用于中红外光纤激光输出的低损耗高增益荧光纳米晶掺杂玻璃

Mid-infrared fiber lasers (MIR-FL) have attracted great attention owing to their potential applications in laser radar, medical treatment, and remote sensing, etc. Our project is focusing on the research of the gain medium of MIR-FL. Herein, we try to resolve this bottleneck problem by developing the novel MIR luminescent nanocrystals-doped glass as gain medium. Firstly, we synthesize mono-dispersed RE-doped nanocrystals by chemical method. After the dehydration of as-prepared RE-doped nanocrystals, the nanocrystals can exhibit intense MIR emission. Secondly, utilizing time-resolved luminescence spectra, the MIR emission mechanism of RE-single/co-doped nanocrystals can be founded. Thirdly, MIR luminescent nanocrystals-doped glass is prepared utilizing novel modified co-melting technique. Based on the above experimental process, we will try to clarify series of scientific problems about the dynamic migration, ablation and evolution mechanism during the co-melting process. Finally, MIR luminescent nanocrystals-doped glass with low-loss and high-gain is developed, which is expected to work as high gain MIR glass fibers and the key gain medium of MIR-FL.

中红外光纤激光器在激光雷达、生物医疗、遥感等领域具有重要的应用前景。本项目瞄准解决"中红外光纤激光器核心增益介质"这一前沿课题，提出利用中红外荧光纳米晶掺杂玻璃来解决中红外玻璃光纤及光纤激光器存在的瓶颈问题。项目将围绕单分散稀土掺杂纳米晶的可控合成、分散和羟基去除，实现纳米晶的高量子效率中红外荧光发射；研究稀土离子共掺的离子间能量传递原理和发光增强机制；利用改良的共融技术制备中红外荧光纳米晶掺杂玻璃，探讨纳米晶与玻璃基质共融复合过程中，纳米晶的迁移、消融与演变的动力学过程，以及纳米晶与玻璃基质界面对光学性能的影响规律；开拓低损耗高增益纳米晶掺杂玻璃制备新技术，为中红外玻璃光纤及光纤激光器的发展奠定科学依据与物质基础！

中红外光纤激光器在激光雷达、生物医疗、遥感等领域具有重要的应用前景。本项目瞄准解决“中红外光纤激光器核心增益介质”这一前沿课题，提出利用中红外荧光纳米晶掺杂玻璃来解决中红外玻璃光纤及光纤激光器存在的瓶颈问题。采用水热、共沉淀等方法，合成多种形貌、尺寸可控，单分散性良好的Er3+掺杂纳米晶，例如氟化物、氟氧化物、硫化物等。选择980 nm激光作为激发源，在合成的Er3+掺杂纳米晶中均实现中红外荧光输出。通过光致发光、荧光寿命等光学特性的测试，探究了Er3+在纳米晶中的发光机制，并建立了能级示意图，为其他Er3+掺杂纳米晶实现中红外荧光输出提供参考。选择NH4HF作为除羟基剂，结合热处理，有效消除了纳米晶中的羟基，进一步实现了纳米晶的高效中红外荧光发射。研究了不同的玻璃基质特性，相较于其他玻璃基质，碲酸盐玻璃具有更低的声子能量，良好的中红外透过率，更适合用于制备纳米晶掺杂玻璃复合材料。因此，选择碲酸盐玻璃作为基质玻璃，Er3+掺杂YOF纳米晶作为代表纳米晶，利用改良的共融技术获得具有优异的中红外荧光特性及高透过率的纳米晶掺杂玻璃，并探讨了纳米晶与玻璃共融复合过程中，纳米晶的迁移、消融与演变的动力学过程，以及纳米晶与玻璃基质界面对于光学性能的影响规律。同时，明确了纳米晶掺杂玻璃的制备工艺：纳米晶最佳掺量为5%，最佳共融温度为500oC，最佳共融时间为10 min，为其他纳米晶掺杂玻璃的制备提供参考。此外，探究了Er3+掺杂微晶玻璃光纤在中红外波段的激光特性，为中红外纳米晶掺杂玻璃的光纤拉制、以及实现中红外光纤激光提供指导。本项目开拓了低损耗高增益纳米晶掺杂玻璃制备新技术，为中红外玻璃光纤及光纤激光器的发展奠定科学依据与物质基础。