Previsão termodinâmica da zona de formação do vidro germanato de bário e zinco e estudo da emissão co-dopada Yb3+/Ho3+ a 2 μm e do mecanismo de transferência de energia assistida por fônons
摘要
Os lasers de fibra óptica na faixa de 2 μm possuem um valor estratégico insubstituível em sensores de precisão, medicina avançada, comunicações ópticas espaciais e segurança nacional, devido à segurança para os olhos humanos, alta transmitância atmosférica e forte absorção de moléculas de água. Contudo, o design preditivo de materiais de vidro de ganho no infravermelho médio de alto desempenho ainda enfrenta desafios. Este artigo baseia-se no sistema ternário de germanato de bário e zinco (GeO2-ZnO-BaO), utilizando métodos termodinâmicos e experimentos direcionados para prever e validar a zona de formação do vidro (zona formadora), selecionando o componente de vidro matriz 60GeO2-20ZnO-20BaO por sua excelente estabilidade térmica. Com base nisso, por meio de experimentos sistemáticos de gradiente de concentração, determinaram-se as melhores frações molares de dopagem de Yb2O3 e Ho2O3 de 1% e 0,75%, respectivamente. Sob excitação a laser de 980 nm, este vidro apresenta forte emissão fluorescente na faixa de 2 μm (Ho3+：5I7→5I8), com tempo de vida fluorescente de 2,92 ms. As seções eficazes máximas de absorção e emissão de Ho3+ são 4,24×10-21 cm2 e 4,35×10-21 cm2, respectivamente, em níveis elevados entre sistemas de vidro similares. Além disso, por meio do método de integral de sobreposição expandida, revela-se quantitativamente o mecanismo de transferência de energia assistida por fônons no sistema, onde o coeficiente de transferência de energia de Yb3+：2F5/2 para Ho3+：5I6 é 9,88×10-41 cm6·s-1, o processo assistido por fônon único domina (86,37%), e a eficiência da transferência direta é cerca de duas ordens de magnitude maior que a do processo inverso (Ho3+：5I6→Yb3+：2F5/2), beneficiando a redução da perda de retorno de energia. Os resultados indicam que o vidro germanato de bário e zinco co-dopado com Yb3+/Ho3+ selecionado por design termodinâmico apresenta excelente desempenho espectral e eficiente transferência de energia na faixa de 2 μm, com potencial de aplicação como material de ganho para laser no infravermelho médio, fornecendo referência para o projeto de sistemas de vidro relacionados.
关键词
vidro germanato de bário e zinco; previsão termodinâmica; co-dopagem Yb3+/Ho3+; emissão a 2 μm; transferência de energia assistida por fônons
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