掺铒氟碲酸盐透明微晶玻璃的3μm发光特性及其自淬灭效应研究

Owing to the increasing demand for 3 μm laser materials in the military and civil fields, this subject focuses on the basic investigations of a new type of erbium-doped ?uorotellurite glass ceramic as the gain host of mid-infrared laser. Emphasis will be placed on solving the self-quenching problem of the 3 μm fluorescence, according to glass compositions, the local environment of dopants, the content of rare earth ions, codoping sensitizer, dehydration technology and pumping condition, which influence the energy transition and transfer mechanism of rare earth ions. The aim of this subject is to obtain a new host material and its preparation technology for 3 μm mid-infrared fiber laser with lower nonradiative transition probability, higher luminescent efficiency, thermal stability and chemical stability. This work will offer basic data and theory for the development of economic and efficient mid-infrared laser materials.

针对目前民用和军用市场对3 μm激光材料强烈需求的情况，以及国内外在稀土掺杂中红外激光材料发光特性和跃迁机理研究不足的背景下，本项目提出开展一种用于3 μm中红外玻璃光纤激光器的掺铒氟碲酸盐透明微晶玻璃及其发光特性的研究。基于基质组成、晶体场配位环境、稀土离子掺杂浓度、稀土共掺组合方式、除水技术、泵浦条件等因素与稀土离子能量传递机理的内在关联，着重解决制约3 μm激光玻璃发展的关键问题- - 消除荧光自淬灭效应。提出通过基质组成、除水工艺和晶化制度的优化，以及稀土离子共掺等方法，调控稀土离子的能量传递机制，抑制铒离子3 μm发光的荧光自淬灭现象，提高发光效率。通过本项目研究可掌握兼具热稳定性、化学稳定性好、发光效率高等优势的掺铒氟碲酸盐透明微晶玻璃组分和制备技术，为新一代高效率、经济型稀土掺杂中红外激光材料的设计和开发提供科学的基础数据和理论依据。

3 μm波段的稀土掺杂中红外激光玻璃在光谱学、医疗环保及军事等众多领域具有重要的应用需求。但稀土离子通过激发态吸收、交叉弛豫、基质声子辅助和OH-基团吸收等引起荧光自淬灭效应仍制约着激光输出的功率和效率。.本项目主要研究3 μm发光的掺铒氟碲酸盐透明微晶玻璃荧光自淬灭效应的起源、探索抑制荧光自淬灭效应的方法和技术等基础科学问题，取得以下研究成果：.（1）研究了掺铒TeO2-ZnO-ZnF2、TeO2-BaF2-La2O和TeO2–PbO-PbF2玻璃体系中的基质声子能量、晶体场效应与3 μm发光的关系。通过合理设计碲酸盐基质玻璃的组成，稀土离子的含量，结合泵浦条件和稀土离子能级结构，降低荧光自淬灭效应，提高发光效率；通过析晶动力学研究，采用合理的热处理制度，制备出含PbTe3O7纳米晶体的透明碲酸盐玻璃，并使Er3+离子偏聚在PbTe3O7纳米晶中。受局域晶体场效应影响，玻璃对泵浦光的吸收和3μm发光都得到明显提高，受激发射截面达到0.80 × 10−20 cm2。.（2）利用热力学和动力学原理对除水机理进行研究，研究了除水剂、通气时间、气流量等对除水过程的影响，采用反应气氛法将玻璃中OH−的吸收系数降低至0.247 cm-1，这是目前报道的碲酸盐玻璃最好的除水效果。.（3）采用吮吸法制备预制棒，并优化了拉丝制度，成功制备出掺Er3+碲酸盐光纤。基于速率方程和功率传输方程建立理论模型，系统研究了泵浦结构和光纤长度对激光输出功率、斜率效率、激光阈值以及腔内泵浦光和激光分布的影响，预测了工作波长在3 μm的多模阶跃型掺Er3+钡碲酸盐玻璃光纤激光器的可行性。在双向泵浦结构下，泵浦功率为20 W时，可以在2.5 m长的光纤中实现5.219 W的最大输出功率。在后向泵浦结构下使用5 m的光纤可以获得27.62%的最大斜率效率。同时，在前向泵浦结构下采用0.05 m的超短光纤可以实现469.70 mW的最低阈值。进一步地，通过拟合纤芯和包层区域的二维和三维激光功率分布可以发现主模强度集中。这些结果表明这种低损耗的掺Er3+钡碲酸盐玻璃光纤有望成为高效中红外光纤激光器的有力候选基质，并且在性能上可以媲美甚至超越传统的氟化物光纤。