镶嵌ZnS(ZnSe): Cr2+纳米晶的硫系光纤及其中红外发光研究

2-5μm solid state mid-infrared lasers have the broad application in the military and civil area. One of the keys to the development of the laser is to attain new base materials possessing the high efficiency mid-infrared emission, stability physical properties and low-cost. In this project, ZnS(ZnSe)：Cr2+ nanocrystals are firstly prepared by thermal decomposition technique, then chalcogenide glass and fiber containing a uniform distribution ZnS(ZnSe)：Cr2+ nanocrystals are prepared by melt-quenching technique. According to the Scanning electron micrograph (SEM), High resolution transmission electron microscopy (HRTEM), Raman spectra and luminescence spectra, we investigate the influences of the doping concentration, sizes and distribution of nanocrystals on the mid-infrared emission, such as luminous intensity, fluorescence lifetime, quantum efficiency and so on; the investigation mainly focus on the preparation technology of high purity nanocrystals and low loss fibers, reduces the impurity content of nano-composite material, and then enhances the optical property; the correlation of preparation technology, microstructure and optical performance are synthetically evaluated, and furthermore to provide an experimental and theoretical basis for the development of the tunable mid-infrared laser materials.

2～5μm中红外固体激光在民用和军事领域具有广阔的应用前景。发展这类新型激光器的关键之一是研发在中红外波段能够实现高效发射、物化性能稳定、同时成本低廉的基体材料。本项目拟采用热分解法制备前期的ZnS(ZnSe)：Cr2+纳米晶颗粒，然后采用熔融-急冷法，获得在硫系玻璃和光纤基体中镶嵌尺寸和空间分布均匀的ZnS(ZnSe)：Cr2+纳米晶；采用扫描电镜，高分辨透射电镜，拉曼光谱以及荧光光谱等技术，研究复合材料中纳米晶的掺杂浓度，尺寸和分布对中红外发光特性（如发光强度、荧光寿命和量子效率等）的影响；重点研究高纯度的纳米晶和低损耗光纤的制备工艺，进而通过降低复合材料中杂质含量，优化发光性能；综合评价材料的制备技术、显微结构和发光性能的关联，为进一步研发中红外可调谐激光新材料提供实验和理论依据。

2～5μm中红外固体激光在民用和军事领域具有广阔的应用前景。发展这类新型激光器的关键之一是研发在中红外波段能够实现高效发射、物化性能稳定、同时成本低廉的基体材料。本项目采用激光脉冲沉积方法制备出前期所需的ZnSe: Cr2+纳米粉，并获得1.8-2.8μm的宽带中红外发光，通过玻璃组分调节，获得与ZnSe: Cr2+纳米晶折射率最接近的组分As40S57Se3，将两种原料混合采用热压法制备出镶嵌ZnSe: Cr2+纳米晶硫系玻璃。中红外光谱结果表明其能够实现宽带中红外发光。.此外，我们开展了稀土掺杂硫系玻璃和光纤在2-5μm波段中红外发光的研究，为实现中红外增益光纤提供更多的研究经验和基础。主要研究结果为：.（1）探索制备了一种新型Ga-Sb-S硫系玻璃。该玻璃在1-12 μm范围内具有好的透过率（>56%）,有望成为具有竞争能力的热成像候选材料；玻璃的n2值为~12.4× 10−14 cm2/W (@ 1.55μm), 表明其在非线性光学方面具有潜在应用。稀土离子（例如Tm3+）掺杂玻璃具有强的中红外发射和高的量子效率，有望成为中红外光纤放大器和激光增益材料；.（2）制备了一系列As修饰的Ga-Sb-S玻璃，获得热稳定性最佳的玻璃组成为Ga8Sb28As4S60。制备了一系列Dy3+离子掺杂Ga8Sb28As4S60玻璃，玻璃在2.9 μm和4.4 μm具有强的荧光发射，较高的量子效率和较大的发射截面使其成为极具潜力的中红外激光增益材料。拉制了Ga8Sb28As4S60：0.05wt%Dy3+/ Ga8Sb27As5S60纤芯-包层结构光纤，光纤在2-6 μm的背景损耗< 2dB/m, 且光纤具有强的中红外发射；.（3）制备了新型Ga2S3-Sb2S3-CsI硫卤玻璃。估算了该玻璃物化性能参数为Tg of 190 oC-245oC, d of 3.78-3.97 g/cm3, λS of 586-690 nm, λL of ~13.2-14.4 μm, Hv of 125-188 kg/mm2, 和 n0 (@10 μm) of~2.01-2.58；玻璃在1-12 μm范围内具有良好的透过率（>56%）,较高的三阶非线性(1.7-8.7×10-14 cm2/W @ 1550 nm), 能够溶解大量的稀土离子（>2mol%）以及掺杂稀土离子具有强的中红外发射和高的量