分别以铝、铒、镱为靶材,采用脉冲激光沉积技术(PLD),在二氧化硅/硅基底上沉积镱、铒共掺的三氧化二铝薄膜。利用原子力显微镜(AFM)、单色仪等分析手段,研究了薄膜的表面形貌、光致发光强度(PL)等性质。优化了氧分压和靶间距两个重要工艺参数。光致发光强度提高14倍,半峰宽提高了70nm。

用脉冲激光沉积方法,以多靶交替溅射方式,在SiO2/Si基底上沉积镱铒共掺Al2O3光学薄膜,讨论了脉冲激光能量对薄膜沉积速率、表面形貌、光致发光强度的影响.在脉冲激光能量较高条件下制备出的薄膜的光致发光性能较好,脉冲激光能量较低条件下制备出的薄膜的表面形貌较均匀.综合放大器增益系数对光致发光强度和光刻工艺对薄膜表面形貌的要求,薄膜应该在合适的激光能量下制备.脉冲激光溅射沉积方法与中频磁控溅射方法相比,在抑制上转换发光方面具有优越性.

制作了系列Er3+/Yb3+共掺硅酸盐玻璃,结合Er3+-Yb3+之间的能量传递模型,对Er3+/Yb3+掺杂样品不同波段的发射光谱进行了测量和分析.结果表明,Er3+/Yb3+掺杂浓度对红外荧光强度、半峰全宽及上转换可见光都有显著的影响;Yb3+离子的引入导致Er3+/Yb3+离子单元的等效受激吸收几率增大,使Er3+离子的激活度增加,引起Er3+离子的红外荧光和上转换发光的同步增强.

研究了掺铒硅酸盐玻璃上转换发光强度随温度的变化,结果显示上转换光强随温度呈增强趋势利用速率方程,结合与温度有关的多声子辅助激发和无辐射跃迁过程建立了理论模型,并与实验进行比较,结果相一致讨论了峰值波长分别为534 nm和549 nm的两个波段的上转换发光强度比值与温度的关系,并给出了理论上的解释研究结果显示掺铒硅酸盐玻璃适合于做基于峰值比的温度传感材料.

讨论了激光退火工艺参量对镱铒共掺Al2O3薄膜表面形貌和退火均匀性的影响。薄膜样品被置放于衰减扩束透镜的3倍焦距位置时,薄膜上8 mm半径区域内近似均匀退火;退火时间为32 s时,表面形貌与退火前基本相同。阈值退火功率为5 W,最佳退火功率为20 W。对相同工艺制备的镱铒共掺Al2O3薄膜分别进行CO2激光退火和热退火处理,光致发光(PL)谱测量表明,前者峰值强度比后者强10倍以上,并且热退火光致发光强度随抽运功率增加出现饱和、下降,而激光退火近似随抽运功率单调线性增强。

抽运波长为0.98 μm时,考虑合作上转换、交叉弛豫、激发态吸收等上转换机理给出了掺Er及Yb-Er共掺系统的速率方程,并利用二维波导的有限元理论及包含正反向放大的自发辐射的场传输方程,建立了一套分析光波导放大器增益特性的综合理论模型。得到掺Er及Yb-Er共掺Al2O3光波导放大器增益与波导长度、抽运功率、掺杂浓度等多个参量的关系,绘制出具有实用性的优化设计曲线。将该理论模型应用于实际制作的Yb-Er共掺Al2O3光波导放大器,结果与实验数据相符。

用中频磁控溅射方法在SiO₂／Si基底上制备了五组固定掺铒浓度不同镱铒浓度比率的镱铒共掺Al₂O₃薄膜样品．室温下测量了薄膜在1．430μm～1．630μm波段范围内光致发光光谱．研究发现，镱的掺入有效地提高了三价铒离子的光致发光强度，最优的镱铒掺杂为：掺铒0．33mol%，Yb³⁺∶Er³⁺=10∶1，比相同掺铒浓度单掺铒样品光致发光峰值强度增强40倍；确定的掺铒浓度，有着固定的最佳镱铒浓度比率，主要是镱铒离子间的正向和反向能量传递相互作用的结果，但最佳镱铒浓度比率随着掺铒浓度的增加呈现下降趋势；单掺铒薄膜的光致发光峰值强度随掺铒浓度呈现近Gauss形状变化，而最佳镱铒共掺样品的光致发光峰值强度随掺铒浓度呈现了倒Gauss形状变化．

将中频磁控溅射方法沉积制备的镱铒共掺A1₂O₃薄膜刻蚀成矩形截面、直线通道的光波导放大器．测量了净增益与抽运功率的关系，结果表明：净增益随抽运功率近似线性增加，阈值抽运功率为18mW；抽运功率为68mW时，长2．24cm的光波导放大器净增益为8．44dB．数值模拟结果显示，相同抽运功率下的净增益为10．6dB．

构建了纵向阶跃非均匀掺杂的掺铒Al₂O₃光波导放大器理论模型，利用有限元法、速率方程和传输方程，数值模拟了放大器的净增益特性．计算结果表明：阶跃掺杂掺铒Al₂O₃光波导放大器提高了抽运效率，净增益和信号光输出功率比优化后的均匀掺杂光波导放大器分别提高了9．2%和90．5%，长度却缩短了16．9%．

对自制的掺铒、镱铒共掺硅酸盐玻璃1．54 μm荧光寿命进行了测量。实验结果表明：荧光衰减曲线是一条单指数曲线，与理论分析相一致，荧光寿命数量级为ms量级；在所考虑的泵浦功率范围内，两种样品的荧光寿命基本不随功率的变化而变化；荧光寿命随着样品掺铒浓度的增加呈现减小趋势，而在掺铒浓度一定的情况下随掺镱浓度的变化不明显，主要由于受激发的铒离子把能量通过间接耦合给了猝灭中心。