（光学工程专业论文）镱铒体系上转换发光研究与光子晶体频带计算.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 用高温固相反应法制备了系列掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃样品，结合镱铒能量传递 模型，对铒离子多个波段的光致发光特性进行了分析。镱离子的掺入显著地提高了三价 铒离子的泵浦效率和激活度，使铒离子在近红外1 5 3 0 n m 、可见光6 6 4 、5 4 9 n m 等波段 都有很强的发射，半值宽度也有所增加。测量结果同时表明：单掺铒样品在近红外波段 光致发光强度随掺杂浓度单调缓慢增加。镱铒共掺材料存在最佳的镱铒掺杂浓度比，( 1 ) 近红外波段优化的镱铒掺杂浓度分别为o 7 a t 、0 1 a t ，光致发光强度比0 1 a t 单掺铒 样品增强1 4 倍；( 2 ) 可见光波段光致发光强度随掺杂浓度快速增强，镱铒浓度为4 5 a t 、 0 5 a t 时的光致发光强度，比单掺铒浓度o 5 a t 的样品增强1 8 0 倍。 测量了掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃样品上转换可见光波段光致发光强度随温度的变 化规律，结合速率方程和多声子辅助跃迁过程建立了铒离子绿光发射强度随温度变化的 理论模型，并基于荧光强度比技术讨论了掺铒材料在高温测量领域的应用。在2 9 6 - 7 2 3 k 温度范围内，高温时铒离子绿光波段的发光强度比室温下增加了五倍，光学温度传感器 灵敏度达到o 0 0 3 1 k 1 。对铒镱钕硅酸盐玻璃温度特性测量和能量传递方式分析发现，三 种元素的共掺，不仅有效地提高了钕离子在近红外发光的强度，并且在高温下观察到了 常温下没有的发射峰；利用钕离子8 1 3 r i m 和9 9 7 n m 双峰的荧光强度t b 表征温度值，灵 敏度也达到0 0 0 3 5 k 1 。 利用脉冲激光技术制备了镱铒共掺三氧化二铝薄膜和硅酸盐玻璃薄膜，通过对其表 面形貌的表征以及光谱测量，分析了激光能量、沉积距离、氧气分压等工艺参数对薄膜 材料性能和光学特性的影响，并进行了初步的总体参数优化。设计并制作了弯曲光波导 放大器，利用束传输方法对其传输性能进行了模拟，结果显示其弯曲损耗为2 3 5 1 1 0 4 d b c m ，设计了掩模沉积光波导的方法，并进行了初步尝试。 将光子晶体技术和光波导放大器技术相结合，利用平面波展开法分析了以三氧化二 铝、硅酸盐玻璃和硅为介质的光子晶体结构，初步分析了适合制作光子晶体光波导放大 器的结构。 关键词：镱铒共掺材料；上转换；峰值强度比；脉冲激光沉积；光子晶体 铒镱体系上转换发光研究与光子晶体频带计算 t h e u p e o n v e r s i o nl u m i n e s c e n c ei n v e s t i g a t i o no f e r y bc o d o p e ds y s t e ma n db a n d g a p sc o m p u t a t i o no f p h o t o n i cc r y s t a l s k b s t r a c t s e r i e so fs i l i c a t eg l a s s e sw i t he ，+ ，y b ，+ c o - d o p e da n de ，+ - d o p e dw e r ef a b r i c a t e db y h i 2 9 h - t e m p e r a t u r es o l i d - s t a t er e a c t i o n w i 伍t h ec o m b i n i n go ft h ee n e r g yt r a n s m i s s i o nm o d e b e t w e e ne 1 3 + - y b 3 + p h o t o l u m i n e s c e n c ep r o p e r t yo fe f 3 十厂y b 3 + d o p e ds a m p l e sa td i f f e r e n t w a v e b a n dw e r ea n a l y z e d 1 1 1 ci n f r a r e da n dv i s i n el i g h te m i s s i o n so f e r ，+ h a v eb e e no b s e r v e d n l ei n t r o d u c t i o no fy b ”c a u s e st h ep u m p i n ge f f i c i e n c yo fe ，+ h a sd r a m a t i ci n c r e a s e m a k e s t h ea c t i v i t yo fe ，i n c r e a s e i ns e r i e so fe p + d o p e ds a m p l e t h ep h o t o l u m i n e s c e n e ei n t e n s i t y f o ri n f r a r e de m i s s i o nh a ss l o w l yi n c r e a s e dg o n gw i t h 也ec o n c e n t r a t i o n o fe r j + i o n i ns e r i e s o fe ，y 扩+ c o d o p e ds a m p l e s t h ep h o t o l u m i n e s c e n c ei n t e n s i t yf o ri n f r a r e de m i s s i o nh a v ea o p t i m a lv a l u ew i t ht h ec o n c e n t r a t i o no f 0 1 a t e ，+ a n d0 7 a t y b j + a n de n h a n c eb yaf a c t o r o fa b o m1 4c o m p a r e dw i t ht h a to f0 1 a t e 1 ，d o p e ds a m p l e ；啊m o s tv a l u ef o rv i s i b l e e m i s s i o ni n t e n s i t yw a so b t a i n e dw i t ht h et h ec o n c e n t r a t i o no f0 5 a t e ，a n d0 9 a t y 酽十 a n dt w oo r d e r so f m a g n i t u d ee b h a n c e l n e n tw a so b s e r v e d t h ed e p e n d e n c eo f t h eu p - c o n v e r s i o ne m i s s i o ni n t e n s i t yo nt h et e m p e r a t u r ei ne ，y y b ” c o d o p e da n de ，+ d o p e ds i l i c a t eg l a s se x c i t e da t9 8 0 n mw a sm e a s u r e d am o d e lb a s e do nt h e r a t ee q u a t i o n sc o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r ed e p e n d e n c em u l t i p h o n o n a s s i s t e de x c i t a t i o na n d n o n - r a d i a t i v et r a n s i t i o nt h e o r i e sd e s c r i b e sw e l lt h ee x p e r i m e n tp h e n o m e n a f i v e f o l di n t e n s i t y e n h a n c e m e n to ft h eu p - c o n v e r s i o ng r e e nf l u o r e s c e n c ee m i s s i o nh a sb e e e no b t a i n e da s t e m p e r a t u r ew a sc h a n g e df r o m2 9 6 kt o7 2 3 k u s i n gt h eg r e e ne m i s s i o no fe r j + t h e t e m p e r a t u r ed e p e n d e n c eo ff l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yr a t i o n ( f uw a si n v e s t i g a t e d e x p e r i m e n t r e s u l ts h o w , t h et h e r m o m e t r yr a n g ei se x c e s s i v e l ye x t e n d e di ns i l i c a t eg l a s sb e c a u s eo ft h e h i 曲v i t r e o u st r a n s i t i o nt e m p e r a t u r e u t i l i z i n gt h ee n e r g yt r a n s f e ra m o n ge ，n d 3 + a n dy b j + ， t h ee m i s s i o ni n t e n s i t yo fn d ”h a v eb e e ni m p r o v e da ti n t e r e s t e dw a v eb a n d t h et e m p e r a t u r e e f f e c to nt h em u l t i - w a v e l e n g t h ，a n dt h ef i rb e t w e e n9 1 3 n ma n d8 9 7 u mw a si n v e s t i g a t e d 。a n d s e n s i t i v i t yo f0 0 0 3 5 i h a sb e e no b t a i n e d t h ef i l m so fe r j 协”c o d o p e da 1 2 0 3a n ds i l i c a t eg l a s sh a v eb e e np r e p a r e db yp u l s e l a s e rd e p o s i t i o n ( p l d ) ，r e s p e c t i v e l y u t i l i z i n gt h ei n s t r u m e n to fs e m ，a f m ，e p m aa n d l u m i n e s c e n c ed e t e c t i n g t h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r sh a v eb e e no p t i m i z e ds i m p l y 弧eb e n d e r “r b s ”c o d o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e rh a sb e e nd e s i g n e da n de t c h e d a n dt r a n s m i s s i o n p r o p e r t yo fb e n dw a v e g u i d eh a v eb e e ns i m u l a t e db yb e a mp r o p a g a t i o nm e t h o d ( b p m ) n l e 奎垄堡三奎兰堡主兰垡堡奎 一 _ - _ _ - - - _ _ - - - - - - _ _ _ 一一 b e n dl o s so f2 3 5 1 1 0 4 d b e mw a so b t a i n e d t h em a s kd e p o s i t i o ni sp r o p o s e d ，a n dl i n e w a v e g u i d eh a sb e e nd e p o s i t e db yt h i sm e t h o d p h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d ea m p l i f i e ri sp r o p o s e d p h o t o n i cb a n dg a p s h a v eb e e n a n a l y s e do i le ，d o p e da 1 2 0 3 ，s i l i c a t eg l a s sa n ds ib yp l a n e - w a v ee x p a n s i o n t e c h n i q u e ，8 n d o h o t o n i cc r y s t a l 咖c m r e ss u i t e df o rp h o t o n i cc r y s t a lw a v e g u i d ea m p l i f i e r h a v eb e e l l a n a l y s e d k e yw o r d s ：e r 3 + y b 3 + e o d o p e dm a t e r i a l s ；u p e o n v e r s i o n ；f l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yr a t i o n ；p u l s e l a s e rd e p o s i t i o n ；p h o t o n i cc r y s t a l s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：碰va n 互- 生监, 7 日期：易萨啦、f 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：乓垂脚 翩虢聿躜 驰号年j 日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1选题的科学依据以及意义 1 8 4 2 年，瑞典人c g m o s a n d e r 首次用电解熔融氯化铒方法制得镧系稀土元素铒， 其原子序数为6 8 ，原子量为1 6 7 2 。铒原子易失去两个6 s 电子和一个4 f 电子形成三价 的铒离子，相应的电子排布变为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 4 f 1 1 5 s 2 5 p 6 。按照j - o 理论， 三价铒离子的光谱主要是4 f 电子的跃迁引起的，其4 f 内壳层电子跃迁由于不涉及宇称 的改变，因此是禁戒的，但在配位场中，由于结构晶格的振动和配位场位能展开其中奇 宇称部分，消除了一部分禁戒，使4 f 态之间的辐射跃迁变为可能。由于4 f 层剩余电子 被外层部分屏蔽，使其荧光和吸收波长对外场的依赖性较小。 铒具有丰富的能级结构，其能级之间的辐射跃迁能发出多个波段的光谱。但直到铒 元素被发现一个世纪以后，其三价铒离子在发光方面的应用才被深入研究。2 0 世纪7 0 年代以来，光纤通信由于具有巨大的传输带宽、极低的传输损耗、可抗强电磁干扰且不 向外辐射电磁波等特性，光纤通讯进入了一个飞速发展的时期，而光纤损耗限制了光纤 无中继传输距离( 5 0 1 0 0 k m ) ，传统的放大方法是采用光电光的中继站，即首先将光 信号转换为电信号，在电信号上进行放大、再生后再调制光源，形成放大的光信号再耦 合进光纤传输。随着传输速率的增加，尤其随着密集多分复用技术( d e n s e w a v e l e n g t h d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，d w d m ) 系统的发展，这种传统的光电中继方式越 来越不适应现代通信的要求。直接放大、处理光信号就成为技术发展的必然，而掺铒光 纤放大器的出现就满足了这种要求。掺铒光纤放大器( e r d o p e d f i b r e a m p l i f i e r ，e d f a ) 是在普通的光纤中掺入稀土元素铒离予，一般的长度为几十米。由于铒离子吸收9 8 0 r i m 或者对应的其它波段的吸收波长后通过无辐射跃迁等过程，使铒离子基态( 4 1 1 5 ，2 ) 与亚 稳态( 4 i 】3 h ) 能级之间产生粒子数翻转，当有1 5 5 t r n 波段的信号光通过时，铒离子被 该信号光诱发而从亚稳态感应跃迁到基态，并辐射发出同相位同波长的光波，从而实现 对信号光的放大，可以看出这个过程中避免了光电的转换，极大的提高了传输的速率。 波分复用( w a v e l e n g t h - d i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，w d m ) 技术与e d f a 技术相结合，使光 纤的传输容量提高了几百上千倍。随着光通信的高速发展，小型化、集成化的全光网络 的发展已经成为共识，全光网络是指信息从源节点到目的节点能够现在全光透明传输的 网络，全光网中的网络节点在光域中处理信息，交换、路由等都在光域中完成，这样可 以完全克服“电子瓶颈”的制约。近年来，随着光子集成技术的发展，各种小型化的波 导器件应运而生，如隔离器、光开关、波分复用器等，而结构紧凑、尺寸小巧、单位长 铒镱体系上转换发光研究与光子晶体频带计算 度增益高的掺铒光波导放大器( e rd o p e dw a v e g u i d ea m p l i f i e r ，e d w a ) 也成为了研究 的热点【l 】，e d w a 能很容易的和上述波导型器件集成在同一个基片上( 小于1 0 1 0 m m 2 ) ， 而长度仅有几个厘米。将这些器件集成在一起可以消除器件的对接问题，提高器件的可 靠性。可以在同一个基片上可以集成多个e d w a ，从而形成阵列型的光放大器，大大 缩小体积，并可方便的实现w d m 系统中多个波长增益的动态调节，波导型分路器与 e d w a 集成在一起可应用于接入网。e d w a 的发展必将推动全光通信网络的进一步发 展，尤其是光纤到户这一宏伟目标的实施。 波导技术与其他技术结合将能改善波导传输的性能。为了在微小芯片上集成光波导 放大器，可以将其刻成环绕状的几何结构，以增加波导长度，产生足够的增益，但是弯 曲半径不能做的太小，如果弯曲半径太小将引起很大的传输损耗，而光子晶体技术能实 现波导的锐角转弯，能极大的减小弯曲半径，减小波导的尺寸，控制光子的运动。光子 晶体是一种将电介质规则排布以禁止光学强相互作用的新型材料，其概念是1 9 8 7 年分 别由e y a h l o n o v i t c h 和s j o l l l l 提出来的【2 捌，可以预见，光子晶体将在光通信、光学、 光电子学和信息科学等方面引发革命，1 9 9 9 年1 2 月7 日，s c i e n c e ) ) 将光子晶体方 面的研究列为当今十大科学进展之一。在光波导制作方面，平面( - - 维) 光子晶体近 几年受到普遍重视，已被确认有希望在芯片上实现大规模集成光学装置的重要手段。二 维光子晶体的基本概念是在波导薄膜上形成二维周期孔晶格，使导波模出现带隙，在规 则光子晶体中以缺陷的形式开辟任意形状的通道，就构成了光子晶体波导。若将光波导 放大器与光子晶体技术结合形成光子晶体波导放大器，将能有效的提高集成度，减少传 输损耗。 铒离子发出1 5 5 1 u n 的光不仅用于光放大器，而且由于该波段对人的眼睛安全，大 气传输性能较好，对战场的硝烟穿透能力较强，保密性好，不易被敌入探测，照射军事 目标的对比度较大，可以用于制作对人眼安全的便携式激光测距仪，并且已经有产品问 世。铒离子激发态4 i i 】，2 能级向4 i t 3 ，2 能级的跃迁发出2 7 1 a n 的光，刚好位于水的吸收峰 附近，当这种激光脉冲作用于皮肤时能迅速被组织吸收，引起浅层皮肤的快速升温导致 皮肤的瞬间汽化分离，作用深度较浅，可控制在1 0 t m ，热损伤程度轻，已经被广泛用 于美容去斑和眼部激光手术，效果明显好于c 0 2 激光器。随着大功率半导体激光器的 出现，掺铒固体激光器已经成为人们研究开发的重点。通过研究发现镱铒之间能够实现 有效的能量传递，在9 8 0 n m 半导体激光器泵浦下，镱铒共掺样品在红外波段的发光效 率有明显的提高，这为制作高增益小尺寸的e d w a 以及红外固体激光器提供了契机， 镱铒共掺发光机理和寻找合适的掺杂基质是现在研究的热点。 一z 一 大连理工大学硕士学位论文 铒离子不仅能在近红外波段发光，而且由于其具有特殊的能级结构，选择合适的基 质材料通过上转换作用可实现铒离子在可见光波段的发光。铒离子在吸收9 8 0 r i m 或者 其它波段的泵浦光以后，通过激发态吸收、合作上转换等多个上转换途径，可跃迁到更 高得激发态，激发态2 h 蛇、2 h 1 1 小4 s 3 ，2 、4 f 眈向基态4 i l s n 的辐射跃迁实现蓝光、绿光、 红光等多个波段的发射。随着大功率半导体激光器的出现，稀土元素在可见光波段的发 光有可能取代半导体发光或者频率变换技术成为蓝绿发光器件的首选。上转换发光在彩 色显示、高密度数据存储、海底通讯、检测及激光医疗等方面都有广泛的应用【4 】，已经 引起人们的重视，在选择合适的基质材料制作上转换激光器等方面展开了研究。最近 p v d o ss a n t o s 等人提出了利用铒离子在可见光波段相邻的两个发射谱之间的比值来测 量温度的方法【5 】，由于该比值不受光源波动的影响，没有其他物理量的交叉感应，应用 于光纤温度测量中结构简单，具有很好的应用前景。 1 2 相关研究的国内外进展 e d w a 的制作主要集中在两个方面，一个是基质材料的选择。选择合适的波导材 料，只需使用数厘米长的高浓度掺铒增益介质，既可以得到常规掺铒光纤几十倍的单位 长度光增益，单纯增加铒离子浓度会降低铒离子的转换效率。现在e d w a 常用的波导 材料主要有三类：氧化物薄膜( a 1 2 0 3 、y 2 0 3 、s i 0 2 ) 、聚合物及纯硅1 6 】；二是各种制 备工艺的研究，目前制备薄膜的方法有射频溅射川、离子注入i 引、熔胶凝胶法c 9 】、脉冲 激光沉积【1 0 】等方法。有关掺杂稀土元素材料的应用与研究涉及到多个学科，到目前为 止，世界各国的科学家针对不同领域的应用展开了研究工作【l “。 1 9 6 4 年，k o e s t e r 等人发现光纤中掺杂少量稀土元素作为激活介质，可制成光纤放 大器； 1 9 8 3 年，e n n e n 提出稀土元素在半导体器件中的潜在应用： 1 9 8 8 年，f e r m a n n 等人用镱离子敏化铒离子制作了光纤激光器，实现了1 5 6 m a a 波 长的输出；f a u z e l 等人制作了掺铒氟化锆玻璃激光器实现了在2 6 9 t t m 到2 7 8 p x n 波长 的连续可调谐输出：w h i t l e y 制作了8 0 7 n m 半导体激光器泵浦的掺铒光纤放大器，在 1 5 3 6 1 t r n 波段实现了6 d b 的增益； 1 9 9 0 年，k e c h o u a n e 在硅基上制备了一层a l x e r y o ：合金，测量了其在1 5 4 1 1 m 波段 的发光情况； 1 9 9 6 年，p o l m a n 等人首次报道了小尺寸硅基底a 1 2 0 3 光波导放大器； 铒镱体系上转换发光研究与光子晶体频带计算 1 9 9 9 年，y e a t m a n 用硅钛铝混合材料作为基质，溶胶凝胶法制备了掺铒薄膜， 并刻蚀成波导，薄膜的掺铒浓度高达1 1 1 0 2 0 c m 3 ，铒离子亚稳态寿命大于8 m s ，相对 增益大于1 d b c m ； 2 0 0 3 年，a s u a r e z - g a r c i _ a 等人利用脉冲激光沉积了镱铒共掺三氧化二铝薄膜，讨 论了离子间的距离对铒离子在1 5 啪波段发光的影响； 2 0 0 6 年，a p c a d c a t o 等人利用脉冲激光沉积制备了铒掺杂的氧氟化物玻璃，并对 其性能进行了分析。 在上转换的研究和应用方面，人们主要集中在寻找合适的基质材料，提高上转换 的发光效率以及拓展其在其它方面的应用 2 0 - 2 6 ： 1 9 7 2 年，n m e i l y u k 等人研究了镱铒共掺n a y f , 用近红外9 8 0 n m 光泵浦时在可见 光波段的发射光谱，对上转换机理进行了分析； 1 9 8 7 年，a j s i l v e r s m i t h 等人利用两个红外染料激光器泵浦掺铒y a l 0 3 ，利用上转 换在7 7 k 的低温下实现了0 5 5 i x m 波长1 r o w 连续激光输出； 1 9 9 0 年，t h e b e r t 等人首次在低温下利用红外光泵浦实现了铒离子上转换蓝光的 激光输出，阈值泵浦功率仅为1 0 m w ； 1 9 9 4 年，f h e i n e 等人利用掺铒l i y f 4 在室温下实现了铒离子上转换绿光的激光输 出，输出功率达到4 0 m w ； 1 9 9 8 年，a s o l i e i m 等人在研究了镱铒共掺硫化物玻璃的上转换发光情况，对镱 铒之间的能量传递效应进行了分析；p n s t a n t o s 等人提出利用铒离子上转换绿光发射峰 值比测量温度，实现测量分辨率为0 5 ； 2 0 0 4 年，m a r e i oa i l c a l e n c a r 等人进行了利用掺铒b a t i 0 3 微晶上转换发光的峰 值比测量温度的研究，分析了微晶尺寸的大小对灵敏度的影响； 2 0 0 5 年，d m b u b b 等人研究了l a e r ( m 0 0 4 ) 3 薄膜中铒离子的上转换情况。 关于光子晶体的研究方面，通过近几年各国科学家的努力，其在各方面的应用都 取得了很大的进展【2 7 。3 4 】： 1 9 8 7 年，e y a b l o n o v i t c h 和s j o h n 分别在讨论抑制自发辐射和光子局域时单独提出 了光子晶体的概念； 1 9 9 1 年，e y a b l o n o v i t c h 制作出了第一个真正具有光子带隙的三维光予晶体； 1 9 9 6 年，h i d e k ih i r a y a m a 提出了利用三维光予晶体制作新型的表面发射半导体激 光器，对其进行了理论分析； 2 0 0 0 年，w j w a d s w o r t h 等人研究了光子晶体光纤在8 5 0 n m 波段的光孤子效应； t s o n d e r g a a r d 等人设计了一种有限高的二维光子晶体光波导； 一4 大连理工大学硕士学位论文 2 0 0 4 年，y o u n g r a g d o 等人利用平面光子晶体有效的提高了发光二极管的出光效 率；1 w a nm a r k j 等人制作并分析了光子晶体光波导的弯曲传输效率； 2 0 0 5 年，n a t a l i am a l k o v a 等人利用光子晶体实现了光波导的锐角转弯，传输效率 提高了两个数量级； 2 0 0 6 年，k e n - i c h iu m e m o r i 等人利用微机械加工的方法制作了平面光子晶体光开 关。 国内对于掺铒光波导放大器以及掺铒材料的上转换发光方面的研究还主要集中在 掺杂基质材料的制备、铒离子发光特性的研究方面以及波导放大器的理论设计方面 1 3 5 4 0 ， 1 9 9 8 年，谢大韬等人用凝胶法合成掺铒硅酸盐玻璃，室温测得1 5 5 1 m a 波段的荧 光谱 2 0 0 0 年，雷红兵等人提出了掺铒硅光致发光激子传递能量模型，建立了发光动力 学速率方程，证明铒离子束缚激子复合体的热离化和激发态铒离子能量反向传递是引 起铒离子发光温度猝灭的原因； 2 0 0 2 年，秦冠仕等人研究了9 7 8 n m 泵浦时镱铒共掺z a p l ( 勐l f 2 灿f 3 p b f 2 l i f ) 多晶和玻璃中的上转换发光性质，观察到强烈的绿光、红光和紫色上转换发光。杨建虎 等人研究碲酸盐玻璃中铒离子的荧光、上转换性质和镱离子对铒离子上转换的影响； 2 0 0 3 年，陈海燕等人用镱铒共掺磷酸盐玻璃设计了放大器，理论分析了放大器的 最佳长度以及掺杂比例对增益的影响，随后提出了阵列光波导放大器的模型； 2 0 0 5 年，李成仁、宋琦等人研究了非均匀掺杂波导放大器的增益特性，并随后成 功制备了镱铒非均匀掺杂三氧化二铝薄膜； 上海光机所长期以来对各种镱铒掺杂玻璃进行了深入地研究，成功制备镱铒共掺磷 酸盐激光玻璃，实现了在1 5 r m a 的连续激光输出，激光上能级寿命达到9 m s ，并且已经 商品化。大连理工大学宋昌烈教授、雷明凯教授、赵明山教授等领导各自的课题组在掺 铒三氧化二铝、掺铒聚合物材料方面以及波导的制备、性能检测方面作了大量工作。在 上转换发光方面，国内各科研院所也在致力于寻找合适的上转换基质材科，提高上转换 的发光效率，在磷酸盐和硫酸盐玻璃中都取得了不错的效果。最近董斌等人发现，通过 控制烧结温度以及掺杂成分，可以在三氧化二铝基质中实现较高的上转换效率，在几个 毫瓦的红外泵浦下就能明显的观察到铒离子上转换发光。 国内对光子晶体理论和应用也进入了深入的研究，其中，哈尔滨工业大学的 d o n g h u at a n g 等人对光子晶体进行了大量的理论研究，利用两个光子晶体的串联实现 了光子晶体光波导的准直输出【4 1 1 ；中科院物理历对离子在光子晶体中的自发辐射效应 铒镱体系上转换发光研究与光子晶体频带计算 进入深入的探讨，取得了创新性的研究，并预言了某些光子晶体的物理现象，并提出可 以在二维光子晶体中实现对自发辐射的开关控制。 掺铒光波导器件在国外已有商用化器件。法国t e e m 光子公司于1 9 9 8 年首先发布 采用非刻蚀的离子交换法在玻璃薄片上制作的光波导放大器，具有非常低的偏振和损耗 特性，其尺寸仅有8 1x3 5 1 2 r n m 3 ，适合于接入网和城域网应用。随后其又发布采用 p e c v d 制造技术制作的4 端口全集成e d w a ，每个端口的增益可分别控制，每个端1 2 1 可达1 0 d b m ，尺寸仅为1 1 0 9 5 1 2 删o 。美国n o r t h s t a r 光子公司、w a v e g u i d e 公司、 j d s u 、丹麦n k t 集成公司也相继推出了自己的e d w a 产品。美国i n p l a n e 光子公司在 2 0 0 3 年推出了两种e d w a 产品，其中g e m a 2 0 0 0 产品采用泵清光共享的方式集成了 4 个e d w a ，并且可在分别控制增益大小，在该9 2 5 r a m 2 大小的p l c ( 光波平面回路) 芯片上集成了包括分路器、波分复用器、可变光衰减器、泵浦光带阻滤波器及光控抽头 等3 2 种功能光路。而另一种w a - 2 0 0 0 则采用了集成化的隔离器、w d m 耦合器、泵浦 光带阻滤波器，尺寸仅有5 0 1 0 x 6 m m 3 。 由于三维光子晶体在制作工艺上有难度，现在研究的热点是二维光子晶体，但是至 今还没有平面光子晶体的产品问世，只有光子晶体光纤得到了商业化生产，其在光纤传 感、光孤子传输、光子晶体光开关等方面得到了广泛的应用。平面的光子晶体光波导、 光开关都处于实验室研究阶段。 1 3 本论文的主要内容 综上所述，掺铒材料的发展经历了一个由晶体到非晶体，由非集成化到集成化的发 展过程。众所周知，玻璃的成本远远低于晶体材料的成本，因此现在的研究热点主要是 用玻璃为基质材料实现铒粒子在各含波段的激光输出，包括已经商业化的e d w a 。特 别是硅酸盐玻璃具有很好的物理和化学特性，很适合做为掺铒的基质材料，也是本文的 重点讨论内容之一，同时我们还将光子晶体技术和波导放大器技术结合进行了光子晶体 光波导放大器的理论计算。本文在国家自然科学基金项目“脉冲激光沉积掺铒多元氧化 物薄膜和光子晶体波导放大器研究”的资助下作了如下几个方面的研究： 首先，制备了系列的掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃，研究了其在近红外、可见光等多 波段的光致发光情况，对于镱铒之间的能量传递机理进行了深入的探讨，优化了铒离子 在各个波段的发光，这些在第二章作了深入的分析。 第三章分析了温度的变化对铒离子发光的影响，在2 9 6 - - 7 2 3 k 温度范围内，升高温 度使上转换发光增强了5 倍，提出了理论模型，模拟结果与实验一致：还讨论了一种利 用铒离子的绿色上转换发光的峰值比测量温度的方法，并且制作了一组镱铒钕共掺硅酸 大连理工大学硕士学位论文 盐玻璃，初步分析了三种离子之间的能量传递过程，探索了利用钕离子的红外发光测量 温度的方法。 第四章利用激光脉冲技术制备了镱铒共掺三氧化二铝薄膜和硅酸盐玻璃薄膜，对其 形貌特性和光谱特性进行了表征和分析，研究了激光能量、沉积距离、氧分压等对薄膜 质量和光谱性能的影响：设计了弯曲波导放大器，并利用干刻法进行刻蚀，模拟了其光 传输特性，结合l i f t - o f f 方法设计了制作光波导的新工艺。 第五章简单介绍了光子晶体和平面波展开法，在此基础上设计了合适制作光波导放 大器的二维光子晶体光波导结构。 铒镱体系上转换发光研究与光子晶体频带计算 2 掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃的室温光致发光特性 掺铒玻璃一直是各国科学家研究的热点，掺铒玻璃主要用于两个方面，一方面是 制作光放大器，利用离子交换法或者其他溅射方法制作成光波导放大器：另一个方面是 制作红外或者上转换发光器件。硅酸盐玻璃具有材料均匀性好、光学质量高、化学稳定 性和热稳定性好、制备工艺成熟、易于加工，并且与现代通信中所用光纤的耦合损耗小 等优点，是适合做光波导的优良材料之一【4 2 l 。随着器件小型化、集成化的发展，要求 光波导放大器在较小的尺寸下实现较大的增益，这就要求提高铒离子的浓度，但是过高 的浓度会导致能量猝灭等效应，降低发光效率，需要寻找合适的浓度，探索抑制能量猝 灭的途径。本章在制备系列掺铒硅酸盐玻璃的基础上分析了其光致发光特性，重点讨论 了掺铒浓度以及其他离子的共掺杂对铒离子在不同波段发光的影响，针对不同波段优化 了离子掺杂浓度，分析了铒离子发光的内在机制。 2 1 掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃的制备 掺铒材料在全光通讯中所用的波段主要为1 5 5 1 t i n ，因此用于制作光波导的材料必 须要在该波段附近有较高的透射率，本文制作了多种配比的掺e ，和e ，w b ”共掺的 硅酸盐玻璃样品，其成份如下面表2 1 2 4 所示，其在该波段有很高的透射率。单掺e r 3 + 玻璃样品的原子数分数分别为0 1 、0 3 、0 5 、o 7 、o 9 。e ，y b j + 共掺玻璃样 品中，制作了三个不同的系列；s a l 、s a 2 、s a 3 ，三个系列中e ，的原子数分数分别 为o 1 、o 3 、o 5 。在同一个系列中e 的原子数分数相同，y b ”的原子数分数分 别为e ，离子的1 、3 、5 、7 、9 倍。 表2 1 单掺铒硅酸盐玻璃的配比 t a b 2 1t h ec o m p o s i t i o no f t h ee ，d o p e dg l a s ss a m p l e s o 1 a t 0 3 a t 0 5 a t o 7 a t 0 9 a t 1 6 8 4 1 6 5 9 7 1 6 3 5 9 1 6 1 2 5 1 5 8 9 5 8 2 5 2 8 1 3 3 8 0 1 7 7 9 0 2 7 7 8 9 0 9 9 o t 9 7 5 0 9 6 1 0 ，9 4 8 0 9 3 4 8 6 6 3 8 5 3 8 8 4 1 6 8 2 9 5 8 1 7 7 0 2 5 4 0 7 5 6 1 2 4 8 1 7 3 2 2 0 4 大连理工大学硕士学位论文 表2 2s a i 系列玻璃的配比 t a b 2 2 t h ec o m p o s i t i o no f s e t s a i 四a s ss a m p l e s 1 ：l1 6 7 1 48 1 9 1 0 9 8 28 5 9 90 2 5 30 2 6 1 1 ：31 6 4 6 7 8 0 6 90 9 6 88 4 7 10 2 5 10 7 7 4 1 ：51 6 2 2 4 7 9 50 9 5 38 3 4 60 2 4 81 2 7 8 1 ：71 5 9 8 6 7 8 3 40 9 3 98 2 2 40 2 4 61 7 7 1 1 ：91 5 7 5 27 7 1 90 9 2 6 8 1 0 40 2 4 32 2 5 6 注：s a i 系列玻璃中铒离子的浓度为o 1 a 搦 表2 3s a 2 系列玻璃的配比 t a b 2 3t h ec o m p o s i t i o no f s e r s a 2g l a s ss a m p l e s 1 ：11 6 2 3 17 9 5 40 9 5 48 3 50 7 4 50 7 6 7 1 ：31 s 5 2 9 7 6 10 9 1 37 9 8 90 7 2 32 2 3 5 1 ：51 4 8 6 77 2 8 50 8 7 47 6 4 80 7 0 33 6 2 3 1 ：7 1 4 2 46 9 7 80 8 3 77 3 2 60 6 8 4 4 9 3 5 1 ：91 3 6 4 66 6 8 7o 8 0 27 0 20 6 6 76 1 7 9 注：s a 2 系列玻璃中铒离子的浓度为0 3 a t 9 铒镱体系上转换发光研究与光子晶体频带计算 根据经验，碳酸钠和硼酸在高温下会挥发一部分，因此各自多加了1 5 和2 0 的补 足量。将以上各组原料分别经过充分混合研磨，混合后的原料放入刚玉坩埚中在1 4 5 0 高温炉中恒温半个小时，然后将熔融状态玻璃样品倒入事先预热的石墨模具中，迅速 将石墨模具放入保温炉中，控制保温炉的温度为6 5 0 ，在此温度保温三个小时后，关 闭保温炉电源，自然冷却到室温，可以得到淡红色的掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃。将玻 璃样品进行切割打磨抛光成2 5 1 5 4 m m 的长方体。 表2 4s a 3 系列玻璃的配比 t a b 2 4t h ec o m p o s i t i o no f s e r s a 3g l a s ss a m p l e s 1 ：l l ：3 l ：5 l ：7 l ：9 1 5 7 6 5 1 4 6 6 1 3 6 5 1 1 2 7 2 6 1 1 8 7 6 7 7 2 6 7 1 8 4 6 6 8 9 6 2 3 6 5 8 2 0 9 2 7 0 8 6 2 o 8 0 2 0 7 4 8 0 6 9 8 8 1 l l 7 5 4 2 7 0 2 3 6 5 4 7 5 8 2 1 2 1 8 1 1 6 2 1 1 “ 1 0 6 5 1 0 2 2 1 2 5 4 3 5 9 1 5 7 2 4 7 6 7 8 9 4 7 5 注：s a 3 玻璃样品中铒离子的浓度为0 5 a t 2 2 发射光谱的测量 三。黔伞：珲 e i 一 g f 注：a ：泵浦源 b ：玻璃样品，e ：会聚透镜，d ：斩波器，e ：单色仪，f ：探钡0 器，g ：锁相放大器，h ：计算机 图2 2 光致发光测量实验装置 f i g 2 2 t h ee x p e r i m e n ts e t - u po f p h o t o l u m i n e s e e n e e 大连理工大学硕士学位论文 测量光路如图2 2 所示，泵浦光源为9 8 0 n m 半导体激光器，其最大功率2 w 。激 光束对样品进行透射泵浦，铒离子的发射光被透镜收集以后通过斩波器进入单色仪，单 色仪的另一端耦合着探测器，其输出的电信号经锁相放大器后送给计算机进行数据处理 和图形显示。由于实验测量了从可见到红外波段铒离子的所有发射光谱。相应的探测器 分别为可见光波段的光电倍增管，红外波段的半导体致冷的i n g a a s 探测器。 2 3 光谱分析 2 3 。1 镱铒之间的能量传递 ：f ：e 9 8 0 m a 勃 ： l 弘 l ： d 唏 i 1，八 r 1n 图2 3y b 3 + 和e r 3