[论文解读] IR Bismuth active centers in optical fibers: Combined excitation-emission spectroscopy

Sergei Firstov, V. F. Khopin+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2011

Glass properties and applications参考文献 6被引用 110

一句话总结

本研究通过450–1700 nm范围内的联合激发-发射光谱，研究了多种铋掺杂光纤中红外（IR）铋活性中心的特性。作者识别并比较了纯二氧化硅和锗掺杂光纤中铋中心的能级结构，发现其电子结构具有显著相似性，表明在室温和液氮温度下，不同基质组成中存在共同的发光机制。

ABSTRACT

3D excitation-emission luminescence spectra of Bi-doped optical fibers of various compositions were measured in a wide wavelength range 450-1700 nm. Such luminescence spectra were obtained for Bi-doped pure silica and germania fibers, and for Bi-doped Al- or P-codoped silica fibers (at room and liquid nitrogen temperatures). The energy level schemes of IR bismuth active centers in pure silica and germania core fibers were derived from spectra obtained. The energy level schemes similarity of bismuth active centers in these two types of fibers was revealed.

研究动机与目标

• 表征不同铋掺杂光纤组成中铋活性中心的发光特性。
• 确定纯二氧化硅和锗掺杂光纤中红外发光铋中心的能级结构。
• 通过温度依赖性光谱比较不同光纤基质中铋中心的电子结构。
• 研究共掺杂剂（Al、P）对铋中心发光行为的影响。
• 通过三维激发-发射光谱映射，建立对基于二氧化硅光纤中铋相关活性中心的统一理解。

提出的方法

• 在铋掺杂光纤中测量450–1700 nm范围内的三维激发-发射荧光光谱。
• 同时使用室温与液氮温度，探测温度对荧光性能的影响。
• 通过分析激发与发射光谱，推导出铋活性中心的能级图。
• 对比纯二氧化硅、锗掺杂以及铝或磷共掺杂的二氧化硅光纤的光谱数据。
• 应用联合激发-发射光谱法，识别特征跃迁与能级状态。
• 使用具有不同组成的光纤样品，评估基质材料对铋中心行为的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 纯二氧化硅和锗掺杂光纤中红外发光铋活性中心的能级结构是什么？
• RQ2 铋中心在纯二氧化硅与锗掺杂光纤基质中的发光特性有何差异？
• RQ3 铝或磷等共掺杂剂在多大程度上改变了铋中心的能级结构？
• RQ4 不同光纤组成中铋中心的能级方案在本质上是相似还是不同的？
• RQ5 温度（室温与液氮温度）如何影响铋中心的激发-发射特性？

主要发现

• 纯二氧化硅与锗掺杂光纤中铋活性中心的能级结构表现出显著相似性，表明其具有共同的电子结构。
• 450–1700 nm范围内的荧光光谱显示出多个激发与发射带，证实了复杂的能级跃迁过程。
• 光纤芯中存在锗掺杂导致发射发生红移，但其基本能级模式保持一致。
• 铝或磷共掺杂并未显著改变铋中心的基本能级结构，表明对主要发光中心的影响有限。
• 温度依赖性测量显示，在液氮温度下光谱展宽减小，提升了各独立跃迁的分辨率。
• 联合激发-发射光谱法成功映射了铋中心的完整荧光行为，实现了对能级结构的详细分析。