意的掺杂位点。

样品的Er3+从纽⑶2—4I⑸2转变的荧光寿 命从4.4-3.6ms，随着Er3+含量的增加而缓慢变小寿命的缓慢变短指出了开始时有一个缓 慢的浓度猝灭TeO2- WO3 -ZnO玻璃中Er3+含量高和缓慢的浓度猝灭证实了 Er3+在玻璃中 均匀分布而不是聚集成团因此，可以在器件中高度掺杂，这可以减小器件长度3、结论实验中制备了掺杂不同含量Er3+的不同基质玻璃成分的TeO2- WO3 -ZnO (TWZ)玻璃 玻璃的转变温度为350-376°C, TWZ玻璃的都超过了 150 °C因为目前许多样品都没有 结晶温度，所以 TWZ 玻璃是非常好的稳定的玻璃，这有利于纤维拉丝 TWZ 玻璃中 Er3+ 有很大的吸收和发射截面积O和O的峰值分别为0.74-0.77pm2和0.86-0.90 pm2玻璃成 ae分对基质玻璃中Er3+离子的吸收和发射截面积的影响很小实验中基质玻璃的最佳成分是 75TeO-20WO -5ZnO0 TWZ玻璃的FWHM和O的乘积比已报道的其他玻璃都大，这显示 2 3 e了良好的增益带宽性能同时，短的荧光寿命使TWZ玻璃的增益比ZBLAN玻璃和Al/Si 玻璃要小随着Er3+掺杂量的增加，荧光强度增强，同时1.5p m处的FWHM也增加。

当 Er3+含量为3.34*1020/cm3时，FWHM最大为80nmEr3+在TWZ基质玻璃中溶解度良好，浓 度猝灭影响很小。