掺铒的氟碲酸盐-磷酸盐玻璃，用于1.5 μm波段的光放大器

《Journal of Luminescence》：Erbium Doped Fluorotellurite – Phosphate Glasses for optical amplifier in the1.5 μm region

本文研究LiF改性Er3?掺杂氟化 tellurite–phosphate玻璃的热光学及发光性能。结果表明：LiF增加降低Tg、Tx、Tc及Td，提升热膨胀系数，显示网络去聚合化；Er3?部分增强网络结构。样品折射率>2.0，发射效率达98%，Judd-Ofelt参数和寿命分析证实其优异红外光子特性，适用于激光和光通信。

　　

Bozena Burtan-Gwizdala|Manuela Reben|El Sayed Yousef|Radoslaw Lisiecki|Iwona Grelowska|Natalia Nosidlak|Bozena Jarzabek

克拉科夫工业大学物理研究所，Podchorazych街1号，30-084 克拉科夫，波兰

摘要

研究了掺杂Er³⁺的(80–x)TeO₂–5P₂O₅–10Nb₂O₅–5ZnO–xLiF玻璃的热学、光学和发光性能。LiF含量的增加降低了玻璃的玻璃化转变温度（Tg）和退火温度（Td），同时增加了热膨胀率，表明玻璃网络发生了解聚；Er³⁺离子在一定程度上增强了玻璃网络的稳定性。所有样品的折射率均大于2.0。吸收光谱、发射光谱、Judd–Ofelt参数和寿命数据表明，这种玻璃在⁴I_{13/2 → ⁴I15/2跃迁中的发光效率非常高（达到98%）。这些结果凸显了该材料在光电和通信领域的应用潜力。}

引言

氟碲酸盐玻璃在红外波段具有优异的透射性能，因此在红外光学系统中具有广泛应用。由于它们能够传输红外光并具备特定的电学性质，成为激光器、红外探测器和光通信系统等现代技术的重要组成部分。氟离子的引入有助于降低声子能量，并提升玻璃的成型性、离子导电性和光学透明度[1]。在碲酸盐玻璃中，氟离子因其荧光特性和促进激光发射的能力而发挥关键作用。基于氟的体系在激光应用中展现出巨大潜力，这得益于它们在能级跃迁中的作用及其高量子效率[2]。Er³⁺离子因其独特的荧光特性而备受关注。掺杂Er³⁺的碲酸盐玻璃在1.55 μm波长处表现出强烈的荧光，这种荧光源自Er³⁺的⁴I_{13/2 → ⁴I15/2辐射跃迁。由于这一波长与石英光纤的最小衰减窗口相吻合，这类材料被广泛用作光放大介质，尤其是在掺铒光纤放大器（EDFA）中[3],[4]。这类放大器用于光纤通信系统，能够高效放大光信号，尤其是在长距离传输时[5],[6]。由于适当的基质结构，碲酸盐玻璃中的Er³⁺离子具有较高的发光效率，这意味着输入材料的能量更多转化为光辐射而非热能损失。Er³⁺离子受益于基质的优良结构和声子特性，从而实现了较高的发光效率。因此，更多的激发能量通过辐射跃迁释放，而非通过非辐射的多声子弛豫过程耗散。基于TeO2成分的体系（如Nb2O5-TeO2、ZnO-TeO2、TeO2–Li2O ZnO和PbO-Nb2O5-TeO2）展示了出色的光学性能[8],[9]。研究表明，添加ZnO和Nb2O5可以提升玻璃的光学非线性、玻璃化倾向、化学稳定性和热稳定性。在此基础上，进一步研究添加氟化锂（LiF）并掺杂Er³⁺的多组分玻璃具有重要意义。LiF的加入可以改变局部场环境并降低声子能量，从而改善Er³⁺的光谱特性，同时影响玻璃网络的连接性和稳定性。这种成分调控对于优化这些材料在光子应用中的结构和光学性能至关重要。与传统的通过添加氟化物改性剂的方法不同，本研究采用系统策略，将氟直接掺入多组分碲酸盐-磷酸盐玻璃基质中，通过部分替代TeO2来实现。这种替代方法能够精确控制玻璃网络结构的修改，有效降低OH^-含量和声子能量，同时保持足够的热稳定性。通过分别评估氟化作用和Er³⁺掺杂的影响，可以清晰区分网络修饰和稀土激活的作用。这种分离研究方法有助于更全面地理解氟化作用对玻璃热学和结构特性的影响，而Er³⁺离子则主导着光谱和光学响应。对LiF改性、Er³⁺掺杂的氟碲酸盐-磷酸盐玻璃的综合性研究为先进红外光子材料的成分调控提供了宝贵见解。}

实验部分

实验方法

所研究的玻璃组成为(80-x)TeO₂-5P₂O₅ – 10Nb₂O₅-5ZnO-xLiF – yEr₂O₃（其中y表示Er₂O₃的摩尔百分比，范围为0.2%至0.5%）。将相关成分混合后先在400°C下预热，然后在850°C的金坩埚中熔化30分钟，并在熔化过程中不断搅拌。熔体被倒入钢制立方模具中，随后将模具放入预加热至360°C的炉子中进行退火处理

热学性质

根据X射线衍射（XRD）数据（图1），制备的氟碲酸盐-磷酸盐玻璃呈透明、均匀的非晶态。对所有样品进行了差热分析（DTA）测试，确定了玻璃的玻璃化转变温度（T_g）、结晶起始温度（T_x）和结晶完成温度（T_c）。玻璃化转变温度T_g是在基线与第一条明显切线相交的点处确定的

结论

对TeO₂–P₂O₅–Nb₂O₅–ZnO–LiF玻璃的热分析表明，LiF含量增加到15%时，T_g、T_x、T_c和T_d均显著降低，同时热膨胀率增加，表明玻璃网络发生了解聚，刚性降低。Er³⁺掺杂在一定程度上增强了玻璃网络的稳定性，略微提高了T_g和T_d。这些结果表明，LiF含量可以有效调节玻璃的热学性能，平衡其柔韧性和稳定性。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的利益冲突。

作者贡献声明

Radoslaw Lisiecki: 方法学研究、数据分析。Manuela Reben: 原稿撰写、可视化处理、方法学研究、数据分析。El Sayed Yousef: 原稿撰写、方法学研究。Bozena Jarzabek: 可视化处理、方法学研究。Iwona Grelowska: 方法学研究、概念框架设计。Natalia Nosidlak: 方法学研究、实验设计。Bozena Burtan-Gwizda?a: 原稿撰写、方法学研究、数据分析、实验设计、概念框架设计

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究部分由波兰国家科学中心资助，项目编号：2023/07/X/ST11/00612