本发明涉及上转换发光光纤技术领域，尤其涉及一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤及其制备方法。
背景技术：
上转换发光材料，采用的是反-斯托克斯发光原理(anti-stokes)，即同一个处于基态能级的离子，通过对多个低能量光子的连续吸收达到能量较高的激发态能级的过程，从而获得高能级发光离子的材料，其本质是辐射的能量大于吸收的能量。
稀土掺杂材料应用于可见光上转换发光材料中的特性和能量传递对于上转换光器件的发展有着重要作用。目前，上转换发光材料以硫氧化物和卤化物为主。但此类材料存在发光性能不稳定、发光色纯度不高以及制备过程繁琐等问题。在众多稀土离子中，铒离子(er3 )具有丰富的能级，是应用于上转换固体激光器的优选离子之一。镱离子(yb3 )能级结构简单，对976nm的光波长具有较大的吸收截面和发射截面，能够进行高效吸收，可用作有效的光敏剂，将对近红外波长吸收的能量传递给er3 ，使er3 离子发生能级跃迁，实现发光。
相比其他类型的上转换发光材料，石英基质光纤具有弯曲性能好，化学和机械强度高，激光损伤阈值高等诸多优点，对于工业化实际应用至关重要。而石英基质的空间网络以硅氧四面体[sio4]结构单元为主，若在硅氧网络空间的结构中直接掺入稀土离子，由于空间位置有限，稀土离子之间容易发生团簇，造成稀土离子的荧光猝灭浓度偏低，发光性能的不稳定。同时，对于铒镱共掺的石英基质上转化发光光纤的研究尚未见相关报道。
技术实现要素：
有鉴于此，有必要的针对问题，本发明提供一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤及其制备方法，旨在以氧化铝改性的石英玻璃为基质，通过共同掺入er3 和yb3 获得发光纯度较高的上转化发光光纤。
为实现上述目的，本发明提出一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤，其化学组分及其质量百分比含量如下：96.24sio2-2.50al2o3-0.62er2o3-0.64yb2o3。
本发明还提出一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的制备方法，该制备方法包括以下步骤：
(1)按组分和含量比例计算并称取反应原料，加入反应器中充分混合均匀，在反应气体保护下加热反应去除羟基，得到铒镱共掺混合粉末；
(2)采用保护气体将步骤(1)中所得粉末吹送至石英母棒顶部，利用二氧化碳激光对粉末进行高温熔炼，熔融至液态，然后使反应温度降至室温，得到铒镱共掺石英棒；
(3)利用步骤(2)获得的铒镱共掺石英棒作为光纤预制棒的纤芯，使用毛细管堆积技术制备得到铒镱共掺的石英基质上转换光纤预制棒；
(4)将步骤(3)中所得的铒镱共掺的石英基质上转换光纤预制棒安装于特种光纤拉丝塔上，于1800℃至2000℃温度范围内拉伸后即可。
优选地，所述步骤(1)中的反应气体为氧气和氯气的混合气体。
本发明技术方案通过采用氧化铝对石英玻璃进行改性，形成sio2-al2o3的石英基质材料，通过氧化铝参与硅氧四面体空间网络的构建，不仅提高基质的稳定性，并能在一定程度上降低玻璃基体的声子能量。更重要的是，al3 离子周围氧原子的共价电子可以与稀土离子的电荷进行补偿，形成al-o-re键，从而使石英基质的网络空间增大，使稀土离子能均匀的分散于氧化铝基体中，有效阻碍稀土离子的团簇，提高稀土离子的荧光淬灭浓度，增强上转化发光光纤的稳定性。同时，稀土离子采用er3 和yb3 ，利用yb3 为敏化剂，er3 为激活离子，使yb3 吸收近红外光子后跃迁到激发态，随后将能量传递给er3 离子，使4i15/2基态的电子最终跃迁至4f7/2激发态，以实现上转换发光，制得铒镱共掺石英基质上转换发光光纤。
本发明技术方案的有益技术效果如下：
1、本发明提供的铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤，以热稳定性好的石英为基质，易于实现稀土离子的高效掺杂，发光性能稳定，发光色纯度较高，重复性较好，在光纤通讯技术、激光器和放大器、激光防伪、上转换发光显示器、硅太阳能电池光转换材料、荧光探针等方面具有广阔的应用前景。
2、本发明提供的铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的制备方法简单，设备的要求较低，化学和机械性能更加稳定，适合工业生产。
3、本发明使用的石英基质原材料来源丰富，成本较低，无废水无毒，对环境友好。
附图说明
图1为本发明提供的一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的x射线衍射分析谱图。
图2为本发明提供的一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的背向散射扫描电子显微镜图。
图3为本发明提供的一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的能谱图。
图4为本发明提供的一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的上转换发射光谱图。
图5为本发明提供的一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤于不同长度下在980nm激光激发下的上转换发射光谱图。
图6为本发明提供的一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤在980nm激光不同功率激发下的上转换发射光谱图。
图7为本发明提供的一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的上转换发光强度与激光器的激发功率之间的双对数图。
具体实施方式
下面将结合本发明的具体实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤，其化学组分及其质量百分比含量如下：96.24sio2-2.50al2o3-0.62er2o3-0.64yb2o3。其制备步骤具体如下：
(1)以反应物100g为例，按照上述配比分别称取sio296.24g、al2o32.50g、er2o30.62g、yb2o30.64g，加入反应器中充分混合均匀，在氧气和氯气的保护下加热反应去除羟基，得到铒镱共掺混合粉末；
(2)采用保护气体将步骤(1)中所得粉末吹送至石英母棒顶部，利用二氧化碳激光对粉末进行高温熔炼，升温高达2000℃，使粉末熔融成液态，将石英母棒一边旋转一边下降离开熔融区，待温度降低至室温后，制得铒镱共掺透明玻璃棒，将制备好的铒镱共掺透明玻璃棒切割成长度为15cm的棒，然后用磨抛机对玻璃进行研磨和抛光，最终获得直径为10cm的均匀铒镱共掺石英棒；
(3)利用步骤(2)获得的铒镱共掺石英棒作为光纤预制棒的纤芯，使用毛细管堆积技术制备得到铒镱共掺的石英基质上转换光纤预制棒；
(4)将步骤(3)中所得的铒镱共掺的石英基质上转换光纤预制棒安装于特种光纤拉丝塔上，于1800℃至2000℃温度范围内拉伸拉制成铒镱共掺石英基质光纤。
采用x射线衍射分析确定上述制得的铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的晶体结构，请参见附图1，结果表明，本发明提供的铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤为非晶体结构。
采用背向散射扫描电子显微镜测量上述铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的端面形貌，请参见附图2。
采用x射线能谱仪分析上述铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的成分，请参见附图3，能谱图上显示有明显的er、yb、al、si和o元素的特征能谱峰，表明上述铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤由er、yb、al、si和o元素组成(图中未标记的两个小峰来源于扫描电镜制样时表面镀的pt导电层)。
采用荧光光谱仪对铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的上转换发光光谱进行测量，在980nm半导体激光器激发下，铒镱共掺石英光纤的上转换发射光谱见附图4，从图中可见，发光光纤的3个发射峰分别位于波长为530nm、546nm和661nm，其中530nm和546nm处的绿光发射峰分别对应于er3 的2h11/2→4i15/2、4s3/2→4i15/2的跃迁，661nm处的红光发射峰对应于er3 的4f9/2→4i15/2的跃迁。
同时，对不同长度的铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的上转换发射光谱进行测量，请参见附图5。改变半导体激光器的激发功率，测定不同激发功率下铒镱共掺石英光纤样品在530nm、546nm和661nm处的发光强度，请参见附图6。并对附图6的发光强度以及激发功率取双对数进行拟合，得到上转换发光强度与激光器的激发功率之间的双对数图，请参见附图7所示。由图7可获得，530nm、546nm和661nm波长处的斜率分别为1.99、1.82、1.41，这表明绿光与红光发射均为双光子过程。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
1.一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤，其特征在于，其化学组分及其质量百分比含量如下：96.24sio2-2.50al2o3-0.62er2o3-0.64yb2o3。
2.一种如权利要求1所述的铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)按组分和含量比例计算并称取反应原料，加入反应器中充分混合均匀，在反应气体保护下加热反应去除羟基，得到铒镱共掺混合粉末；
(2)采用保护气体将步骤(1)中所得粉末吹送至石英母棒顶部，利用二氧化碳激光对粉末进行高温熔炼，熔融至液态，然后使反应温度降至室温，得到铒镱共掺石英棒；
(3)利用步骤(2)获得的铒镱共掺石英棒作为光纤预制棒的纤芯，使用毛细管堆积技术制备得到铒镱共掺的石英基质上转换光纤预制棒；
(4)将步骤(3)中所得的铒镱共掺的石英基质上转换光纤预制棒安装于特种光纤拉丝塔上，于1800℃至2000℃温度范围内拉伸后即可。
3.如权利要求2所述的一种铒镱共掺的石英基质上转换发光光纤的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中的反应气体为氧气和氯气的混合气体。
技术总结