（光学专业论文）稀土离子掺杂γal2o3材料的溶胶凝胶法制备及光谱性质研究.pdf

河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 稀土离子掺杂y a iz 0 。材料的溶胶凝胶法制备 及光谱性质研究 摘要 随着光通讯发展到第三代全光通讯系统，人们对于全光通讯所用宽带光放大 器，特别是放大器所用的发光材料进行了广泛的研究。本论文利用溶胶凝胶技术 分别制备了用于制作宽带光波导放大器的铒、铒镱、铒镱铈掺杂的t 相氧化铝 材料。测试了掺杂样品熟处理过程中的热重( i b ) 及差燕( d t g ) i 曲线，进行了x r d 测试，发现在9 0 0 ( 2 熟处理条件下样品可以形成较好的y 相，高于1 0 0 0 c 会有氧 化铝的其它晶相形成；稀土离子的掺杂对晶相的影响不大，只是延缓晶相的形成， 提高氧化铝晶相的转变温度。通过荧光光谱测定发现不同浓度铒离子单掺的样品 在3 8 0 r i m 和9 8 0 r i m 光激发下近红外和可见区均有荧光发射；并且在9 8 0 n m 光激发 下，样品在可见区6 5 0 r i m 有强烈的上转换发光，在5 3 5 n m 、6 6 5 n m 、6 0 2 r i m 亦存 在上转换发光现象。实验表明在7 - a h 0 3 基质中单掺铒离子浓度最佳值为i m 0 1 。 铒镱双掺样品的荧光测试发现镱离子的共掺杂大大增强了铒离子1 5 3 4 n m 的 发射强度。双掺体系中e ，+ ，y b 3 + 的浓度比例存在一个最佳比值，此值在e ，： y b 3 + - 1 ：6 ( 摩尔比) 时体系荧光发射增强的效果最明显，约为单掺铒时发光强度 的乒7 倍。c e 3 + 离子的掺入也能够增强体系1 5 3 4 n m 的光致发光强度，同时能够降 低其可见区的上转换发光强度。 通过溶胶凝胶旋转涂覆法制备了用于制作掺铒光波导放大器( e d w a ) 的铒 单掺与铒镱双掺似1 2 0 3 薄膜。测试了薄膜的光致发射光谱。原子力显微镜表面形 貌测试表明，其表面平均起伏度为1 0 - 2 0 r i m ，平整度能够达到光波导制作的要求。 这些结果对于促进宽带光波导放大器的发展具有一定的意义。 关键词：稀土离子，光谱特性，氧化铝，溶胶凝胶法 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 t h e s t u d yi ns p e c t r a lp r o p e r t i e so ft a 1 2 0 3m a t e r i a l s d o p e dw i t hr a r e - - e a r t hi o n sb y s o l - g e lm e t h o r d a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，s p e c i a l l yt h ea l lo p t i c n e t w o r k ，i n d u c i n gt h es t u d y i n t e r e s to fb r o a d b a n do p t i c a l a m p l i f i e r a n dt h e l u m i n e s c e n c em a t e r i a l s i nt h i sp a p e r , t h e ? - a h 0 3m a t e r i a l sd o p e dw i t h 一+ ，口竹b 3 + ， 一机m ，+ ，c c 3 + u s e df o rw a v e g u i d ea m p l i f i e rh a v eb e e nm a d eb ys o l g e lm e t h o d t h e t g d t ga n dx r di n d i c a t et h eb e s tt h e r m a lt r g a t m e n tt e m p e r a t u r ei s9 0 0 c ，t h e s a m p l e sf o r m yp h a s ea tt h i st e m p e r a t u r e ，a n dw o u l db eo t h e rp h a s eo v e r1 0 0 0 c t h e r a r e - e a r t hi o n sd o n tc h a n g et h ep h a s eo fa l z o s ，j u s th e i g h t e nt h ep h a s et r a n s f o r m a t i o n t e m p e r a t u r e t h ep ls p e c t r as h o wt h a ta l lt h es a m p l e sw i t hd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o nh a v e e m i s s i o ni nv i s i b l ea n dn e a r - i n f i a r e da r e a t h e r ea r ea l s os t r o n gu p c o n v e r s a t i o n e m i s s i o ni nv i s i b l ew i t hp e a k sa t6 5 0 n ma n d5 3 5 n m , 6 6 5 n m ，6 0 2 r i m t h es a m p l e sc o d o p e dw i t h 口+ w 0 3 + s h o ws t r o n g l yn g a r - i n f f a r e de m i s s i o na t 1 5 3 4 n m , t h ei n t e n s i t yi n c r e a s e da b o u t6 - 7t i m e sc o m p a r e dw i t hs a m p l e sd o p e dw i t h e ，+ t h e r ei sab e s tr a t i oo f 慨3 + i ti s 口+ ：y b 3 + - - - 1 ；6i nv - a 1 2 t h ed o p i n g o fc d + i o n sn o to n l yi n c r e a s e st h en e a r - i n f r a r e de m i s s i o n , b u ta l s od e c r e a s e st h e u p c o n v e r s a t i o no f t hs a m p l e si nv i s i b l ea l g a w eg e t 酣+ ，y b ”c o d o p e dy a h 0 3f i l m su s e df o re d w am a k i n gb ys o l - g e la n d s p i n - c o a t i n gm e t h o d t e s t e dt h ep ls p e c t r a ，a n dt h ea f mp i c t u r e si n d i c a t et h a tt h e f i l m sh a v er m s r o u g h n e s sa b o u t1 0 - 2 0 n m ，w h i c hc o u l ds a t i s f yt h en e e d so f w a v e g u i d e m a k i n g t h er e s u l t sa r eu s e f u lf u r t h ed e v e l o p m e n to f b r o e d b a n dw a v e g u i d ea m p l i f i e r k e yw o r d s ：r a r e e a r t hi o n s ，s p e c t r ap r o p e r t i e s ，a l u m i n a ，s o l - g e l 关于学位论文独立完成和内容创新的声明 本人向河南大学提出硕士学位中请。本人郑重声明：所呈交的学位论文是 本人在导师的指导下独立完戍妁，对所研究妁课题有新妁见解。据我所知，除 文中特别加以说明、标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已经发表或撰 写过酌研究成果，也不包括其他人为获得任何教育、科研机构酌学位或证书而 使用过酌材料。与我一同工作的同市对本研究所徽的任何贡献均已在论文中作 了明确酌说明并表示了谢意。 学位申请人( 学化论义作者) 签名：垄仨凰噩 2 0 0 7 年5 月l o 口 关丁二学位论文著作杈使刖授权书 本人经河南大学审核批准授了硕上学位。作为学位诒文酌作者，本人完全 了解并同意河崩大学有关保留、使川。学位论文的要求，即河南大学有权向国家 图书馆、科研信，g 饥菊、数据收集机妁和本校图书馆等提供学住论文( 纸质文 本和电于文本) 咀供公众榆系、 蒯。本人授权河南大学出于宣扬、展览学校 学术发展和进行学术交流等月的，叫以采收影e 、档印、扫描和拷贝等复制手 段保存、汇编学位论文( 纸质文本和电子文本) 。 ( 涉及保密内容的学位论文茌解窑后适用本授权书) 学住获得者( 学位论文作者) 签名：圣二凰噩 20d 1 年占月p 日 学位论文指导教师签名： 色拖1 6 i 2 2 0 印年占月( 。 搦南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 第一章引言 光学是一门古老的学科，光与人类的生活息息相关。1 9 6 0 年7 月美国科学家 梅曼第一台红宝石激光器的制作成功，使光学获得了新生。现代光学获得了极快 的发展，各种与激光相关的研究成为光学研究的热点，如激光材料、各种激光系 统以及激光与材料的相互作用、不同领域的激光应用等等。 2 l 世纪人类进入信息时代，对信息的需求呈现爆发式增长，网络服务提供商 正以5 0 3 0 0 的年增长率进行规划【”，传统的信息处理、传输体系已经不能满足 日益增长的信息传输需求，光传输网络和光通信系统被视为最有前途的信息传输 手段，各种光通信器件和材料的研究日益成为人们关注的热点 2 - 7 1 。目前大规模使 用的信息传输系统是工作于光纤通讯第一窗口( 8 5 0 h m ) 和第二窗口( 1 3 0 0 h m ) 的光电混合式系统，与光传输系统相比电子节点( 编码器、放大器、交换器、复 用器等) 缓慢的处理速度和较低的光电转换效率成为系统的瓶颈，使得光电系统 传输容量的提高非常有限，所以发展全光通讯网络系统是解决这一问题的根本途 径嘲。 当前光通讯研究主要集中在用于光纤最低损耗区，即光纤通讯第三窗口 ( 1 5 5 0 n m ) 的各种光有源( 调制器、放大器等) 、无源( 环行器、分插复用器等) 器件的研究。光放大器是实现长距离全光传输的关键器件，在各种光放大器中稀 土e r 3 + 离子掺杂的光放大器( e d a ) 由于其在1 5 3 0 h m 左右具有高增益、大带宽、 高效率、低噪声、无偏振依赖性等特点而引起了人们巨大的研究兴趣【6 争吼。掺铒 光纤放大器( e d f a ) 、掺镨光纤放大器( p d f a ) 具有与通信光纤兼容性好、耦合 损耗小、稳定性好、结构简单、体积小、使用方便的优点，因此有很高的实用价 值，是相干光通信、光弧子通信、量子光通信等实现全光型光纤通信的关键性部 件，已经得到了广泛的研究。 随着全光通信系统的发展，光通信器件的小型化集成化是发展的趋势，集成 光学的研究开展的日益广泛。但是由于掺稀土光纤放大器的结构使得它不可能被 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 集成，人们开始考虑研制平面掺铒光波导放大器( e d w a ) ，即在微米量级厚度的 光波导薄膜上掺入激活离子e ，+ ，再在其上刻蚀出脊状波导沟道，信号光耦合进入 环形波导在传输的过程中与其中的e r 3 + 离子发生作用，由于受激辐射的光子的频 率、位相、方向、偏振状态同入射光子完全相同，就实现了入射光信号的放大【1 0 1 。 由于基质材料对掺稀土离子放大器的性能有重大影响，如光纤基质材料特性 影响e d f a 的增益系数、带宽、掺杂浓度、泵浦功率的转换效率等参量，因此探 索基质对铒离子各能级发光的影响及铒离子在不同基质中的发光特性，对于研制 高增益、低噪声的掺e r 3 + 离子光放大器有着重大的意义。与e d f a 相比e d w a 由 于必须在足够短的距离上获得必需的增益，所以必须具有较高的e 一掺杂浓度 0 7 , t 8 1 。传统的硅基材料在高浓度掺杂时由于稀土离子的团簇效应，会出现荧光浓 度猝灭现象。目前已找到许多铒离子掺杂的基体材料，如s i 、s i 0 2 、磷硅玻璃、 钠钙硅玻璃、l i n b 0 3 、y 2 0 3 、a 1 2 0 3 等，而其中尤以作为e d w a 基体材料的a h 0 3 更加引起人们的兴趣。选择a h 0 3 作为光波导制作的基体材料具有如下优点：( 1 ) 芯层与缓冲层、覆盖层( s i 0 2 ) 之间的折射率反差较大，导致波导膜的高约束低损 耗，从而实现有效的泵浦和放大；( 2 ) 高折射率反差可允许小的波导弯曲半径，使得制 作微小的波导元件成为可能；( 3 ) m 2 0 3 和e r 2 0 3 的原子价相同，晶体结构相似，可 将e r 3 + 高浓度掺杂入a h 0 3 晶体结构中，从而在较短的尺寸内得到较高的增益【1 9 1 。 光通讯中所用的光源一般要求小型化、结构紧凑，而现代光存储技术的发展 又需要短波长全固态激光器的支持，上转换光波导激光器由于具有这些优点，因 此成为目前科研工作者的研究热点，由于稀土离子在玻璃及晶体材料中通常具有 很低的上转换发光猝灭浓度，小的吸收截面以及无辐射跃迁的影响，再加上稀土 离子掺杂材料的上转换发光过程的低量子效率，通常激光器的腔结构不能获得可 实用的激光功率输出，而且激光阂值很高，有的还需要在低温下工作。光波导器 件结构具有严格的光学约束和长的相互作用距离，可产生密度激发和有效的泵浦 吸收，因此利用光波导结构实现上转换激光成为可能，关键是寻找合适的制作波 导的稀土离子掺杂材料。目前，所研究的上转换发光材料多达上百种，有玻璃、 2 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 陶瓷、多晶粉末和单晶。其化合物可分为氟化物、含氧盐、卤氧化物、硫氧化物、 硫化物等。所用的稀土激活剂有e 一、h 0 3 + 、t m 3 * 、p p 、n d 3 + 等单掺，或分 别与y b 3 + 共掺杂 2 0 - 2 3 1 。但是，氟化物玻璃制备极为困难，且吸湿性强。而氧化物 材料因为容易制备、化学和热稳定性高等应用上的优势而受到青睐。近年来，上 转换发光研究表明一些氧化物体系在室温下显示出高效上转换发光。香港城市大 学e y b p u n 研究组报导了e r 3 + 掺杂的氧化物玻璃的上转换发光，其效率是氧化物 体系中最高的，可以与铒、镱共掺杂的氟化物玻璃相l 七t 2 q 。 目前用于铒离子掺杂光波导薄膜制作方法的可以分为以下几种；射频磁控溅 射法o 师s ) 【2 5 】、离子注入法 2 0 - j 、溶胶凝胶技术 2 7 j 、脉冲激光沉积口l d ) f 2 s 】、阳极氧 化电化学法【2 9 】、等离子体增强化学气相沉积( p e c v d ) 【3 0 】以及分子束外延( m b e ) 【3 1 】， 热分解喷涂 3 2 1 ，粒子柬辅助沉积( m ) ) 【坝，电子束蒸发法【蚓等。其中溶胶凝胶技 术由于具有反应温度低、反应过程易于控制、制品的均匀度和纯度高、改性方便 及工艺简单等优点，日益引起人们的研究兴趣阁。 溶胶一凝胶技术( s o l - g e l ) 是2 0 世纪6 0 年代发展起来的制备无机材料的新 工艺，是一种具有广阔应用前景的软化学合成方法，指金属有机物或无机化合物 经过湿化学反应形成溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理形成氧化物或经掺杂 处理而形成其它固体化合物的方法。与传统的固相反应法相比，s o l - g e l 法具有以 下优点：产物的化学均匀性好，其均匀程度可达分子或原子级，采用这种方法， 激活离子能更均匀地分布在基质晶格中，可进一步提高发光材料的品质；可以控 制发光材料的粒度大小，产品的硬度较低，颗粒均匀，粒度可达纳米级；由于不 需要机械过程，且溶剂于处理过程中被除去，因而产物的纯度高；由于物料为分 子等级混合，而且在灼烧之前所需要的生成物部分形成，凝胶所具有的大的表面 积有利于产物的生成，因此显著地降低了发光材料的烧结温度，既节约能源、简 化设备，又可避免因烧结温度高而从反应容器引入杂质闻。 基于以上原因，本论文主要用溶胶一凝胶法制备了稀土f _ 2 + 离子掺杂的用于铒 离子掺杂光波导放大器制作的t - a 1 2 0 3 粉体，系统的研究了在e r 3 + 单掺、e r 3 + 厂y b ” 3 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 双掺和e r 3 + ，y b 3 + c e 3 + - 掺情况下体系的近红外1 5 3 4 n m 光致发光性质和发光机理； 三种体系在9 8 0 r i m 激发下可见光区域的上转换发光性质和发光机理；使用溶胶凝 胶法和旋转涂覆法制作了铒镱双掺t - a 1 2 0 3 薄膜，用a f m 对其表面形貌进行了表 征。本论文工作丰富了稀土离子的光谱性质，为进一步研究和开发氧化铝基质在 近红外固体激光器、光波导放大器和上转换激光器方面的应用奠定了基础。 4 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 参考文献 【1 】黄德修，全光信息网络中的某些关键半导体光电子器件，半导体学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 3 ) p 2 0 9 【2 p e l u s imd , m a t s u iy f o u r t h - o r d e rd i s p e r s i o ns u p p r e s s i o no fu l t r a - s h o r to p t i c a l p u l s e sb y s e c o n d - o r d e r d i s p e r s i o n a n dc o s i n e p h a s em o d - u l a t i o n j o p t i c s l e t t e r , 2 0 0 0 ，2 5 ( 5 ) ：2 9 6 - 2 9 9 【3 n e l s o nbe ，g e r k e nm ，m i l l e rd ab u s eo f ad i e l e c t r i cs t a c ka sao n e d i m e n s i o n a l p h o t o n i cc r y s t a lf o rw a v e l e n g t hd e m u l t i p l e x i n gb yb e a ms h i f t i n g 【j 】o p t l e t t , 2 0 0 0 ， 2 5 1 5 0 2 1 5 0 4 d l x uq ，a l m e i d a l l i p s o nm d e m o n s t r a t i o no fh i g hr a m a ag a i ni na s u b m i e r o m e t e r - s i z es i l i c o n - o n - i n s u l a t o rw a v e g u i d e 阴o p t i c sl ，e t t e r s ，2 0 0 5 ，3 0 ( 1 ) ： 3 5 3 7 5 1 a b i s w a s ，gs m a c i e l ，i 乙k a p o o r e la 1 e 2 + - d o p e dm u l t i c o p o n e n t s o l - g e l - p r o c e s s e ds i l i c af o ro p t i c a ls i g n a la m p l i f i c a t i o na t1 5 弘m ，a p p l p h y s l e t t 【j 】2 0 0 3 ，8 2 ( 1 5 ) ，2 3 8 9 2 3 9 2 【6 x a v i e ro r i g n a e ，d e n i sb a r b i e r , x i nm i l ld u s o l g e ls i l i c a t i t a a i a - o n s i l i c o n e r y b - d o p e dw a v e g u i d e s f o r o p t i c a la m p l i f i c a t i o n a t 1 s u m ，明o p t i c a l m a t e r i a l s ，1 9 9 9 ( 1 2 ) ，1 - 1 8 u v s h n m a c h a l a m 。s m a h a j a n r o l eo fm a t e r i a l si nl i g h t w a v ec o m m u n i c a t i o n s z m e t a l l k d 1 9 9 9 ，9 0 ( 1 1 ) ：9 1 4 9 1 9 【8 】原容光纤通信， m i l l 京，电子工业出版社，2 0 0 2 ，p 6 【9 】h 。t a k e b e ，yn a g e n o ，k m o r i n a g a e f f e c to fn e t w o r km o d i f i e ro ns p o n t a n e o u s e m i s s i o n p r o b a l i t i e s o fe + i no x i d e 出a s s e s ，j a m c e r a m s o c ，1 9 9 4 ， 7 7 ( 8 ) ：2 1 3 2 - 2 1 3 6 【l o 】t o h t s u k i ，s h o n k a n e n ，s ln a j a f i ，c o o p e r a t i v eu p c o n v e r s i o ne f f e c t so nt h e p e r f o r m a n c eo f e f 3 + - d o p e dp h o s p h a t eg l a s sw a v e g u i d ea m p l i f i e r s ，川j o p t s o c 5 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 a m b ，1 9 9 7 ，1 4 ，1 8 3 8 - 1 8 4 5 【1 1 x u e l uz o u ，t a t u r ol z l l m i t a n i ，s p e c t r o s c o p i cp r o p e r t i e sa n d m e c h a n i s m so f e x c i t e d s t a t ea b s o r p t i o na n de n e r g yt r a n s f e ru p c o n v e r s i o nf o re r 3 + - d o p e dg l a s s e s 【j s n o n - c r y s t s o l i d s ，1 9 9 3 ，1 6 2 ，6 8 8 0 【1 2 z p a n ，s h m o r g a n ，o p t i c a lt r a n s i t i o n s o fe i nl e a d - t e l l u r i u m g e r m a n t e g l a s s e s ，j l u m i n ，1 9 9 7 ，7 5 ，3 0 1 - 3 0 8 【1 3 c c y e ，d w h e w a k ，m h e m p s t e a d e t a 1 s p e c t r a lp r o p e r t i e so fe r 3 + - d o p e d g a l l i u ml a n t h a n i u ms u l p h i d eg l a s s , j n o n - c r y s t s o l i d s 。1 9 9 6 ，2 0 8 ，5 6 6 3 1 4 j a n d r e wh u t c h i n s o n ，t o o m a sh a l l i k ，d i o d ea r r a y - p u m p e de r ，y b ：p h o s p h a t e g l a s sl a s e r ，a p p l p h y l e t t 。1 9 9 2 , 6 0 ( 1 2 ) ，1 4 2 4 1 4 2 6 【1 5 t s a n d r o c k ，h s c h i e f e ，e h o u m a n n e t a 1 h i g h - p o w e rc o n t i n u o u s w a v e u p c o n v e r s i o nf i b e rl a s e ra tr o o mt e m p e r a t u r e ，o p t l e t t ，1 9 9 7 ，2 2 ( 11 ) ，8 0 8 - 81 0 【1 6 k i t a g a w at ，h a t t o f ik ，h i b i n oy e ta l ，e r b i u n - d o p e dc o m p o s i t eg l a s sw a v e g u i d e a m p l i f i e r e l e c t r o n l e t t 1 9 9 3 , 2 9 ( 1 ) ：1 3 1 - 1 3 2 1 7 t o h t s u k i ，s h o n k a n e n , s i n a j a f c o o p e r a t i v eu p c o n v e r s i o ne f f e c t s o i lt h e p e r f o r m a n c eo fe r 3 + - d o p e dp h o s p h a t eg l a s sw a v e g u i d ea m p l i f i e r s j j o u r n a lo f t h eo p t i c a ls o c i e t yo f a m e r i c ab ，1 9 9 7 , 1 4 ( 7 ) ：1 8 3 8 - 1 8 4 5 【1 8 】q i nh o n g w e i ，y a n gp e i z h i ，z o n gh e ”，l ih o n g j u n ，d e n gp e i z h e n ，x uj u n , c h e n w e i i n f l u e n c eo fa n n e a l i n ga n dd 叩i n go ny b ：y a g j c h i n e s ej o t t m a lo f l a s e r s 2 0 0 2 ，2 9 ( 5 ) ：4 3 8 - 4 4 2 ( i nc h i n e s e ) 【1 9 】李淑凤，宋昌烈，李成仁，饶文雄，雷明凯，掺e r 离子a h 0 3 光波导薄膜材 料的制备及光学特性。光电子技术，2 0 0 3 ，2 4 ( 5 ) ：3 4 4 3 4 8 2 0 f f i s h i z a k a ，y k u r o k a w a ， o p t i c a lp r o p e r t i e s o fr a r e - e a r t hi o n ( g d 3 + , h 0 3 + , p 1 3 + ，s m 3 + d y 3 + a n dt m 3 + ) - d o p e da l u m i n af i l m sp r e p a r e db yt h e s o l - g e lm e t h o d ，j o u r n a lo f l u m i n e s c e n c e ，9 2 ( 2 0 0 1 ) ：5 7 - 6 3 2 1 b op e n g ，t e t s u r oi z u m i t a n i ，b l u e ，g r e e na n d 0 8 x mt m3 + ，h o3 + d o p e d 6 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 u p c o n v c r s i o nl a s e rg l a s s e s ，s e n s i t i z e db yy b 3 + ，o p t i c a lm a t e r i a l s1 9 9 5 ，4 ，7 0 l - 7 l l 2 2 q i u h u an i e ，l o n g j u nl u ，t i e f e n gx u ，s h i x t md a l ，x i a n gs h e n ，x i a o w e il i a n g ， x u d o n gz h a n g ，x i a n g h u az h a n g , u p e o n v e r s i o n l u m i n e s c e n c eo f e r 3 + ，y b 3 + - c o d o p e dn a t r i u m - g e r m a n i u m - b i s m u t hg l a s s e s j o u r n a lo fp h y s i c sa n d c h e m s i t r yo fs o l i d s ，2 0 0 6 ，6 7 ，2 3 4 5 - 2 3 5 0 2 3 t i s h i z a k a , y k u r o k a w a , t m a k i n o ，y s e g a w a ，o p t i c a lp r o p e r t y e so f r a r ee a r t hi o n ( n d 3 + , e r 3 + a n dt b 3 + ) d o p e da l u m i n af i l m sp r e p a r e db yt h es o b g e lm e t h o d , o v t i c a l m a t e r i a l s , 2 0 0 1 ，1 5 ，2 9 3 2 9 9 2 4 s q m a ne y b p u n p s c h u n g , u p c o n v e r s i o n l u m i n e s c e n c eo fe r 3 + i na l k a l i b i s m u t hg a l l a t eg l a s s e s ，a p p l p h y l e t t 2 0 0 0 ，7 7 ( 4 ) ，4 8 3 - 4 8 5 【2 5 】s h m u l o v i c hj ，w o n g a ，w o n g y h ，e ta 1 ，e ，g l a s sw a v e g u i d ea m p l i f i e ra t1 5 umo ns i l i c o n e l e c t r o n l e t t 1 9 9 2 ，2 8 ( 1 3 ) ：1 1 8 1 1 1 8 2 2 6 】l m a na ，j a e o b s o nd ce a g l e s h u md j ，c t a l ，o p t i c a ld o p i n go fw a v e g u i d e m a t e r i a l s b y m e v e r i m p l a n t a t i o n 】a p p l ，p h y s 1 9 9 1 , 2 2 ( 1 ) ：3 7 7 8 3 7 8 4 2 7 】m il o v ag ，n a j a f i s l ，s k i r t a c ha ，e t a le r b i u mi n p h o t o s e n s i t i v eh y b r i d o r g a n o a l u m i n o s i l i c a t es o l g e lg l a s s c o n f e r e n c e o n i n t e g r a t e do p t i c s d e v i c e sp o t e n t i a lf o rc o m m e r c i a l i z a t i o n s a nj o s e f e o 1 9 9 7 ，s p i ep r o c e e d i n g s v 0 1 2 9 9 7 p p 一3 4 - 4 2 2 8 】r s e m a ，c n a f o n s o ，i ns i mg r o w t ho fo p t i c a l l ya c t i v ee r b i u md o p e da h o st h i n f i l m sb yp u l s e dl a s e rd e p o s i t i o n a p p l p h y s l e t t 1 9 9 6 ，6 9 ( 1 1 ) ：1 5 4 1 - 1 5 4 3 【2 9 s k t a z a r o u k , a v m u d r y i ，v e b o r i s e n k o r o o m - t e m p e r a t u r e f o r m a t i o no f e r b i u m - r e l a t e dl u m e n s c e n tc e n t e r si na n o d i ca l u m i n a a p p l p h y s l e t t 1 9 9 8 7 3 ( 1 6 3 i ：2 2 7 2 2 2 7 4 【3 0 c e c h r y s s o u ，c w p i t t e ，+ - d o p e da h 0 3t h i nf i l m sb yp l a s m a - e n h a n c e dc h e m i c a l v a p o rd e p o s i t i o n ( p e c b v d ) e x h i b i t i n g a5 5 n mo p t i c a lb a n d w i d t h i e e ej o r t m a l o f q u a n t u me l e c t r o n i c s 1 9 9 8 ，3 4 ( 2 ) ：2 8 2 - 2 8 5 7 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 【3 1 r o s sa m c f a r l a n e ，m a r kl u i ，d a n i e ly a p r a r ee a r t hd o p e df l u o r i d ew a v e g u i d e s f a b r i c a t e du s i n gm o l e c u l a rb e a me p i t a x y i e e ej o r t m a lo fs e l e c t e dt o p i c si n q u a n t u me l e c t r o n i c s 1 9 9 5 ，l ( 1 ) ：8 2 - 9 1 【3 2 rm a r t i n e z ，mg a r c i a - h i p o l i t o ，fr a m o s b r i t o ，jlh e r n a n d e z - p o z o s ，uc a l d i n o ，c f a l c o n y b l u ea n dr e dp h o t o l u m i n e s c e n c ef r o ma h 0 3 ：c e 3 + ：m n 2 + f i l m sd e p o s i t e d b ys p r a yp y r o l y s i s j o u r n a lo f p h y s i c s ：c o n d e n s e d m a r e r , 2 0 0 5 ，1 7 ，3 6 4 7 - 3 6 5 6 3 3 】肖海波，张峰，张昌盛，程新利，王永进，陈志君，林志浪，张福民，皱世昌， 掺e r - a 1 2 0 3 薄膜发光特性的研究。功能材料与器件学报，2 0 0 4 ，1 0 ( 1 ) ：2 9 - 3 2 【3 4 】仁树喜，马洪良，徐国庆，张义炳，而氧化锆薄膜制备及其特性测量。强激光 与粒子束。2 0 0 5 ，1 7 ( 2 ) ：2 2 2 2 2 4 【3 5 s u h a sb h a n d a r k a r , s o l g e lp r o c e s s i n gf o ro p t i c a l c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , j o u r n a lo f a m e r i c a nc e r a m i cs o c i e t y , 2 0 0 4 ，8 7 ( 7 ) ：1 1 8 0 - 1 1 9 9 【3 6 】x u x u - r o n g ，s u m i a n - z e n g ( 徐叙荣，苏勉曾) ，发光学与发光材料，北京： 化学工业出版社材料科学与工程出版中心，2 0 0 4 ：6 1 4 - 6 1 6 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 第二章基本理论 第一节稀土离子能级跃迁及光谱测量方法 m 1 一、稀土离子能级与跃迁 固体材料中的稀土离子，由于5 s 2 ，5 p 6 壳层的屏蔽作用，晶场作用只对4 f 电 子产生很弱的微扰，因此，稀土离子的光谱和自由离子的情况和相似，晶场对能 级位置的影响只在几百个波数范围内，所以，要了解稀土离子在固体中的光谱行 为，首先要掌握稀土离子的基本光谱理论。 稀土元素是化学性质非常相似的一组元素，从元素周期表上5 7 号元素镧到7 1 号镥以及同属i i i b 族的钪和钇，共1 7 种元素。除钇原子外稀土原子的电子组态为 1 s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 1 0 4 s 2 4 p 6 4 d 1 0 5 s 2 5 p 6 4 f r r ( 4 f n 1 5 d ) 6 s 2 其中l a ，c e ，g d ，l u 为4 r 1 5 d 6 s 2 ，其余为4 p 坫s 2 ；钇原子的电子组态为 l s 2 2 s 2 2 p 6 3 s 2 3 p 6 3 d 1 0 4 s 2 4 p 6 4 d 1 0 5 s 2 它们失去电子后可以形成各种离子状态。处于离子状态后4 f 电子壳层收缩到 5 s 2 5 p 6 壳层内，4 f 电子受到5 s 2 5 p 6 壳层的屏蔽，所以它在晶体中只受晶体场的微 弱作用，使它们具有类原子的性质。 稀土离子在固体中一般呈现三价，二价也常见，四价也有，在可见区或红外 区所观察到的跃迁一般属于4 产组态内的跃迁，4 ，组态和其它组态之间的跃迁一 般在紫外区和可见区。由于4 户壳层的电子轨道量子数l = 3 ，在同一壳层内n 个等 价电子所形成的光谱项数目也相当庞大，j u b b 利用r a e a h 群链u 7 3r 7 ) g 2 3r 3 的 分支规则划出了一组态的全部光谱项和态的分类，并用l 表示r 3 群的量子数，用 大写的英文字母s ，p ，d ，f ，g ，h ，i ，k ，l ，m ，n ，o ，q ，来分别表 示l = 0 ，1 ，2 ，3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 ，9 ，1 0 ，1 1 ，1 2 ，用2 s + 1 表示光谱项的 多重性，用符号2 s + 1 l 嚷示光谱项，如果l ，s 产生耦合作用，光谱将按总角动量 量子数分裂，则光谱项用2 s + 1 l j 表示。 9 河南大学光学专业2 0 0 4 级硕士论文 稀土离子在固体或液体中的发光可以分为两类，一类为4 一组态内跃迁的线状 光谱，另一类为4 f - 5 d 跃迁的宽带谱。对于电偶极跃迁作用引起的跃迁来说前者是 禁戒的，后者是允许的跃迁，但由于晶场奇次项的作用使相反宇称的4 t n - 1 n l 馄入 到4 p 组态中，从而使跃迁成为可能。根据j u b b 和o f e l t 理论，我们可以得到三价 稀土离子电偶极跃迁的选择定则3 】： a l = - a ：l ，a s = - a ：0 ，i a l l _ 6 j 两，当j 或j ，- o 嘲j 心，4 ，6 f a m l l h q 磁偶极跃迁的选择定则是； a l = 0 ，a s = 0 ，j = o - 1 ，a m = o ，士1 毳雾廷艳茎恣 毫三琵琶三记 二 一偬一气 一 一m 一匕一m一气 c 矿旷咿 图2 1 部分+ 3 价镧系元素离子的能级示意图 二、反射光谱、吸收光谱、激发光谱和