Tm3+摻雜鍺鈮酸鹽玻璃及其紅外光譜特性*

王勇超夏海平章踐立張勤遠(yuǎn)

1)(寧波大學(xué)光電子功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波315211)

2)(華南理工大學(xué)光通信材料研究所特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640)

(2009年12月6日收到;2009年12月25日收到修改稿)

Tm3+摻雜鍺鈮酸鹽玻璃及其紅外光譜特性*

王勇超1)?夏海平1)章踐立1)張勤遠(yuǎn)2)

1)(寧波大學(xué)光電子功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧波315211)

2)(華南理工大學(xué)光通信材料研究所特種功能材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州510640)

(2009年12月6日收到;2009年12月25日收到修改稿)

用高溫熔融法制備了相同質(zhì)量百分比濃度4%Tm2O3摻雜濃度下(90－x)GeO2-xNb2O5-10Na2O(其中數(shù)字為摩爾百分比x=1，2，4，6，8)以及Tm2O3摻雜濃度分別為質(zhì)量百分比1%，2%，3%，4%下86GeO2-4Nb2O5-10Na2O (其中數(shù)字為摩爾分?jǐn)?shù))系列玻璃.研究了Nb2O5組分對玻璃熱穩(wěn)定性，熒光強(qiáng)度和J-O參數(shù)的影響.應(yīng)用Judd-Ofelt理論，計(jì)算了Tm3+離子在Nb2O5濃度不同時(shí)的J-O強(qiáng)度參數(shù)(Ω2，Ω4，Ω6)及Tm3+離子各激發(fā)態(tài)能級的自發(fā)躍遷概率、熒光分支比以及輻射壽命等光譜參量.根據(jù)McCumber理論，計(jì)算了Tm3+離子能級3F4→3H6(1.8μm)躍遷的吸收截面和受激發(fā)射截面.從獲得的吸收截面、發(fā)射截面與離子摻雜濃度計(jì)算了1.8μm熒光波段的增益截面曲線.在808nm波長光的激發(fā)下，研究了Tm3+摻雜玻璃在1.47與1.8μm附近的熒光特性.發(fā)現(xiàn)當(dāng)Tm2O3摻雜濃度為質(zhì)量百分比3%時(shí)，在1.8μm處的熒光強(qiáng)度達(dá)最大，然后隨著摻雜濃度的增大，其熒光強(qiáng)度反而降低;當(dāng)Nb2O5摩爾分?jǐn)?shù)含量大約在2%時(shí)，Tm3+在1.8μm處的熒光強(qiáng)度最強(qiáng).并討論了Nb2O5組分變化對玻璃結(jié)構(gòu)與光譜特性的影響情況.

Tm3+摻雜鍺鈮酸鹽玻璃，紅外光譜性質(zhì)，交叉弛豫，Nb2O5

PACC:7855，4270C，7430E，7820

1. 引言

由于鍺酸鹽玻璃較好的熱穩(wěn)定性、較低的基質(zhì)聲子能量、較好的玻璃成型能力以及對稀土離子較大的溶解性，以稀土離子Tm3+為發(fā)光中心、具有約1.8μm波段中紅外發(fā)光特性的鍺酸鹽玻璃與光纖的研究引起了人們的極大關(guān)注［1，2］.

五氧化二鈮(Nb2O5)是一種玻璃形成劑，它與常用的SiO2，GeO2，B2O3等物質(zhì)能形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而生成玻璃.由于Nb2O5具有很高大的折射率，其nD達(dá)到2.8，因此在以GeO2(折射率nD= 1.613—1.7)為基礎(chǔ)的玻璃體系中適當(dāng)?shù)丶尤隢b2O5化學(xué)組分能有效地調(diào)節(jié)玻璃的折射率，這為光纖芯料與包邊料的設(shè)計(jì)提供了可方便選擇的余地.同時(shí)Nb2O5的加入可適量調(diào)節(jié)玻璃的物化性能.然而，到目前為止，很少有關(guān)于Tm3+摻雜GeO2-Nb2O5玻璃的中紅外光譜的報(bào)道.

本文選用86GeO2-4Nb2O5-10Na2O玻璃系統(tǒng)為基質(zhì)，研究Tm2O3摻雜濃度對中紅外光譜的影響以獲得較理想的Tm3+摻雜濃度;以及固定Tm2O3摻雜濃度，逐步變化Nb2O5量，研究Nb2O5對光譜的影響規(guī)律.應(yīng)用Judd-Ofelt和McCumber理論分析摻Tm3+鍺酸鹽玻璃的吸收光譜和熒光光譜性質(zhì)，從中選取適合于研制光纖的基質(zhì)玻璃材料，為研制性能良好的中紅外激光光纖打下物質(zhì)基礎(chǔ)并提供理論依據(jù).

2. 實(shí)驗(yàn)

在相同的86GeO2-4Nb2O5-10Na2O(其中數(shù)字為摩爾分?jǐn)?shù))玻璃基質(zhì)下，摻入質(zhì)量百分比濃度分別為1%，2%，3%，4%的Tm2O3，制備獲得的玻璃樣品分別用A1，A2，A3，A4進(jìn)行編號.在相同的質(zhì)量百分比濃度4%Tm2O3摻雜量下，制備了(90－x) GeO2-xNb2O5-10Na2O(x=1，2，4，6，8為摩爾分?jǐn)?shù))玻璃樣品，獲得的玻璃分別用B1，B2，B3，B4，B5進(jìn)行編號.其中Na2O從碳酸鹽引入，其他均從相應(yīng)的氧化物引入，各化學(xué)原料均為分析純.將上述原料按照配方精確稱量15 g的玻璃配料，使其充分混合，然后加入到30 ml的鉑金(Pt)坩堝中，置于預(yù)熱到約1450℃的硅鉬棒高溫爐中，并在此溫度下熔制1 h，然后澆注到預(yù)熱至350℃的鑄鐵模具上，在約550℃保溫2 h，然后以20℃/h的速度降溫至200℃時(shí)，關(guān)閉電源自然冷卻至室溫.最后將樣品加工成厚度為3mm二大面拋光的塊體用于光譜測試.

玻璃樣品的密度由Archimeds法測得;玻璃的折射率由棱鏡耦合儀測得;差熱曲線由型號為CRY-2(上海)的差熱分析儀測得;吸收光譜由Perkin-Elmer-Lambda 950生產(chǎn)的UV/VIS型吸收光譜儀測得;紅外透過光譜由FTIR-8400型紅外光譜儀測得;熒光光譜由法國J-Y公司生產(chǎn)的Triax 320型熒光光譜儀測得;Kaman光譜由法國J-Y公司生產(chǎn)的T64000型Raman光譜儀測得.所有的性質(zhì)測定都是在室溫下進(jìn)行.

3. 結(jié)果與討論

3.1. 差熱分析

為了研究玻璃樣品的熱穩(wěn)定性，測定了玻璃的差熱曲線(DTA)，溫度范圍為100—1000℃.玻璃的軟化溫度(Tg)與結(jié)晶起始溫度(Tx)是研究玻璃熱性質(zhì)的重要參數(shù).通常玻璃的熱穩(wěn)定性通?？捎忙=Tx－Tg大小來大致衡量.ΔT越大玻璃的熱穩(wěn)定性越好.表1列出了B系列樣品的數(shù)據(jù).在所有玻璃樣品中Tx－Tg均達(dá)229℃上，說明該鍺鈮酸鹽系列玻璃具有較好的熱穩(wěn)定性，適合于拉絲.另外從表1還可以看出，隨著Nb2O5含量的增加，Tx－Tg值從229℃適量增加到265℃，說明玻璃基質(zhì)中Nb2O5量從1 mol%增加到8 mol%有利于玻璃的熱穩(wěn)定性.

表1 玻璃樣品的Tg，Tx和Tx－Tg值

4. 玻璃的吸收光譜和Judd-Ofeld分析

圖1和圖2分別為樣品A1，A2，A3，A4和B1，B2，B3，B4，B5的吸收光譜，范圍為350—2200nm，從紫外至近紅外都有較強(qiáng)吸收，主要有5個(gè)吸收帶，其譜帶的外形與峰值位置和Tm3+在其他基質(zhì)中的很相似［3，4］.吸收峰位于1692，1213，791，687，469nm的峰值，分別對應(yīng)于從基態(tài)3H6到激發(fā)態(tài)3F4，3H5，3H4，3F3，2，1G4的躍遷.每個(gè)吸收峰值均由Tm3+離子的激發(fā)態(tài)標(biāo)示.從圖1可以看出，隨著Tm2O3濃度增加，吸收強(qiáng)度也隨之增加，但峰值位置幾乎無變化.說明基質(zhì)玻璃相同，Tm3+離子摻雜濃度不同對吸收峰值位置無影響.圖2表明隨著Nb2O5含量的增加，Tm3+的吸收峰峰值位置出現(xiàn)輕微紅移現(xiàn)象.

圖1 樣品A1—A4的吸收光譜

圖2 樣品B1—B5的吸收光譜

根據(jù)J-O理論［5，6］，并應(yīng)用文獻(xiàn)［7］中Tm3+離子躍遷的約化矩陣元，用最小二乘法擬合得到Tm2O3摻雜質(zhì)量百分比濃度為4%玻璃樣品A4 (B3)的三個(gè)J-O參數(shù)Ωt值分別為Ω2=4.31× 10－20，Ω4=0.75×10－20，Ω6=0.79×10－20cm2.與文獻(xiàn)［2，8］報(bào)道的鍺酸鹽玻璃相比，具有較大的強(qiáng)度參數(shù)Ω2.理論振子強(qiáng)度fcal，實(shí)驗(yàn)振子強(qiáng)度fexp和均方根誤差列于表2中.利用文獻(xiàn)［9］的方法，計(jì)算獲得的電偶極躍遷概率Aed，磁偶極躍遷概率Amd，熒光分支比β，及輻射壽命τrad列于表3.從中可以看出，3H6→1G4理論與實(shí)測振子強(qiáng)度相差較大，這主要是由于3H6→1G4的吸收峰太弱，積分誤差增大所引起.其他能級躍遷的理論與實(shí)測振子強(qiáng)度相差不大，總誤差δrms較小.

表2 相應(yīng)躍遷的理論振子強(qiáng)度和實(shí)驗(yàn)振子強(qiáng)度

圖3為Nb2O5含量對Tm3+摻雜鍺酸鹽玻璃3F4能級自發(fā)輻射躍遷概率Ai(即Aed+Amd)及輻射壽命τrad的影響圖，它反映了Ai與τrad的變化趨勢.隨著Nb2O5含量的增加，3F4能級的自發(fā)輻射躍遷概率隨之先增加再減小，然后又增加，輻射壽命的變化趨勢則剛好相反.圖4為樣品B1—B5的強(qiáng)度參數(shù)Ωt(t=2，4，6)隨Nb2O5含量的變化關(guān)系圖.為了更好的理解變化趨勢，我們將圖4中的參數(shù)擬合成曲線.一般認(rèn)為，強(qiáng)度參數(shù)Ω2與玻璃結(jié)構(gòu)的配位對稱性、有序性等特征有密切關(guān)系，Ω2越大，表明玻璃系統(tǒng)的共價(jià)性越強(qiáng)［10］，對稱性越低;Ω6與Tm3+在玻璃中與O2－形成的強(qiáng)度有關(guān).從圖4可見，隨著Nb2O5含量的增加，Ω2基本呈增大趨勢.因此，隨著Nb2O5量的增加，玻璃系統(tǒng)的共價(jià)性也隨之增強(qiáng)，對稱性的變化趨勢則相反.我們注意到Ω2和Ω6的值基本呈增大趨勢，這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)修飾體如Na+，Nb5+的加入破壞了網(wǎng)絡(luò)的對稱性，使Tm3+離子周圍的不對稱性增加，從而導(dǎo)致Ω2增大;Nb5+與玻璃中非橋氧結(jié)合，網(wǎng)絡(luò)中與Tm3+配位的非橋氧減少，使Tm—O共價(jià)性減低，Ω6的值增大.但在Nb2O5含量為4 mol%時(shí)，Ω2和Ω6的突然值變小了，這可能是由于玻璃中［NbO4］和［NbO6］之間的相互轉(zhuǎn)變引起玻璃結(jié)構(gòu)中非橋氧數(shù)量的相對含量暫時(shí)增加的結(jié)果［11］.

4.1. 吸收截面和發(fā)射截面及增益特性

根據(jù)McCumber理論［12］，Tm3+離子3H6→3F4躍遷的吸收截面可通過樣品的光密度計(jì)算:

式中，fOD(λ)是波長為λ處光密度值，L為樣品厚度(單位:cm)，n為樣品中Tm3+離子數(shù)密度(單位:cm－3).受激發(fā)射截面σe(λ)可以通過玻璃的吸收截面σa(λ)算出:

(2)式中，ε是與溫度有關(guān)的激發(fā)能量，其物理意義是保持溫度不變，把一個(gè)Tm3+離子從基態(tài)3H6激發(fā)到能級3F4所需要的自由能.應(yīng)用文獻(xiàn)［13］的方法進(jìn)行計(jì)算，求得峰值處的ε=5775cm－1，kB為Boltzmann常數(shù)，kB=1.38×10－23J·K－1，T為樣品溫度.由(1)，(2)式計(jì)算得到的為樣品A4(即B3)的吸收截面和受激發(fā)射截面如圖3所示.Tm3+離子的最大吸收截面和發(fā)射截面分別位于1.690和1.835μm處，其峰值分別為0.3634×10－20cm2和0.3894 ×10－20cm2.值得指出的是，大的受激發(fā)射截面對激光材料非常重要，本文所報(bào)道的鍺酸鹽玻璃峰值發(fā)射截面比文獻(xiàn)［14］所報(bào)道的氟化物要大.

表3 樣品A4的發(fā)射波長、躍遷概率和熒光分支比及輻射壽命

圖3 Nb2O5含量對Tm3+離子3F4能級自發(fā)輻射躍遷概率及輻射壽命的影響圖

圖4 Nb2O5含量對強(qiáng)度參數(shù)Ωt的影響

圖5 樣品A4的吸收截面與受激發(fā)射截面

表4列出了Tm3+摻雜鍺鈮酸鹽玻璃樣品的自發(fā)輻射躍遷概率Ai、峰值吸收截面σa以及峰值受激發(fā)射截面σe，其中λap和λep分別為吸收和發(fā)射截面的中心波長.從表中可以看出，隨著Nb2O5含量的增加，鍺酸鹽玻璃的峰值受激發(fā)射截面基本呈先增大再減小，然后又增大的趨勢.故可通過調(diào)整Nb2O5的摻雜量，改變玻璃的受激發(fā)射截面.

表4 Tm3+離子3F4→3H6的躍遷概率Ai、峰值吸收截面σa及峰值受激發(fā)射截面σe

為了進(jìn)一步定量地確定增益特性，根據(jù)所獲得的吸收截面和發(fā)射截面，計(jì)算出上激光能級粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的凈增益截面與波長的函數(shù)關(guān)系.我們假設(shè)Tm3+既不在基態(tài)能級也不在激光上能級，其增益截面函數(shù)G(λ)可由下式得出:

(3)式中，P為Tm3+激光上能級3F4的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)濃度N2與Tm3+總粒子數(shù)濃度N的比值.能級的躍遷截面對工作物質(zhì)的激光性能影響很大.從(3)式可知，大的發(fā)射截面可以獲得較大的增益;同時(shí)，在發(fā)光區(qū)，希望離子的吸收截面小，減少離子的自吸收，使玻璃的增益截面增大.

圖6為鍺酸鹽玻璃樣品A4(B3)中Tm3+的3F4→3H6躍遷的增益截面與波長的函數(shù)關(guān)系圖.從圖6可以看出，隨著玻璃中Tm3+的3F4能級反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的減少，波峰的增益截面最大值出現(xiàn)紅移現(xiàn)象.增益最大值的激光工作波長隨著泵浦源功率的增加而變化，這種變化可能會成為準(zhǔn)三能級激光系統(tǒng)的典型特征之一.還可以從中看出，摻Tm3+鍺酸鹽激光器在1.5—2.0μm范圍內(nèi)具有實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)的潛力.

圖6 樣品A4的Tm3+的3F4→3H6躍遷的增益截面光譜

4.2. 熒光光譜

4.2.1. Tm2O3濃度對熒光光譜的影響

圖7(a)和(b)為A1—A4在808nm激光二極管(LD)激發(fā)下，從1—2μm波段樣品的熒光光譜以及1.47和1.8μm熒光強(qiáng)度隨Tm2O3摻雜濃度的變化圖.在圖7(a)可以觀察到1.47和1.8μm的紅外熒光，它們分別對應(yīng)于3H4→3F4和3F4→3H6躍遷.從圖7(b)可以看出，當(dāng)Tm2O3在較低的摻雜濃度(1%)時(shí)，因?yàn)橄噜廡m3+具有較大的間距，因此Tm3+離子相互間的交叉弛豫作用比較弱，玻璃具有一定強(qiáng)度的1.47μm(3H4→3F4)的熒光發(fā)射.隨后當(dāng)Tm2O3的摻雜濃度逐步增強(qiáng)時(shí)，稀土離子間距縮短，其交叉弛豫效應(yīng)明顯增強(qiáng)，3H4→3F4能級的無輻射躍遷增強(qiáng)，導(dǎo)致1.47μm熒光強(qiáng)度的減弱，而1.8μm熒光強(qiáng)度則顯著增強(qiáng).在Tm2O3摻雜濃度約為3%時(shí)，1.8μm處的熒光強(qiáng)度達(dá)到最大，隨著摻雜濃度的進(jìn)一步提高到4%，1.47與1.8μm熒光強(qiáng)度急劇下降，發(fā)生明顯的猝滅現(xiàn)象，這主要是由濃度猝滅效應(yīng)與反交叉弛豫效應(yīng)所引起.該玻璃系統(tǒng)中，較理想的Tm2O3摻雜濃度應(yīng)約在3%.這與文獻(xiàn)［9，15］所報(bào)道的其他鍺酸鹽玻璃的理想摻雜濃度接近.

圖7 樣品A1—A4的熒光光譜測試結(jié)果(a)樣品A1—A4的熒光強(qiáng)度隨Tm3+濃度變化，(b)1.47，1.8μm熒光強(qiáng)度隨Tm2O3摻雜濃度的變化

4.2.2. Nb2O5化學(xué)組分對熒光光譜的影響

圖8(a)和(b)分別為B1—B5樣品的熒光光譜與熒光強(qiáng)度隨Nb2O5化學(xué)組分變化圖.從圖8(b)可以看出，隨著Nb2O5在基質(zhì)玻璃中的含量從1 mol%增加到8 mol%，1.47和1.8μm的熒光強(qiáng)度均先增大后減小，然后再增大，表現(xiàn)出相類似的變化規(guī)律.當(dāng)Nb2O5含量為2 mol%和4 mol%時(shí)，1.47和1.8μm處的熒光強(qiáng)度分別達(dá)到最大值和最小值.

熒光強(qiáng)度的變化是由Nb2O5的摻雜濃度變化時(shí)所產(chǎn)生的［NbO6］八面體和［NbO4］四面體各自的相對含量的變化所引起的.

圖8 樣品B1—B4的熒光光譜測試結(jié)果(a)樣品B1—B5的熒光強(qiáng)度隨Nb2O5濃度變化圖，(b)1.47，1.8μm處熒光強(qiáng)度隨Nb2O5濃度的變化

研究表明［16］，Nb在氧化物玻璃中通常形成［NbO6］八面體和［NbO4］四面體兩種配位結(jié)構(gòu)，形成了Nb—O—Ge新鍵及NbO雙鍵，這些鍵具有高溫穩(wěn)定性，隨著Nb2O5含量的增加，玻璃中這些鍵的含量增加，玻璃網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的緊密性增強(qiáng)，這解釋了此系列玻璃熱穩(wěn)定性增強(qiáng)的原因.

為了進(jìn)一步研究Nb2O5含量對玻璃性質(zhì)的影響，我們分別測定了玻璃的紅外透過光譜和拉曼光譜.圖9為玻璃樣品B1，B2，B3(A4)，B4，B5在450—1300cm－1范圍內(nèi)的紅外透過光譜.從樣品的透過光譜可看出主要有比較大的的兩個(gè)吸收帶所組成，即490—650cm－1，650—1050cm，－1其中，490—650cm－1的吸收可能由Ge—O—Ge的伸縮振動［17，18］及Nb—O的伸縮振動和Nb—O—Nb的彎曲振動［19］;650—830cm－1處的吸收歸因于玻璃中［GeO4］四面體結(jié)構(gòu)單元［17］的伸縮振動和O—Nb—O的振動［20］;830—1050cm－1的吸收是由于O—Ge—O的伸縮振動［21］.

從圖9可以看出，隨著Nb2O5從1 mol%逐步增加到8 mol%，490—650cm－1的吸收，即先減小，再增大，然后再減小.我們可以推斷，在Nb2O5從1 mol%逐步增加到8mol%的過程中，［NbO6］八面體的含量先減小后增大，最后又減少.在Nb2O5含量為2 mol%時(shí)，［NbO6］的量最少，這時(shí)490—650cm－1的吸收最弱.當(dāng)Nb2O5達(dá)到時(shí)4 mol%時(shí)，［NbO6］八面體含量最多，490—650cm－1的吸收最強(qiáng).Nb2O5繼續(xù)增大時(shí)，［NbO4］含量開始占主導(dǎo)地位，引起吸收峰的減弱.

圖9 樣品B1—B5的紅外透過光譜

圖10為樣品B1到B5的Raman光譜.該鍺酸鹽玻璃的最大聲子能量約為806cm－1，它小于硅酸鹽玻璃(約1100cm－1).該玻璃的Raman光譜主要由121cm－1弱峰和470，806cm－1兩個(gè)強(qiáng)峰組成. 121cm－1處的弱峰對應(yīng)著［NbO6］基團(tuán)中Nb—O鍵振動［22，23］，470cm－1處的強(qiáng)譜峰可能由于Ge—O—Ge的伸縮振動及引起，806cm－1處的峰歸因于玻璃中［GeO4］四面體和［NbO4］四面體結(jié)構(gòu)單元的伸縮運(yùn)動.

由圖10可知，Nb2O5含量為2 mol%時(shí)，121cm－1處峰值最小.說明［NbO6］八面體含量最少.當(dāng)Nb2O5含量為4 mol%時(shí)，此Raman峰值最大，［NbO6］八面體含量最多，此時(shí)的熒光強(qiáng)度最小，其Ω2和Ω6也明顯減小，由此可以推斷，隨著Nb2O5含量的增加，部分［NbO4］四面體轉(zhuǎn)換成［NbO6］八面體，［NbO4］四面體和［NbO6］八面體的轉(zhuǎn)變引起了一定程度的玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化，進(jìn)而影響了熒光強(qiáng)度，J-O參數(shù)和自發(fā)輻射躍遷概率的變化.熒光強(qiáng)度是由稀土離子的交叉弛豫而引起的，當(dāng)［NbO6］含量較大時(shí)，Tm3+與Tm3+之間的間隔變大，交叉弛豫效應(yīng)變?nèi)?，?dǎo)致熒光強(qiáng)度變小.

圖10 樣品B1—B5的Raman光譜

5. 結(jié)論

86GeO2-4Nb2O5-10Na2O系統(tǒng)玻璃具有較好的熱穩(wěn)定性.在808nm的LD激發(fā)下，當(dāng)Tm2O3摻雜濃度約在質(zhì)量百分比濃度為3%左右時(shí)1.8μm波段的熒光發(fā)射強(qiáng)度最大;Tm3+摻雜玻璃樣品A4的三個(gè)J-O參數(shù)Ωt值大約分別為Ω2=4.31×10－20cm2，Ω4=0.75×10－20cm2，Ω6=0.79×10－20cm2; Tm3+的3F4→3H6躍遷的最大吸收截面和發(fā)射截面分別為0.3634×10－20cm2和0.3894×10－20cm2.

在Tm2O3(質(zhì)量百分比濃度為4%)摻雜(90－x)GeO2-xNb2O5-10Na2O系統(tǒng)中，Nb2O5的適量加入能提高鍺酸鹽玻璃的熱穩(wěn)定性.當(dāng)Nb2O5含量為摩爾分?jǐn)?shù)8%時(shí)，Ω2和Ω6達(dá)到最大.隨著Nb2O5含量的增加，鍺酸鹽玻璃的峰值受激發(fā)射截面基本呈先增大再減小，最后又增大的趨勢，故可通過調(diào)整Nb2O5的摻雜量，改變玻璃的受激發(fā)射截面.隨著Nb2O5含量的增加，樣品的熒光強(qiáng)度也發(fā)生一定變化，在Nb2O5含量為摩爾分?jǐn)?shù)2%時(shí)，熒光強(qiáng)度最大，這主要是由玻璃中［NbO4］四面體和［NbO6］八面體之間的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換與相對含量的變化所引起，二者的相互轉(zhuǎn)變在一定程度上也影響了強(qiáng)度參數(shù)、發(fā)射截面和自發(fā)輻射躍遷概率的變化.

［1］Balda R，Lacha L M，F(xiàn)ernandez J，F(xiàn)ernandez-Navarro J M 2005 Opt.Mater.27 1771

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PACC:7855，4270C，7430E，7820

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.60777030)，the Doctral Open Foundation of Ningbo，China (Grant No.2007A22010)，and K.C.Wong Magna Fund in Ningbo University，China.

?E-mail:yongchao611@163.com

Germanium-niobate glasses doped with Tm3+and their Infrared spectral properties*

Wang Yong-Chao1)?Xia Hai-Ping1)Zhang Jian-Li1)Zhang Qin-Yuan2)
1)(Laboratory of Photo-electronic Materials，Ningbo University，Ningbo315211，China)
2)(Key Laboratory of Specially Functional Materials of Ministry of Education and Institute of Optical Communication Materials，South China University of Technology，Guangzhou510641，China)
(Received 6 December 2009;revised manuscript received 25 December 2009)

Glasses with the compositions of(90－x)GeO2-xNb2O5-10Na2O(x=1，2，4，6，8 molar ratio)doped with Tm2O3at the same concentration(4wt%)and 86GeO2-4Nb2O5-10Na2O dore at different concentrations were fabricated respectively by conventional melting method.The effects of Nb2O5content on glass stability，fluorescence strength and J-O strength parameters were studied.According to the Judd-Ofelt theory，the J-O strength parameters(Ω2，Ω4，Ω6)of Tm3+in different Nb2O5concentration were calculated，with which the radiative transition probabilities，branching ratios and radiative lifetime were obtained.Meanwhile，according to the McCumber theory，the absorption and emission crosssections corresponding to the3F4→3H6transitions of Tm3+at 1.8μm were obtained.The gain cross sectionwas calculated by using the emission cross-section，absorbtion cross section and Tm3+concentration.The fluorescence features (under 808nm LD excitation)at～1.47 and～1.8μm of Tm3+-doped glasses of different concentrations were studied. The fluorescence intensity at～1.8μm reached to the maximum when the Tm2O3-doping concentration was about 3wt%，and then decreased as the doping concentration increased further.The fluorescence intensity at～1.8μm reached to the maximum when the Nb2O5content in glass composition was about 2 mol%.The effects of Nb2O5content on the glass structure and the spectra properties were also discussed.

Tm3+-doped germanium-niobate glasses，infrared spectral properties，cross relaxation;Nb2O5

book=413,ebook=413

*國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號:60777030)，寧波市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(批準(zhǔn)號:2007A22010)，寧波大學(xué)王寬誠幸?；鹳Y助的課題.

?E-mail:yongchao611@163.com