felt理论计算Tm3+掺杂的磷酸盐玻璃光谱参

1、felt理论计算Tm3+掺杂的磷酸盐玻璃光谱参    用Judd2O felt理论计算Tm3+掺杂的磷酸盐玻璃光谱参数X戴世勋,杨建虎,张德宝,柳祝平,胡丽丽,姜中宏(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)摘要:测试了60P2O5239RO21Tm2O3(R=M g,Ca,S r,B a,Zn)和60P2O52(392x)B aO2xA l2O321Tm2O3(x= 0,3,6,9,12,15) (m o l%)掺Tm3+磷酸盐玻璃系列的吸收光谱,确定了Tm3+离子在磷酸盐玻璃中的能级结构,并根据J udd2O fe lt理论计算了强度参数

2、8t(t= 2,4,6),给出了Tm3+离子的振子强度,自发辐射电偶跃迁几率等光谱参数1关 键 词:Tm3+离子;磷酸盐玻璃;光谱参数;J udd2O fe lt参数中图分类号:TQ1711718 文献标识码:A 文章编号:100626853(2001)0420229205随着计算机网络及其它数据传输服务的飞速发展,长距离光纤传输系统对 磷酸盐玻璃与氟化物和硅酸盐玻璃不同,具有优良的化学稳定性,离子可交换性,高增益,宽波段调谐,上转换几率低等特点,另外对稀土离子的溶解度大1用掺Er磷酸盐玻璃基质制成的铒光纤其单位长度增益为3 dB cm- 1,高于石英基质铒光纤两个数量级 3 1Tm3+离子的

3、光谱性质在硼酸盐玻璃 4 和某些氟化物玻璃 5 中已有详尽的讨论,但在磷酸盐玻璃中还未见到系统的报道1本文以掺Tm3+磷酸盐玻璃基质为研究对象,测试了60P2O5239RO21Tm2O3(R= Mg,Ca,Sr,Ba,Zn)和6 0 P2O52(3 92x)BaO2xAl2O321Tm2O3(x= 0,3,6,9,12,15) (mol%)的光谱性质,根据Judd2Ofelt理论计算了光谱参数,为寻找合适的掺铥基质玻璃作了探索性工作11 实验掺Tm3+的磷酸盐玻璃系列组成如表1所示1表1 掺Tm3+磷酸玻璃组成玻璃样品组成 mol%1#60P2O5239MgO21Tm2O32#60P2O523

4、CaO21Tm2O33#60P2O5239SrO21Tm2O34#60P2O5239BaO21Tm2O35#60P2O5239ZnO21Tm2O36#60P2O5236BaO23Al2O3 1Tm2O37#60P2O5233BaO26Al2O3 1Tm2O38#60P2O5230BaO29Al2O3 1Tm2O39#60P2O5227BaO212Al2O3 1Tm2O310#60P2O5225BaO215Al2O3 1Tm2O3玻璃熔制实验用纯度9916 %的P2O5,BaCO3,TiO2,La2O3,Nb2O5,Ta2O5和高纯度Tm2O3(纯度9919 %)作为原料,按配方精确称取原料约1

5、00 g放入100 ml和石英坩埚中于1 2001 300左右的硅碳棒电炉中熔化3035 min,然后经搅拌,澄清后,浇注在铁模上,移入预热到一定温度(Tg以上30左右)的马弗炉中退火1将玻璃加工成尺寸为10 mm×10mm×4 mm二大面抛光的样品1用排水法测其比重1天津城市建设学院学报 第7卷 第4期 2001年12月Jo u rna lo fT ian jinIn st itu teo fU rbanCo n st ruct io n V o l. 7 N o. 4 D ec. 2001X收稿日期:2001208230基金项目:国家自然基金资助项目(69988006)

6、作者简介:戴世勋(1974-),男,湖北天门人,中国科学院上海光学精密机械研究所助理研究员,博士.1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.玻璃折射率nd,nf和nc用V棱镜拆光仪测定1玻璃的吸收光谱用PERKIN2ELMERLANBDA9 0 0UV VIS NIR型分光光度仪测得1发射光谱采用2W中心波长为800 nm的LD作为泵浦源,用PbS探测仪接受,信号经锁相放大器后,由XY记录仪记录12 理论基础实验振子强度fexp可根据样品的吸收光谱由下式得到 6 fexp=mec2Pe2KlN0

7、A(K)dK=mec2Pe2KlN0×10. 43lOD(K)dK(1)式中:me,e,c分别为 根据Judd2Ofelt谱线强度理论 79 , 4fn电子组态的谱线强度S计算公式为SaJ;bJ =t= 2, 4, 68t aJU(t)bJ 2(2)式中:8t为谱线强度参数,取决于基质材料的配位特性;J,J分别为初末态总角动量量子数1在文献 10 中查得基态能级J到各上能级J的跃迁约化矩阵元Ut2,与实验测定的吸收谱线强度S,两者基础上利用最小二乘法拟合的方法,可计算强度参数8t1跃迁的电偶极子振子强度fcal 12 为fcal=8P3mec3hK(2Jq+ 1)×1n&#

8、215;(n2+ 2)29SKl(3)上述计算中,磁偶极子的谱线强度被忽略,因为在一般情况下它与电偶极子相比是很小的 11 1但对满足跃迁选择定则$S=$L= 0,$J= 0,±1的磁偶极子跃迁谱线强度fmd是要考虑的1例如: Tm3+离子的3H63H5跃迁中磁偶极子跃迁是有影响的,因此,fexp值应为电偶极子跃迁振子强度fed和磁偶极子跃迁振子强度fmd之和1利用计算出的8t,采用文献 10 中给出从1D2能级到其它能级发射跃迁的约化矩阵单元Ut2,再利用式(2)计算发射谱强度,由此可计算从J多重态到J多重态的自发辐射跃迁几率A 78 :A(aJ:bJ)=64P4e23h(2J+

9、1)1K3n(n2+ 2)29S(aJ;bJ)(4)荧光跃迁的分支比定义为B(aJ;bJ)=A(aJ;bJ)bJA(aJ;bJ)(5)3 结果与讨论图1给出了1#10#玻璃的吸收光谱1吸收光谱的测量范围为3002 000 nm1图1 Tm3+在磷酸盐玻璃(样品1#样品10#)中的吸收光谱由图1可见, 1#10#玻璃的样品吸收光很相似,紫外区至近红外区都有较强的吸收,且谱带的外形与峰值位置和Tm3+在其他基质中的很相似 4 1根据文献 4 5 及其他有关报道,对各吸收峰所对应的能级跃迁作出识别, Tm3+:磷酸盐玻璃在3002 000 nm范围内共有7个吸收带,它们分别为357 nm(3H61D

10、2),473 nm(3H61G4),660 nm(3H63F2),686nm(3H63F3),792 nm(3H63H4),1 210 nm(3H63H5),1 762 nm(3H63F4)跃迁1由吸收光谱确定出的Tm3+离子在磷酸盐玻璃中的能级图见图2,其中虚线代表是3H43H6跃迁的计算值,波长范围为1 4401 470 nm,处于S波段的边缘1图2 Tm3+离子在磷酸盐玻璃中的能级图032 天津城市建设学院学报 2001年 第7卷 第4期 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.各吸收峰

11、的具体位置如表2所示1表2 Tm3+在磷酸盐玻璃中的吸收峰位置nm 跃 迁K1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#3H63F4 1762. 11764. 51765. 51766. 41771. 31716. 21722. 51723. 21729. 01735. 43H51210. 01210. 61210. 81211. 01210. 21210. 91210. 61210. 31210. 11210. 13H4792. 20792. 70792. 76793. 01792. 74792. 85792. 43792. 04791. 91791. 963F3686. 21686. 996

12、86. 89687. 10687. 23686. 94686. 40685. 83685. 53685. 653F2659. 83659. 85660. 06660. 83660. 26660. 83600. 26659. 68659. 40659. 931G4473. 80473. 89474. 12474. 32473. 98473. 98473. 65473. 43473. 20474. 101D2357. 46357. 65357. 70357. 83357. 68357. 81357. 67357. 56357. 51357. 68从表2中可以看出,在60P2O5239RO21Tm2

13、O3(R= Mg,Ca,Sr,Ba)系列中吸收峰值波长Mg< Ca86顺序排列1在6 0 P2O523 9 RO21Tm2O3(R= Mg, Zn, Ca, Sr, Ba)系统中,82与84变化趋势相同,84随着阳离子电场强度Z a2的减少,即按照Mg< Zn< Ca< Sr顺序增大,但在BaO情况下,有所降低1在60P2O52(392X)BaO2XA2O321Tm2O3(X= 0, 3, 6, 9, 12, 15)玻璃系统中,82,84和86三者变化132 天津城市建设学院学报 戴世勋等:用Judd2Ofelt理论计算Tm3+掺杂的磷酸盐玻璃光谱参数1995-2004

14、 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.趋势相同,开始随着A2O3含量的增加而变化,在A2O3含量到达9 mol%时为最高值,随后8t减少1这可能和A2O3在玻璃网络结构中的配位结构不同有关1表4列出了计算的1#10#样品自发辐射跃迁几率A和荧光分支比B值1从中可以看出,由1D23F4跃迁的A值最大,荧光分支比B值也相应最大1玻璃修饰体(RO)的不同对A的改变也很大, SrO和BaO的引入有助于提高辐射跃迁几率1另外, Al2O3在适当范围内引入也会提高辐射跃迁几率1图3 Tm3+在60P2O5-39RO-1T

15、m2O3(R=Mg,Zn,Ca,Sr,Ba)系统中8t值变化图4 Tm3+在60P2O5-(39-X)BaO-XAl2O3-1Tm2O3(X=0,3,6,9,12,15)系统中8t值变化有一个现象需要特别指出,那就是在发射光谱的测试中,始终难以观察到Tm3+荧光,这可能是因为玻璃在熔制过程中,没有采取除水的措施,造成3H43F4的发射峰(1147Lm)与玻璃中水的吸收峰重叠,导致跃迁的荧光被水吸收以至于无法被观察到1当然,本文主要侧重的是Tm3+磷酸盐玻璃中吸收光谱特性,有关发射光谱特性的实验研究还正在进一步进行1参考文献: 1 TANAB ES,SU G IM O TON,ITOS,eta

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22、4 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.(Shangha iIn st itu teo fO p t icsandF ineM echan ics,Ch ine seA cadem yo fScience s,Shangha i201800,Ch ina)Abstract:O p t ica lab so rp t io no fTm3+io n sin60P2O5239RO21Tm2O3(R=M g,Ca,S r,B a,Zn)and60P2O52(392X)B aO2XA l2O321Tm2O3(X= 0,3,6,9,12,15) (m o l%)g la sse sha sbeenm ea su red.A cco rd ingtoJ udd2O fe ltt