TM2+:II-VI@LnF3纳米晶硫系玻璃复合材料的制备及中红外发光性能研究

The mid-infrared laser in the range of 2-5um has been developed to apply to the fields of remote sensing, ranging, environmental monitoring, biological engineering and medical treatment, etc. The transition metal ions TM2+-doped of II-VI sulfide crystals and chalcogenide glass composite material is a potentially novel medium for high-efficiency, low-threshold, broadband-tunable 2-5um mid-infrared fiber lasers. This project is aimed at the existing blocks in this field and to develop the preparation of TM2+:II-VI@LnF3 core-shell structural nanocrystals doped chalcogenide glass composites and fibers. By clarifying the relationship between mid-infrared emission characteristic with nanocrystals' type, size, concentration and glass matrix's composition in the composites and fibers, together with looking for a efficient co-doping method for improving the mid-infrared emission and broadening the spectral range, and identifying the energy transfer behavior, one novel laser material for high-efficiency, low-threshold, broadband-tunable 2-5um mid-infrared fiber lasers will be prepared after rational design and fiber drawing experiments.

2～5um波段中红外激光在遥感、测距、环境检测、生物工程和医疗等领域有着广阔的发展前景和重要的应用价值。过渡金属离子TM2+掺杂II-VI族硫化物晶体与硫系玻璃复合材料是一种新型而极具潜力的高效率、低阈值、宽带可调谐的2～5um中红外光纤激光器用增益介质材料。本项目针对该领域研究方面存在的问题，提出通过开展TM2+:II-VI@ LnF3核壳结构纳米晶及纳米晶硫系玻璃复合材料及光纤制备研究，系统分析TM2+:II-VI@ LnF3纳米晶硫系玻璃复合材料和光纤的中红外发光性能与晶体类型、尺寸、浓度、基质玻璃组成结构等之间的关系；探明通过两种或多种纳米晶共掺杂方式提高中红外发光效率和拓宽光谱范围的可能性和其中的能量传递行为；突破制备高光学质量、高掺杂均匀分散的纳米晶硫系复合材料和光纤的关键技术。最终制备出一种新型的高质量、高性能、面向宽频可调谐中红外光纤激光源的新型的激光增益光纤材料。

2～5um波段中红外激光在遥感、测距、环境检测、生物工程和医疗等领域有着广阔的发展前景和重要的应用价值。过渡金属离子TM2+掺杂II-VI族硫化物晶体与硫系玻璃复合材料是一种新型而极具潜力的高效率、低阈值、宽带可调谐的2～5μm中红外光纤激光器用增益介质材料。本项目针对该领域研究方面存在的问题，提出开展TM2+:II-VI纳米晶制备及纳米晶硫系玻璃复合材料和光纤的研究。通过四年的时间，项目组首次利用水热法成功制备出系列TM2+（Co2+、Cr2+、Fe2+）掺杂的II-VI族硫化物纳米晶（ZnSe、ZnS），平均粒径10～20nm，其中红外荧光波段中心与块体晶基本一致，通过核壳结构设计，结合还原气氛热处理过程大幅度提高纳米晶的中红外波段发光强度；探明通过Co2+/Fe2+共掺杂方式提高了Fe2+在4.3μm的中红外发光效率，实现了拓宽光谱范围的可能性，并分析了其中的能量传递行为。通过真空热熔压制备出TM2+: II-VI纳米晶硫系玻璃复合材料，其保持了较好的中红外荧光特性，且相较国内外已报道的微米晶-硫系玻璃复合材料透过率大幅提高。采用管中-熔体法成功制备出了TM2+掺杂纳米晶-玻璃光纤，并首次通过挤压法制备出TM2+: II-VI纳米晶硫系玻璃复合材料为芯，纯硫系玻璃为包层的芯包结构的准单模结构光纤预制棒，设计研究了多种新型具有较低熔点、优良物理特性和化学稳定性的硫系玻璃，系统研究了玻璃的热学和光学性能随组分变化的规律，筛选出玻璃转变温度、拉丝温度、折射率等关键参数合适作为TM2+: II-VI纳米晶硫系玻璃复合材料基质玻璃的组成，最终通过实验确定了复合材料光纤拉制的工艺条件和参数，测试分析了其光谱特性。该项目的研究中，共发表论文14篇（SCI论文12篇，EI论文1篇，会议论文1篇），申请国家发明专利3项，1项已授权。培养博士研究生1人，硕士研究生4人。