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Nd3+離子摻雜氧化物玻璃的光譜性質(zhì)

• 發(fā)布日期：2016/12/6 14:44:31 閱讀次數(shù)：1672
•     Nd3+離子摻雜氧化物玻璃的光譜性質(zhì) 
  
      王雪俊,夏海平 
  
      (寧波大學(xué)光電子功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江寧波　315211) 
  
      摘　要:高溫熔融法制備了69.5B2O3-20Li2O-(10-χ)CaO-χPbO-0.5Nd2O3(χ=1,3,5,7, mol%)和68.5Li2O-(29- φ)CaO-φAl2O3-2La2O3-0.5Nd2O3(φ=3,7,10,15,mol%)玻璃,測(cè)量了玻璃樣品的吸收和發(fā)射光譜(800nm激光二極管 激發(fā)),從吸收光譜出發(fā),應(yīng)用Judd-Ofelt理論獲得了Nd3+光學(xué)躍起的強(qiáng)度參數(shù)。根據(jù)強(qiáng)度參數(shù)和發(fā)射光譜,計(jì)算了 Nd3+離子4F3/2→4I11/2躍遷的熒光發(fā)射截面σe。結(jié)果顯示,在B2O3-Li2O-CaO-PbO-Nd2O3系統(tǒng)中隨著CaO的減少和PbO 的增加,Nd3+離子的強(qiáng)度參數(shù)Ω2增大,表明樣品的對(duì)稱性降低;強(qiáng)度參數(shù)Ω6也增大,說明玻璃樣品中Nd-O鍵的共價(jià)性 和鍵強(qiáng)降低;同時(shí),Nd3+離子4F3/2→4I11/2躍遷的熒光發(fā)射截面σe的大小和熒光強(qiáng)度都減小。在Li2O-CaO-Al2O3-La2O3- Nd2O3系統(tǒng)中,隨著CaO的減少和Al2O3的增加,Nd3+離子的強(qiáng)度參數(shù)Ω2減小,說明樣品的對(duì)稱性增加;強(qiáng)度參數(shù)Ω6減 小,說明玻璃樣品中Nd-O鍵的共價(jià)性和鍵強(qiáng)增強(qiáng);同時(shí),Nd3+離子4F3/2→4I11/2躍遷的熒光發(fā)射截面的大小和熒光強(qiáng)度 也都減小。 
  
      關(guān)鍵詞:Nd3+摻雜; J-O理論;強(qiáng)度參數(shù);受激發(fā)射截面 
  
      中圖分類號(hào): TQ171　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 
  
      0　引　言 
  
      隨著高功率激光二極管的發(fā)展,摻稀土離子的 激光材料受到極大重視。用激光二極管泵浦的固體 激光器,因具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊并可小型化和集 成化等特點(diǎn)而成為固體激光器發(fā)展的主要方向之 一。Nd3+(釹)具有熒光壽命長(zhǎng),受激發(fā)射截面大[1] 等特點(diǎn),因而在激光,特別是強(qiáng)激光領(lǐng)域中得到廣泛 地應(yīng)用。近幾年來,國內(nèi)外對(duì)于Nd3+摻雜玻璃的光 學(xué)和光譜性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究[2—6]。 
  
      化學(xué)組分對(duì)摻雜離子在玻璃系統(tǒng)中的發(fā)光和吸 收性能的影響很大,本文研究了Nd3+摻雜在B2O3- Li2O-CaO-PbO和Li2O-CaO-Al2O3-La2O兩個(gè)系統(tǒng) 中,組分含量不同引起的Nd3+離子的吸收和發(fā)射的 變化。并利用Judd-Ofelt(J-O)理論[7,8]擬合吸收光 譜獲得Nd3+離子在兩個(gè)系統(tǒng)中光學(xué)躍遷強(qiáng)度參數(shù) Ω(Ω2、Ω4、Ω6),揭示出玻璃的對(duì)稱性和Nd-O鍵的 共價(jià)性和鍵強(qiáng)的強(qiáng)弱隨組分的變化規(guī)律。并進(jìn)一步 得出樣品玻璃的發(fā)光特性參數(shù)(自發(fā)輻射躍遷幾率 A,熒光分支比β,輻射能級(jí)壽命τ和受激發(fā)截面σe) 隨著組分的變化規(guī)律。 
  
      1　實(shí)　驗(yàn) 
  
      用高溫熔融法制備了如下兩個(gè)系統(tǒng)組分的玻 璃,系統(tǒng)A: 69.5B2O3-20Li2O-(10-χ)CaO-χPbO-0. 5Nd2O3(χ=1,3,5,7.摩爾百分比,獲得的玻璃樣 品用A1,A2,A3,A4編號(hào))和系統(tǒng)B:68.5Li2O-(29- φ)CaO-φAl2O3-2La2O3-0.5Nd2O3(φ=3,7,10,15. 摩爾百分比,獲得的玻璃樣品用B1,B2,B3,B4編 號(hào))原料中B2O3、Li2O、CaO分別以H3BO3、Li2CO3、 CaCO3的形式引入,PbO、Al2O3和La2O3直接以氧 化物的形式引入,各原料的純度都為分析純。按上 述配方正確稱取總量相當(dāng)于30g的玻璃原料,經(jīng)充 分混合后加入到30ml的剛玉坩堝中。置于預(yù)熱到 1200℃的硅碳棒高溫爐中并在此溫度下熔制1h。 最后將所得的玻璃液澆注到預(yù)熱至350℃的鐵模 上,成型后,放置于380℃的馬沸爐中退火4h,關(guān)閉 電源自然冷卻至室溫。最后將各樣品加工成尺寸為 10mm×10mm×1mm的兩大面拋光的塊體用于光 譜測(cè)試。 
  
      吸收譜線用PerkinElmer lambda35 UV/VIS吸 收光譜議測(cè)量,測(cè)量范圍為350~1100nm。熒光光 譜由Triax型熒光光譜儀(法國)測(cè)得(以800nm激 光二級(jí)管作為激發(fā)源)。玻璃的折射率由干福熹方 法[9]計(jì)算得到。所有性質(zhì)測(cè)量都是在室溫下進(jìn)行。 
  
      2　結(jié)果與討論 
  
      2.1　吸收光譜和強(qiáng)度參數(shù) 
  
      應(yīng)用Judd-Ofelt理論,從初始能級(jí)到終態(tài)能級(jí) 的電偶極躍遷的譜線強(qiáng)度為[10]
  
  SJJ′=∑ λ=2,4,6 Ωλ|〈φ,J‖U(λ)‖φ′,J′〉|2(1) 式中‖U(λ)‖為約化矩陣的張量算符; |〈φ, J‖U(λ)‖φ′,J′〉|2為從態(tài)|φ′,J′〉到態(tài)〈φ,J|躍 遷的約化矩陣元;SJJ′為電偶極躍遷的譜線強(qiáng)度; Ωλ(λ=2,4,6)為譜線強(qiáng)度參數(shù)。 
  
      電偶極躍遷的譜線強(qiáng)度SJJ′與吸收系數(shù)積分 ∫k(λ)dλ的關(guān)系如下 
  
       
  
      圖中可以觀察到Nd3+離子從基態(tài)4I9/2到各個(gè)不同 的激發(fā)態(tài)的躍遷,各吸收峰對(duì)應(yīng)的能級(jí)已經(jīng)在圖上 標(biāo)出。圖1(a)中看出,Nd3+離子各能級(jí)的吸收強(qiáng)度 隨著CaO的減少PbO的增加而略為增加;圖1(b) 中,Nd3+離子各能級(jí)的吸收強(qiáng)度隨CaO的減少 Al2O3的增加而降低。試驗(yàn)中各樣品玻璃的成分、 折射率n、密度ρ、摻雜濃度N和根據(jù)測(cè)量吸收光譜 用J-O理論計(jì)算得到的強(qiáng)度參數(shù)Ωλ(λ=2,4,6)的 值見表1。
  
   
  
  從表1中可以看到Nd3+離子的強(qiáng)度參數(shù)Ω 在A組分中隨著CaO的減少和PbO的增加而增 大,表明樣品的對(duì)稱性降低;在B組分中隨著Ca 的減少和Al2O3的增加而減小,說明樣品的對(duì)稱性 增加。而強(qiáng)度參數(shù)Ω6在A組分中隨著CaO的減少 和PbO的增加而增大,說明玻璃樣品中Nd-O鍵的 共價(jià)性和鍵強(qiáng)降低[12,13];在B組分中隨著CaO的 減少和Al2O3的增加而減小,說明玻璃樣品中Nd- 鍵的共價(jià)性和鍵強(qiáng)增強(qiáng)。 
  
       
  
      由得到的各強(qiáng)度參數(shù)Ωλ(λ=2,4,6)值,根據(jù) (3)、(4)、(5)式計(jì)算出Nd3+離子4F3/2→4IJ(J=15/ 2,13/2,11/2,9/2)躍遷的自發(fā)輻射躍遷幾率A,總 的自發(fā)輻射幾率Atotal,熒光分支比β和能級(jí)輻射壽 命τrad。Nd3+離子4F3/2→4IJ(J=15/2,13/2,11/2, 9/2)躍遷的矩陣元參數(shù)由文獻(xiàn)[11]查知。各參數(shù)的 計(jì)算結(jié)果見表2。 
  
      從表2中看出,A組分隨著CaO的減少和PbO 的增加,Nd3+離子4F3/2能級(jí)的總自發(fā)輻射幾率減 小,對(duì)應(yīng)的能級(jí)輻射壽命增大;B組分隨著CaO的 減少和Al2O3的增加Nd3+離子4F3/2能級(jí)的總自發(fā) 輻射幾率也減小,對(duì)應(yīng)的能級(jí)輻射壽命也增大。 
  
      2.2　熒光光譜和受激發(fā)射截面 
  
       
  
      遷的發(fā)射強(qiáng)度隨CaO的減少和PbO的增加而增加; B組分中的發(fā)射強(qiáng)度也隨隨著CaO的減少和Al2O3 的增加而增加。 由熒光光譜中,將波長(zhǎng)λ處的熒光強(qiáng)度積分 得到的積分強(qiáng)度除以波長(zhǎng)λ處的熒光強(qiáng)度,就可得 到λ處的有效線寬Δλeff 
  
       
  
      式中λe是熒光峰值波長(zhǎng)。計(jì)算的Nd3+離子摻雜的 玻璃樣品的有效線寬和受激發(fā)射截面以及摻雜在 90NaH2PO4H2O-5LiF-10BaF2-2NdF3[14]、78P2O5- 10Na2SO4-10BaF2-2NdF3[15]和應(yīng)用于商業(yè)化生產(chǎn)的 LG-650、L-41[11]中的數(shù)值作比較,見表3?？梢?A 組分中隨著CaO的減少和PbO的增加和B組分中 隨著CaO的減少和Al2O3的增加,Nd3+離子4F3/2→ 4I11/2躍遷的熒光發(fā)射截面σe的大小都減小,這與熒 光光譜中得出的熒光強(qiáng)度的變化規(guī)律相一致。與其 它玻璃基質(zhì)相比較,可以看出Nd3+離子在該玻璃中 從4F3/2→4I11/2躍遷的σe和Δλeff的值較大。說明此 玻璃系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的價(jià)值。 
  
       
  
      3　結(jié)　論 
  
      在69.5B2O3-20Li2O-(10-χ)CaO-χPbO-0.5Nd2O3 (χ=1,3,5,7.mol%)系統(tǒng)中隨著CaO的減少和 PbO的增加,Nd3+離子的強(qiáng)度參數(shù)Ω2增大,表明樣 品的對(duì)稱性降低;強(qiáng)度參數(shù)Ω6也增大,說明玻璃樣 品中Nd-O鍵的共價(jià)性和鍵強(qiáng)降低;同時(shí),Nd3+離 子4F3/2→4I11/2躍遷的熒光發(fā)射截面σe的大小和熒 光強(qiáng)度都減小。在68.5Li2O-(29-φ)CaO-φAl2O3- 2La2O3-0.5Nd2O3(φ=3,7,10,15. mol%)系統(tǒng)中, 隨著CaO的減少和Al2O3的增加,Nd3+離子的強(qiáng)度 參數(shù)Ω2減小,說明樣品的對(duì)稱性增加;強(qiáng)度參數(shù) Ω6減小,說明玻璃樣品中Nd-O鍵的共價(jià)性和鍵強(qiáng) 增強(qiáng);同時(shí),Nd3+離子4F3/2→4I11/2躍遷的熒光發(fā)射 截面σe的大小和熒光強(qiáng)度也都減小。 
  
  

      參考文獻(xiàn):略 

  來源：中國化學(xué)試劑網(wǎng)