具有稀土敏化特性的Cr2+:II-VI纳晶/硫系玻璃复合光纤可控制备及其关键性能研究

Cr2+:II-VI crystal/chalcogenide (ChG) glass composite fibers, combining the advantages of high output power, wide wavelength tuning range of the Cr2+:II-VI crystal and ease of thermal management of the ChG fiber, have attracted worldwide interest. However, current studies suffer from the following drawbacks such as absence of lasing due to high optical loss of the fibers and extremely complex pumping. In this context, this project aims to make a new type of composite fibers based on Cr2+:II-VI nanocrystal/chalcogenide glass composites. A series of new ChG glass systems will be developed, based on which Cr2+:II-VI nanocrystals embedded ChG glasses will be prepared by controlled thermal treatment. Rare-earth elements will be doped in the composite fibers acting as the sensitizers for the Cr2+:II-VI nanocrystals. Therefore, the pumping can be realized in a far simpler way, viz., directly using the commercially available laser diodes as the pump sources for the Cr2+ lasing in the mid-infrared range of 2~3 µm. We will study comprehensively the influence of the composition, structure and thermal treatment on the crystallization behaviors of the fiber and the underlying mechanisms. The target is to realize controllable synthesis of the composite fibers. On the other hand, we will also study the distributions of rare-earth ions and Cr2+:II-VI nanocrystals in the composite fibers as well as the photoluminescence sensitization mechanisms. The composite fibers developed in this project will be promising gain media for high power, wide tunability continuous and ultra-short pulsed mid-infrared fiber lasers. The materials will also find a wide range of applications in chemistry, biology, medicine and national defense etc..

Cr2+:II-VI晶体/硫系玻璃复合光纤，兼具Cr2+:II-V高功率、宽带可调谐的中红外激光特性及光纤易于热管理的优势，是当前激光工作者关注的研究热点之一。然而针对该类型光纤的现有研究存在光纤损耗高尚无激光输出，且抽运方式复杂的问题。对此，本项目提出通过新系统玻璃开发和热处理工艺优化在硫系玻璃光纤中原位析出Cr2+:II-VI纳晶的新方法制备复合光纤，同时在光纤中掺入稀土离子并借助其敏化作用，实现在简化抽运方式，即商业化成熟的半导体激光器直接抽运下产生Cr2+中红外2-3µm激光发射。项目将深入研究“组成-结构-热处理”影响玻璃析晶的规律及机理，实现复合光纤的可控制备；还将研究稀土离子和Cr2+:II-VI纳晶的微观分布及敏化发光的物理机制。研究成果将为开发大功率、宽带可调谐连续及超短脉冲中红外光纤激光器提供关键的基础材料，并有望在化学、生物、医学及军事国防等多个领域发挥重要应用。

针对国家对超宽带可调谐3-5微米中红外激光增益材料的迫切需求，项目提出利用可控晶化在硫系玻璃和光纤中原位生长过渡金属离子激活的II-VI体系纳米晶体，即制备TM2+:II-VI纳晶复合硫系玻璃和光纤。此类材料兼具激光晶体和玻璃的优势，如TM2+:II-V晶体高增益、宽带中红外发光及玻璃易制备、可成纤的优势。项目主要研究内容包括：1）玻璃组成和热处理工艺影响TM2+:II-VI晶体生成的规律；2）过渡金属离子在复合材料中的分布以及纳米晶的析晶机理；3）纳米晶种类、结构和离子取代对过渡金属离子发光性能的影响；4）过渡金属离子共掺敏化能量传递机理；5）纳米晶复合光纤制备工艺。项目取得的主要成果包括：1）开发了新系统Ge-As-S-ZnSe硫系玻璃。引入Ge显著提高了ZnSe含量，如从5%提高到15%，同时不会引起玻璃发生不可控的自发析晶。提高ZnSe含量对于提高玻璃中II-VI晶体的体积占比即晶化率至关重要；2）利用高分辨透射电镜技术直观证明了过渡金属离子（Cr2+、Co2+、Ni2+）会选择性富集在玻璃中析出的纳米晶体中（II-VI、Ga2S3）。过渡金属离子通过取代晶体中的阳离子，获得合适的晶体配位环境，是实现其中红外宽带发光必不可少的先提条件；3）制备出一系列ZnS、ZnSe、CdS、ZnSSe和ZnCdS等II-VI纳米晶复合硫系玻璃。通过晶体中阳离子和阴离子取代，实现了对过渡金属离子晶体配位场的调控，如利用Co2+在不同晶体中分裂能大小的变化，将中红外发光峰位从3μm红移至3.5μm，调制幅度高达500nm；4）利用Co2+和Fe2+之间有效的能量传递，采用1.57 μm商用光纤激光器作为泵源，首次实现了室温下Fe2+离子掺杂硫系微晶玻璃2.5~5.5 μm的超宽带中红外发光，进一步验证了此类材料作为中红外光源在痕量气体检测方面的应用潜力；5）制备了Ni2+掺杂超宽带中红外发光纳米晶复合硫系光纤，初步结果表明光纤损耗最低为9.8 dB/m，未来仍有继续优化的空间。项目共发表SCI论文22篇（包括受Optics Express杂志邀撰写综述文章），EI论文2篇；授权专利3项；做国内外邀请学术报告10次；培养博士3人（2人获得国家优秀研究生奖学金），硕士2人（1人获得国家优秀研究生奖学金），青年教师1人；获得其他项目2项；获得黑龙江自然科学技术奖一等奖1项。