镱铒共掺硅酸盐玻璃1530，664，549nm光致发光特性数值分析

【摘要】：稀土铒三价离子在光放大器、激光器和光学温度传感器等应用中具有巨大的潜力。镱离子在掺铒材料中的植入,可以显著地提高铒离子的抽运效率、改善光致发光特性。但是镱铒共掺材料中,掺铒浓度、掺镱浓度和镱铒掺杂比等参量选择的差异对铒离子红外波段、可见光波段的光致发光强度产生的影响不同。已有文献在理论分析镱铒共掺材料光致发光特性和光波导放大器净增益特性时,将铒离子的合作上转换系数、激发态吸收系数和交叉弛豫系数等上转换参量作为常数处理,虽然给出一些有意义的结果,然而也有些实验现象不能得到合理的解释,如不同波段光致发光强度与镱铒掺杂浓度、抽运功率之间的关系等。本文中,考虑激发态吸收、两级合作上转换和交叉弛豫等非线性效应,建立了镱铒共掺硅酸盐玻璃样品的九个能级的11个速率方程。唯象地构造了上述3个上转换系数随镱铒掺杂浓度的变化函数,并数值模拟、定性分析了980 nm 激光器抽运下,1530,664,549 nm 三个波段的光致发光强度与镱铒掺杂浓度(比值)、抽运功率的变化关系。计算结果表明：1)掺饵浓度1×10~(20) cm~(-3)、抽运功率100 mW 一定,掺镱浓度由0增加到4×10~(21)cm~(-3)时,549 nm 和 664 nm 光致发光强度单调增长,前者强度约为后者的两倍；但对于1530 nm 光致发光强度而言,计算范围内其强度明显大于上转换的红绿波段光致发光强度,并且有一最佳的掺镱浓度1．1×10~(21)cm~(-3),即优化的镱铒比为11：1。2)掺镱浓度2×10~(21)cm~(-3)、抽运功率100 mW 一定,掺铒浓度由0．1×10~(21)cm~(-3)增加到1×10~(21)cm~(-3)时,1530 nm 光致发光强度初始增加较快, 但掺杂浓度大于2×10~(20)cm~(-3)出现饱和,而549 nm 和664 nm 光致发光强度仍然单调增长, 且增强速率越来越快。3)掺铒、掺镱浓度一定,抽运功率由10mW 变化到1000 mW 时,3 种光的荧光强度变化与而浓度变化趋势相似,但随抽运功率增加,可见光光致发光强度增强速率也趋缓。4)随掺铒浓度的增加,1530 nm 光致发光最佳镱铒比下降,可见光则相反。数值模拟结果不仅与镱铒共掺硅酸盐对应波段光致发光强度测量相吻合,也解释了镱饵共掺 Al_2O_3薄膜1530 nm 光致发光的测量结果。