自还原结构诱导增强铋掺杂玻璃超宽带近红外发光的研究

Bi-doped glasses whose NIR emission spectrum covers the whole "low-loss window" of optical fiber, have seen the transition from original discovery to the first demonstration of continuous wave lasing and efficient all-fiber optical amplifiers. However, the origin of NIR-emitting concerts of Bi is still controversial, and Bismuth-related luminescence is found to be very sensitive to thermal annealing processes.These drawbacks severely limit the material design of Bi-doped glasses and their actual applications. In our previous work, it was found that self-reduction effect of glass structure can stabilize NIR-emitting centers of Bi and enhance NIR-emission effectively. It is proposed to develop a deeper understanding of the self-reduction effect on the NIR-emitting of Bi-doped glasses, because the principles of self-reduction based on the rare earth ions did not play the same role on the NIR-emitting centers of Bi, due to its larger ions radius and less stability. The project will also address a very important technological area of enhancing the NIR-emitting and thermal stability of Bi doped glasses associated with scientific area of clarifying the nature of NIR-emitting concerts. To address this challenge, this project will be exploited in the design and analysis of glass structure which associated with measurement on NIR properties to produce an mechanism that decides the stabilization of Bi NIR-emitting concerts in glass structures, thus creating methods for engineering novel Bi doped amplifier materials. This project ultimately seeks to go beyond the evident limits of current techniques for the fabrication of amplifier made of Bi doped glasses. The study may offer a better understanding of the origin of Bi-NIR-emission and the principles of stabilization of cations as low valent Bi in glasses.

铋掺杂玻璃具有优异的超宽带近红外发光特性，有望作为新型光纤放大器实现整个光纤低损耗波段的光放大，推动高速光通讯业务的发展。但铋近红外发光中心归属不明及热稳定性差，制约了材料的结构设计及实际应用。前期研究发现，玻璃的结构自还原特性可实现对铋近红外光发光中心的诱导稳定及发光增强。作为红外发光中心的低价铋离子，价态稳定性弱、离子半径大，玻璃自还原结构对其的稳定化还缺乏有效的理论和技术支持。项目拟通过自还原性玻璃结构的设计与调控，采用Raman、时间分辨光谱等测试手段结合分子动力学模拟，研究玻璃的组成结构演变对铋离子价态转变、近红外发光及热稳定性的影响；探索玻璃微结构与铋近红外发光中心形成诱导及稳定化关系，建立其结构影响机制和调控方法。项目的实施有助于推动铋掺杂超宽带近红外光放大材料的设计和器件化，并为铋离子近红外发光机理和相似离子的基质还原稳定化研究提供有效的理论依据，具有重要的理论和实际意义。

铋掺杂玻璃具有优异的超宽带近红外发光特性，有望作为新型光纤放大器实现整个光纤低损耗波段的光放大，推动高速光通讯业务的发展。但铋近红外发光中心归属不明及热稳定性差，制约了材料的结构设计及实际应用。本项目提出并利用玻璃结构自还原理来实现Bi离子近红外发光中心的发光增强及稳定化。项目以铋掺杂硅铝自还原结构玻璃为主要研究对象，探索了网络修饰体和网络形成体的类型和组成演变对铋离子近红外发光中心还原和热稳定性的影响规律。.研究发现，对易变价Bi离子，玻璃结构自还原影响机制与晶体不同。Bi离子在玻璃中的还原象还与玻璃结构自身缺陷有关。一方面，玻璃基质阳离子与低价铋离子价态和离子半径匹配原则可以促进Bi的自还原，但同时低价态、大半径的阳离子修饰体易引起玻璃结构疏松及缺陷增多，导致低价Bi热迁移还原和团簇。另一方面，玻璃网络形成体结构疏松及多元化容易导致Bi离子被还原，但同样不利于其热稳定性。相对而言，阳离子氧化物修饰体的场强在Bi离子玻璃结构自还原中占据了主导作用。随着阳离子半径减小，价态数增大，阳离子场强场会硅酸盐玻璃形成较多但稳定的非桥氧键。非桥氧即可以实现Bi离子的高温还原，还可以通过对铋离子库仑吸引和还原稳定化实现了对其热稳定性的大幅提升。即在自还原玻璃中，修饰体场强调控可以同时实现Bi离子在玻璃中的近红发光增强以及热稳定性提高。 . 最后我们以硅铝硼自还原玻璃为基质以三价稀土离子氧化物作为修饰体，提出并验证网络修饰体场强对于Bi离子近红外发光中心的作用机制。并利用Lu2O3为阳离子组分得到发光强度高、热稳定性极好的近红外发光硅酸盐玻璃。项目的研究发现即突破了传统晶体结构自还原理论的框架，又发展了玻璃结构自还原机理及控制规律，为实现高效、高稳定化Bi掺杂玻璃的制备与结构设计奠定了理论和技术基础，也为未来玻璃结构中变价离子赋存状态及稳定化控制研究奠定了基础。.