用于增强中红外发光的稀土掺杂硫系玻璃光子晶体的设计与制备研究

Manipulation of photons has become the core study in area of photonics in the 21th century. Photonic crystals, with the characteristic of photonic band gap due to their periodic structures, show great ability to control the emission and propagation of light fields. Chalcogenide glass photonic crystals are novel infrared photonic devices. These devices are based on the chalcogenide glass materials which offer several interesting optical properties, including a large wavelength transparency window, a high refractive index and a very low phonon energy.Chalcogenide glass photonic crystals have broad applications in photonic crystal optical switching, optical amplification, photonic crystal waveguides, photonic crystal fibers, and photonic crystal lasers in the mid-infrared region.In this project,we will focus on the research of design and fabrication of chalcogenide glass photonic crystals for enhancing mid-infrared fluorescence emission. The study includes the following sections: 1) Study the fluorescence properties of rare earth in chalcogenide glass, by optimizing the composition of the chalcogenide glass to get the suitable substrate material for photonic crystals; 2) Study the band structure and density of states of different photonic crystals to get the optimized structural parameters for enhancing the mid-infrared fluorescence emission; 3) Prepare the designed chalcogenide photonic crystal with laser holographic lithography. Control the fluorescence of rare earth with the band gap of fabricated photonic crystals to obtain enhanced fluorescence radiation and better direction output. This project is expected to obtain the complete technology of design and fabrication of functional chalcogenide glass photonic crystals, and will provide the necessary theoretical basis and technical support to promote the application of infrared photonic devices and efficient mid-infrared light source in the future.

硫系玻璃光子晶体是基于低声子能量、宽红外透过波段、高折射率的硫系玻璃的一种新型红外光子器件，在中红外波段的光开关、光放大、光波导、光子晶体光纤、低阈值激光器等领域具有广泛的应用前景。目前国外已开展硫系基质光子晶体的相关研究但还处于起步阶段，而国内则基本处于空白。本项目拟开展功能性硫系玻璃光子晶体的设计、制备及特性研究，通过以下工作获得可有效增强中红外发光的稀土掺杂硫系玻璃光子晶体：1）研究稀土掺杂硫系玻璃的中红外荧光特性，获得具有较高荧光效率的硫系玻璃光子晶体基质材料；2）设计合理的光子晶体结构，利用激光全息光刻技术制备高质量硫系玻璃光子晶体；3）利用光子晶体的带隙调控内部掺杂稀土中红外荧光的辐射特性，获得增强的荧光发射和较好的方向输出。本项目的研究有望获得完备的功能性硫系玻璃光子器件的设计和制备技术，为今后发展红外光子器件和高效中红外光源提供必要的理论依据和技术支撑。

中红外波段覆盖了极其重要的大气红外窗口（如3-5 μm 的中红外波段包括了许多重要的分子特征谱线），该波段的光源在民用（如红外成像，检测环境中有毒痕量气体探测等）和军事方面（如红外探测、跟踪、制导、红外反导等）具有重要的应用价值。稀土掺杂硫系玻璃是实现中红外发光的有效途径，然而受掺杂浓度等条件的限制，稀土掺杂硫系玻璃的中红外发光强度仍很低。本项目中，我们将光子晶体引入稀土掺杂硫系玻璃中，利用光子晶体的光子带隙和光子局域特性，来增强稀土掺杂硫系玻璃中红外发光的强度和方向性。此外，我还开展了基于硫系玻璃的光子晶体光纤的设计和制备研究，并在硫系玻璃光纤中实现了宽带中红外超连续谱光源。主要研究工作和成效包括：1）系统研究了稀土掺杂硫系玻璃的中红外发光特性，通过优化组分获得了多组具有较高荧光效率的硫系玻璃光子基质材料；2）开展了硫系玻璃光子晶体器件的设计和特性分析，研究了光子晶体对稀土掺杂硫系发光的调控机理和效果；3）开展了硫系玻璃光子晶体及光子晶体光纤的制备研究，搭建出硫系玻璃光子晶体及光纤的实验制备装置，并获得了多种高质量硫系玻璃光子晶体和光纤样品；4）利用制备的光子晶体样品实现了增强稀土掺杂硫系玻璃中红外的发光效率，并在硫系玻璃光纤中获得了超宽中红外超连续谱光源。通过本项目的研究，我们获得了有效的功能性硫系玻璃光子器件的设计和制备技术，可以为今后发展红外光子器件和高效中红外光源提供必要的理论依据和技术支撑。