铋掺杂溶胶凝胶玻璃: 新型超宽带可调光通讯材料

Bismuth doped materials show ultra-broadband tunable luminescence covering 1000～1600nm wavelength region excited within 380~1000nm wavelength region. Such tunable ultra-broadband luminescence of bismuth-doped glasses indicate that these glasses can be expected to make a breakthrough overcome the narrow tunable bandwidth of solid state laser and optical amplifier, and low data-carrying capacity of present optical communication. This project is aimed to develop such ultra-broadband luminescence material and high efficient solar conversion materials, on the base of our recently developed high aluminum content mesoporous such as AlPO4, AlPO4-SiO2, and Al2O3-SiO2, and so on, glasses by sol gel processing, through directly- and post- doping high content bismuth ions. Multiple 1D and 2D solid state nuclear magnetic resonance (NMR) techniques will be used to study the distribution and local environment within the glass matrix, and the oxidation state of bismuth. Furthermore, the relationship between the optical properties and the corresponding local structure will be studied.Finally, novel high efficient, tunable ultra-broadband, multiple function optical communication and photoelectric materials are expected to developed.

面向新型红外光通讯材料的应用，铋活性离子掺杂材料在近紫外到近红外范围的超宽带激发下，具有覆盖1000到1600nm的近红外宽带可调发光特性，这种可调谐超宽带近红外发光，有望突破现有固体激光器和光纤放大器可调谐范围窄，光通信容量低的瓶颈。本项目拟以我们最近用溶胶凝胶方法制备的新型高铝介孔AlPO4, AlPO4-SiO2, 和Al2O3-SiO2玻璃作为载体，运用直接掺杂和后掺杂两步混合掺杂法加入高浓度均匀分布的铋活性离子, 发展超宽带发光和高效太阳能光电转换材料。拟用多种1D(1维)和2D(2维)先进固体核磁技术(MAS NMR)研究铋离子在溶胶凝胶法制备的玻璃载体中的空间分布和铋离子局部区域的化学结构，以及活性铋离子的价态，进而研究这些结构特点对应的光学性能。实现铋离子高浓度和低团聚和空间选择性掺杂，发展新型高效率，可调谐超宽带, 多功能光通信材料,光电材料。

随着计算机网络及其它新的数据传输业务的飞速发展, 超高速率、大容量、长距离光纤通信系统成为迫切需求，对作为光纤通信领域的关键器件――光纤放大器在功率、带宽和增益平坦方面提出了新的要。传统的稀土离子掺杂光纤放大器，由于受到f-f跃迁的限制，增益带宽一般为35nm左右，严重限制了光纤放大器的进一步发展。铋掺杂玻璃材料在400~1100nm波段激发下，发射覆盖1000~1700nm 波段的超宽带红外发光，这种超宽带的发光性能使得铋掺杂玻璃材料极有可能被开发为新型超宽带光放大器。但是铋掺杂材料的红外发光特性机理尚不明确，发光强度较弱，光放大效率，以及激光输出效率比较低是铋掺杂材料应用开发的瓶颈所在。针对这些问题本项目用溶胶凝胶与熔融法制备多种特殊组成玻璃，通过多种先进的固态核磁共振技术对玻璃的结构进行超精细的解析，研究玻璃组成与局部结构、发光性能之间的关联。我们研究发现了玻璃基质中一系列新的结构单元、以及各种结构单元之间新的连接方法。发现了铋在磷酸盐玻璃中跟磷氧四面体以共棱的方式连接，并与磷一起形成多种微结构单元，研究了这些微结构对玻璃红外发光性能的影响。针对Al对Bi发光的特殊作用，制备了Al2O3与Bi2O3共掺杂的磷酸盐玻璃，研究了Al与Bi共掺的玻璃中，Al对Bi的微观结构以及对Bi的红外发光的影响，提出了新的Al对Bi发光影响的机理。为了研究铋掺杂玻璃在高能激光方面的潜在应用，我们研究了硅磷酸盐基质玻璃的结构与组成之间的关系，首次精确的解析了玻璃形成体之间的连接形成以及玻璃修饰体在玻璃网络中的分布。为了更好的解析铋掺杂玻璃的结构，发明了几种新的测量相同原子之间偶极-偶极作用强度的固态核磁共振方法。本项目的实施揭示光学玻璃的组成与玻璃结构、性能之间关联，加深了玻璃的微结构认识，丰富了玻璃结构研究方法，对我国开发高性能的光通讯玻璃材料具有重要的现实意义。