Er/Ce共掺铋硼酸盐玻璃的光谱性质研究(4)

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2.3 Er、Ce离子的掺杂

所谓的稀土离子，根据国际通用理论，指的是元素周期表上的第三族副族上的钪（Sc）和钇（Y），加上15个镧系元素，它们的原子序数分别为57~71。这样的17个元素的合称称为稀土离子。

稀土离子不仅能够表现出多重的激发态能级，可跃迁的电子能级也极为的丰富，可以产生涉及紫外波段、可见波段、甚至红外波段光谱范围内的跃迁和辐射，因此常在各种光学材料中作为激活离子或者敏化离子起到各自的特殊作用。论文网

大部分原子都由于自身最外层电子数的不同而表现出不同且独有的性质。而稀土离子这种特殊的性质也都与其特殊的结构有所关联。稀土离子的4f电子结构在其它离子中表现出独特性，含有4f电子的稀土离子，能够受到外层为5S2以及5P6满电子壳层的屏蔽作用，因此自身所受到的电磁场以及配位场等的外界因素风影响也较为不明显，使其表现出复杂的光学性能。研究表明，稀土离子在被加入后可以大大提高光学玻璃的非线性光学性能。因此，这些离子的使用可以有助于扩展光学玻璃在光学材料中的应用。在众多的稀土离子当中，Er离子在近红外波段和近紫外波段表现出丰富的能级。Er离子所掺杂的光学玻璃已经表现出优秀的红外发光性能以及红外转换性能，是红外激光器、红外光通信有源波导器件以及短波长发光及激光器件的重要备选材料。

然而目前，网络信息的发展使得光纤通讯成为了人们口中的热门议题。人们日常生活对于光纤通讯的要求也不断提高。相比传统的石英光纤，玻璃光纤具有低成本，高掺杂浓度的优点。而Er离子能在1500nm波段发光表现出比较宽的增益带宽，在不同基质的玻璃中都表现出优异的光学特性，所以用Er离子的特殊发光性能来解决光路中继的问题的材料十分适合。因此，掺Er光纤放大器（EDFA）的研究也成为了重要课题。

在掺铒光纤放大器（EDFA）出现之前，每当光纤通信中光信号发生衰减时，需要在光路中设置一个能够对光学信号进行补偿的电子再生装置来完成原本的光路进程。然后这个电子再生装置补偿光信号的补偿过程速度过慢、经济代价高昂，同时也很大程度上限制了光信号原本所能传输的容量以及带宽等参数。然而掺铒光纤放大器（EDFA）的出现，使得光信号直接被放大，从而有效避免了在传统光路（光-电-光）的过程中不必要的能量损失，成功实现了真正意义上的光通信，并且使得通讯的距离更长，范围更大。在现今实际的光通信中所应用的光放大器多为石英基质的掺Er放大器，其平均的增益带宽的范围只有35nm左右，为1530nm-1565nm，很大程度上约束了传输波长的信道数。而面对网络技术的发张和人们对自身生活品质的不断追求，必须研究具备更高的信道数、更高的增益带宽的光放大器，而掺Er光放大器就是其中一个重要的研究方向。

据研究表明，一些稀土离子，如Er离子、Pr离子、Tm离子等在玻璃中的浓度比例与光输出强度有一定的比例关系，而Yb2O3经常作为掺杂玻璃中的敏化剂来加强铒离子的发光。然而据各国学者发现，铈离子也能达到相同的敏化效果，于是铒铈共掺成为了新的研究对象。

玻璃中氧化铈的掺入不仅能够降低玻璃的粘性还能够达到消除气泡的作用、甚至还有澄清玻璃液的效果，并且能够使制备出来的光学玻璃结构紧凑，提高制得的玻璃的材料力学能力以及耐碱程度，甚至能够影响材料的化学稳定性以及热扩展系数。

由于三价Ce离子的4f-5d中有奇偶允许的电偶极跃迁的存在，三价Ce离子在玻璃和固体中能够表现出有效的宽带发射，在许多双掺杂的光学玻璃材料中用作较好的增敏剂。Ce3+有能力在不同环境的偶极矩下发射出电偶极子，这使得Ce3+能够具备目的性的发射电偶极子来研究辐射寿命在局部场效应下的表现。同时Ce3+离子也易烧结成型，而其制成玻璃的折射率会随着重金属氧化物的含量加入或改变而产生对应的变化。