Bi/Yb和Bi/Tm共掺杂玻璃的宽带近红外发光光谱调控

In recent years, novel bismuth doped materials with of unique broadband luminescence and optical amplification have attracted much attention because they are potential gain media for the next generation broadband optical amplifier. However, the mechanism of broadband near-infrared luminescence from bismuth active centers is still unclear now, because of lack of direct experimental proofs and chracterization methods. And the absorbance efficiency of bismuth-doped materials is relative low with the excitation of commerical laser diodes. Furthermore, the reported bandwidth of the optical gain in Bi-doped glass or glass fiber is not flat and cannot fully match with the current practical applied optical commuication window till now. Based on above mentioned research progress, here a fundenmental study on novel Bi/Yb codoped and Bi/Tm codoped glasses and the spectral tuning of their luminescence was proposed. The energy transfer mechanism between bismuth ion and Yb3+ ion, and between bismuth ion and Tm3+ ion will further investigated. Then the spectral tuing method of the broadband near-infrared luminescence from Bi-doped glass will be systemic explored, by changing the coordination environment of bismuth active center and the phonon energy of the glass host. The absorption efficiecency could be increased through the energy transfer process, and then broadband near-infrared luminescence and optical gain of Bi glass will be enhanced. And the co-excitation effect could be helpful for flattening broadband emission and realize gain equalization in Bi glass.It is also expected to better understand the energy levels of bismuth active centers indirectly by using the characteristic line emisssion and line absorption of rare-earth ion as probes. It will promote the progress of the development of the material design theory and controllable preparation method of Bi-doped materials.

近年来，新型铋（Bi）离子掺杂材料因具备作为新一代宽带光放大器增益介质的潜力而倍受关注。但因缺乏直接实验证明和表征手段，目前Bi玻璃的宽带近红外发光机理仍不明确。此外，目前Bi玻璃和玻璃光纤还存在着对商用半导体激光器的吸收效率低，增益带宽不平坦，且难以与实用的光通讯窗口相匹配等问题。 基于以上背景，本项目拟开展对新型Bi/Yb和Bi/Tm共掺杂玻璃及其发光光谱调控的研究。通过深入研究玻璃中Bi离子与Yb3+离子、Bi离子与Tm3+离子间的能量传递机理，系统探索基于Bi离子配位环境和基质声子能量调控的Bi玻璃光谱性能调控方法，利用能量传递提高Bi玻璃的吸收效率，增强玻璃的荧光强度和光增益，利用共激发效应，改善Bi玻璃的荧光平坦特性。并利用稀土离子4f-4f电子跃迁的线状发射和吸收作为探针，间接推测Bi发光中心的能级结构，加深对其发光机理的理解，推动Bi掺杂材料设计理论和可控制备方法的发展。

近年来，新型铋（Bi）离子掺杂材料因具备作为新一代宽带光放大器增益介质的潜力而倍受关注。但是，因缺乏直接实验证明和表征手段，目前Bi宽带近红外荧光的发光机理仍不明确。且对商用半导体激光器的吸收效率低，增益带宽不平坦，难以完全覆盖C波段光通讯窗口，或与之无缝衔接。.本项目通过系统研究Bi离子掺杂多组分玻璃、Bi/Yb和Bi/Tm共掺杂多组分玻璃宽带近红外发光性能，明确了在氮化物还原添加剂对不同种类发光中心玻璃中的产生的作用规律，获得了Bi离子与Yb3+离子、Bi离子与Tm3+离子间产生高效能量传递的规律，从而加深了对玻璃中Bi离子近红外发光中心的形成等方面机理的理解。.通过本项目的研究获得的重要结果如下：（1）玻璃中Bi离子配位环境受网络外体阳离子，如碱金属离子和碱土金属离子的种类影响较显著；（2）玻璃中不同类型的Bi发光中心受Bi掺杂浓度和熔制时还原条件的影响不同；（3）低Bi掺杂浓度（<1000 ppm）的玻璃中，弱还原效应会促进第III类Bi发光中心（典型发射位置~1500nm）的形成；（4）玻璃中不同类型Bi发光中心的形成比例会随Bi掺杂浓度发现显著变化；（5）Yb离子和Tm离子分别只与特定类型的Bi发光中心相互作用。.通过本项目的研究发现，氮化物如Si3N4等，可以在Bi掺杂玻璃中产生弱还原效应，促进Bi近红外发光中心的形成；并且，利用这种效应，在Bi掺杂浓度为100ppm时，获得了850nm以上近红外区平均透过率达90%的玻璃样品（厚度2mm），其在450nm~470nm蓝光激发下，可以获得谱线呈马鞍形的高效宽带近红外发光，分别由来自第I类（位于~1170nm）和第III类（位于~1500nm）发光中心的2个宽带发射峰构成；利用该效应，还在Bi掺杂浓度为300ppm，Tm掺杂浓度为1000ppm的样品中，在蓝光激发下，通过Bi和Tm的共激发，获得了发射带宽达700nm的宽带近红外荧光（1200nm~1900nm）。.本项目的研究结果，将加深对玻璃中Bi离子近红外发光中心的形成等方面机理的理解，并为基于蓝光半导体器件激发的新型Bi掺杂多组分玻璃光纤放大器和光纤激光器的开发提供实验数据和经验参考。