Thermodynamische Vorhersage des Glasbildungsbereichs von Barium-Zink-Germanat-Glas und Untersuchung der 2-μm-Emission und des phonon-unterstützten Energietransfermechanismus in Yb3+/Ho3+ ko-dotiertem Glas
摘要
2-μm-Faserlaser besitzen aufgrund ihrer Vorteile wie Augensicherheit, hoher atmosphärischer Durchlässigkeit und starker Absorption durch Wassermoleküle einen unverzichtbaren strategischen Anwendungswert in Bereichen wie präzisen Sensoren, High-End-Medizin, Raumlichtkommunikation und nationaler Sicherheit. Die Vorhersagbarkeit des Designs von leistungsfähigen mittel-infraroten Verstärkungsglasmaterialien stellt jedoch weiterhin eine Herausforderung dar. In dieser Arbeit wurde basierend auf dem ternären System Barium-Zink-Germanat (GeO2-ZnO-BaO) mittels thermodynamischer Methoden und gezielten Experimenten dessen Glasbildungsbereich (kurz Glasbildungszone) vorhergesagt und verifiziert. Dabei wurde die thermisch stabile Zusammensetzung 60GeO2-20ZnO-20BaO als Basissystem ausgewählt. Aufbauend darauf wurden durch systematische Konzentrationsgradientenexperimente die optimalen Dotierkonzentrationen von Yb2O3 und Ho2O3 mit 1 mol% bzw. 0,75 mol% bestimmt. Unter 980 nm Laseranregung zeigt dieses Glas im 2-μm-Bereich (Ho3+：5I7→5I8) eine starke Fluoreszenzemission mit einer Fluoreszenzlebensdauer von 2,92 ms. Die maximalen Absorptions- und Emissionsquerschnitte von Ho3+ betragen jeweils 4,24×10-21 cm2 bzw. 4,35×10-21 cm2 und liegen auf einem hohen Niveau im Vergleich zu ähnlichen Glassystemen. Weiterhin wurde mittels erweiterter Überlappungsintegralmethode der phonon-unterstützte Energietransfermechanismus im System quantitativ aufgedeckt, wobei der Energietransferkoeffizient von Yb3+：2F5/2 zu Ho3+：5I6 9,88×10-41 cm6/s beträgt. Ein einkerniger phonon-unterstützter Prozess dominiert (86,37%) und die Effizienz der Vorwärtsübertragung ist etwa zwei Größenordnungen höher als der Rückwärtstransfer (Ho3+：5I6→ Yb3+：2F5/2), was zur Verringerung von Energieverlusten durch Rückübertragung beiträgt. Die Ergebnisse zeigen, dass das thermodynamisch entworfene und ausgewählte Yb3+/Ho3+ co-dotierte Barium-Zink-Germanat-Glas im 2-μm-Bereich hervorragende spektrale Eigenschaften und effiziente Energietransfereigenschaften besitzt, wodurch es als Verstärkungsmaterial für mittel-infrarote Laser anwendbar ist und eine Referenz für die Gestaltung verwandter Glassysteme bietet.
关键词
Barium-Zink-Germanat-Glas; Thermodynamische Vorhersage; Yb3+/Ho3+ Ko-Dotierung; 2-μm-Emission; phonon-unterstützter Energietransfer
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