主族金属Bi离子在单晶中能级结构和近红外宽带发光的研究

主族金属离子有望成为继过渡金属离子和稀土离子之后的第三类激活离子，将为激光材料的研究开辟一个新的学科。最近，Bi离子光纤在1000~1600nm近红外波段已获得激光输出。但是，相关的研究工作仍处于探索阶段，关于Bi离子近红外发光的机理和能级分裂原理等方面仍存在丰富的基础科学问题有待人们的研究。.本项目选择具有立方结构的卤化物晶体CsI和BaF2作为Bi离子的掺杂基质，研究基质晶体结构和组成对主族金属Bi离子光谱性能的影响规律，确认Bi离子近红外发光中心的价态和局域配位结构，从实验上揭示Bi离子在配位场中的能级分裂机制，比较明确地给出近红外发光的机理。在此基础上遴选光谱性能较好的晶体材料开展激光实验，最终在单晶体中实现Bi的激光输出。

新离子、新波长是激光材料领域研究的永恒主题。最近十多年，主族金属离子的研究受到人们的重视。主族金属离子的s、p价电子处于原子的电子层的最外层，与配位场相互作用强，容易形成类似于过渡金属离子的超宽带发光光谱，有望首先在全波段光通讯、超快激光和激光导星等领域获得重大应用。但是，相关的研究工作主要集中在Bi掺杂的非晶态的玻璃和光纤。尽管Bi光纤已实现激光运转，但近红外发光机理仍没有形成统一的理论解释。.本项目采用晶格还原机制，选择BaF2晶体作为Bi离子掺杂的基质，通过γ射线辐照等方法首次实现了Bi 离子的近红外宽带发光，有力地证明了近红外发光中心为低价态的Bi 离子（Bi+或包含低价态Bi 的团簇）。在此基础上，首次采用CsI晶体作为基质，研究表明Bi离子在CsI晶体中更容易形成近红外宽带发光中心。通过光谱性能测试、热处理实验和ESR谱，进一步确定Bi:CsI晶体中近红外发光中心为Bi+、Bi2+，并建立了Bi3+转变成Bi+、Bi2+的晶格还原结构模型。而且，Bi:CsI晶体中Bi2+的发光波长位于人眼安全的1.5μm波段，并展现出优异的光谱特性：半高宽为140nm，是Er玻璃（40nm）的3倍多；激光振荡参数σem×τem为1.79×10-23 cm2s，比钛宝石（1.58×10-24 cm2s）大一个数量级。相关研究成果在Optics Letters、Optics Express、Optical Materials Express等国际知名刊物上发表SCI收录论文17篇，申请发明专利3项。.本项目在单晶体中实现了Bi离子的近红外宽带发光的突破，首次明确地给出了Bi离子近红外发光中心的起源。本项目的研究工作对主族金属Bi离子激光材料的发展作出了一定的贡献。