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本论文的主要目的是研究适用于～2μm激光输出的玻璃和光纤,以及通信窗口宽带光放大的光纤基质材料。通过对碲酸盐玻璃成分的探索,研究出一种高玻璃化转变温度,低热膨胀系数的新型碲钨酸盐玻璃,并以此为基础制备了双包层玻璃光纤。在Tm3+单掺碲钨酸盐玻璃光纤巾实现了瓦级～2μm激光输出。
论文第一章首先综述了 稀土掺杂固体激光的发展与应用,概括了碲酸盐玻璃的研究进展以及光纤激光用碲酸盐玻璃的特点,然后提出了本论文的研究内容和研究思路。
论文第二章主要介绍了实验方法、样品制备、性质测试、光谱理论计算等。
论文第三章研究了不同WO3含量对TeO2-WO3-La2O3(TWL)玻璃热学性能和光谱性质的影响。发王见WO3的增加可以提高TWL玻璃的热稳定性,降低玻璃的热膨胀系数。WO3含量为30 m01%时,玻璃转变温度Tg为457℃,DTA曲线上无析晶开始温度Tx,玻璃的热稳定性最好,且热膨胀系数也最小,为122.4×10-7/℃。研究结果表明,相比于TeO2-ZnO基玻璃,60TeO2-30WO3-10La2O3玻璃具有优良的热学性能和光谱性质,是一种实现～2.0μm激光输出的理想玻璃基质材料。在确定了Tm3+掺杂量之后,系统研究了不同浓度Yb3+离子共掺对其红外发光和上转换发光的影响,发现Yb2O3含量为2 m01%时,1.8μm处发光最强。研究发现Yb3+到Tm3+离子的能量传递效率达89%。Yb3+到Tm3+的能量传递系数为3.67×10-40cm6/s。通过计算,发现Tm3+离子在TWL玻璃中1835 nm处的最大增益系数为3.6 cm-1。
论文第四章以新型TeO2-WO3-La2O3(TWL)玻璃为基础,根据光纤相关参数,设计出光纤芯层、内包层、外包层玻璃配方,研究了大块玻璃熔制工艺,制备出光学均匀性优良的碲钨酸盐玻璃。通过研究预制棒加工及光纤拉制等多项关键技术,成功拉制出碲钨酸盐玻璃双包层光纤,其直径～220μm,芯径～20μm,芯层数值孔径为0.14,内包层直径～62μm,内包层数值孔径为0.29。在1310 nm处的传输损耗＜2.9 dB/m。研究发现,与块体玻璃中2微米发光相比,2微米波段的光纤光谱向长波方向移动。另外,光纤光谱的荧光半高宽FWHM比块体玻璃中小,随着泵浦功率的增加,FWHM显著减小,从～220 nm降至～160 nm。当泵浦功率达到500 mW时,～1900 nm处的发光显著增强并变窄,表明在Tm3+掺杂碲钨酸盐玻璃双包层光纤中,1900 nm处最易发生粒了数反转。激光实验中采用芯径为18μm,长度40 cm的Tm3+掺杂碲钨酸盐玻璃双包层光纤,测得激光阈值为1.46 W,在泵浦功率6.95 W时输出功率达到1.12 W,斜率效率为～20%,对应的光～光效率大于16%。通过研究Tm3+-Ho3+离子的能量传递过程和2微米荧光光谱,分析得出Tm3+-Ho3+共掺TWL玻璃的最佳浓度为1 mol% Tm2O3,0.5 mol%Ho2O3。以此为基础制备了Tm3+-Ho3+共掺TWL玻璃光纤。与在块体玻璃中相比,光纤叶Tm3+离予1.9μm处发光强度大为减弱,由此可见在光纤巾Tm3+向Ho3+进行的能量转移效率更高。随着光纤长度的增加,Tm3+离子3H4→3F4跃迁的1.46μm发光逐渐增强,说明由于Ho3+离子的上转换发光,Ho3+向Tm3+的反向能量转移随光纤长度增加而增大。
论文第五章首先以新型Bi2O3-GeO2-Na2O(BGN)玻璃为基础,通过调整Er3+和Tm3+离予的掺杂浓度,获得了1300-1650 nm范围内很宽的发光峰,荧光半高宽达～160 nm。通过研究温度对宽带发光的影响,详细阐述了Er-Tm离子之间的能量传递过程。研究发现,在BGN玻璃中,Er3+-Tm3+能量传递效率达77%。通过研究Er3+单掺和Er3+/Tm3+共掺BGN玻璃的上转换发光,发现在Er3+/Tm3+共掺玻璃样品中,随着Tm3+离子浓度增加,绿光发光强度显著减弱,红光强度略有增强。上转换发光强度随掺杂浓度的变化,进一步证明BGN玻璃中Tm3+和Er3+离子之间存在有效的能量传递。通过研究Tm3+-Ho3+离子间的能量传递过程,在合理的掺杂浓度下(Tm2O31.0 mol%,Ho2O30.2 mol%),在TWL玻璃巾实现了1600-2200 nm范围内的宽带发光,荧光半高宽达370 nm。研究发现,TWLTm2Ho玻璃中前向能量传递系数CTm-Ho约为后向能量传递系数C Ho-Tm的22倍,表明Tm(3F4)向Ho(5I7)进行了有效的能量传递。由CTm-Tm≈2.47CTm-Ho可以推断,Tm(3F4)→Ho(5I7)之间的能量传递与Tm3+离子3F4能级的激发迁移之间存在竞争,这也促使3F4→3H6(1.8μm)和5I7→5I8(2.0μm)荧光强度易于达到平衡,从而实现1600-2200 nm的宽带发光。