微观结构调控对铋离子掺杂玻璃的超宽带近红外发光的影响及其机理研究

Since Bi-doped materials have outstanding performance with NIR ultra-broadband emission,they are promise for achieving ultra-broadband optical amplification in full communication band by a single wavelength pump. However, the practical application of these materials is restricted, because the origin for the ultra-broadband emission, and the effect on the NIR emission property caused by the glass structure have not been clarified. The main goal of this study is to develop new bismuth-doped glasses, which can be used to prepare optical amplifier.The effect of glass matrix structure on bismuth ions broadband photoluminescence will be investigated by the adjustment of the microstructure of the glass matrix. The effect of the bismuth ions with different occurrence state, local structural and distribution form on the infrared luminescence will be investigated. Furthermore, the external regulation method in the near infrared luminescence of bismuth ion doping glass and internal physical mechanism will be discussed. In the glass system, influence of different compositions and the glass micro-structural on the broadband luminescence of bismuth ions have been realized. These studies will be provide certain theoretical basis for bismuth ion doping glass near infrared ultra-broad luminescence amplification materials in the practical application.

铋离子掺杂玻璃具有近红外超宽带发光特性，有望实现在整个光通讯波段的光放大。然而由于其发光机制以及玻璃结构对其近红外发光性能的影响机制并不完全清楚，一定程度上制约了其实际应用。本项目以开发新型铋离子掺杂超宽带光放大器用材料为主要研究目标，通过调节玻璃基质的网络形成体与网络修饰体成分实现对玻璃中多面体基本单元结构、多面体结构连接方式以及多面体结构的聚合状态等微观结构的调控，研究铋离子掺杂玻璃近红外超宽带发光性能与玻璃微结构之间的相互关系，探索铋离子在玻璃中的赋存状态、近邻结构和分布形态对发光及光放大特性的影响规律，探究铋离子掺杂玻璃的近红外宽带发光的外在调控方法和内在物理机制。进而通过玻璃基质微观结构与铋离子近红外光放大增益特性之间关系的研究，设计优化玻璃组成、实现整个光通讯波段的超宽带光放大。本项目的研究成果可为铋离子掺杂玻璃近红外超宽带光放大材料的应用提供新的研究思路和理论依据。

铋掺杂玻璃具有带宽宽，荧光寿命长等优点，一旦铋掺杂玻璃应用于光放大器用基质材料，能够只用一根光纤实现整个低损耗光通讯窗口的光信号放大。.本研究选取铋掺杂硅铝酸盐玻璃为研究对象，考察了玻璃基质的结构变化对铋离子宽带发光特性的影响。一方面，在硅酸盐玻璃体系中，研究发现玻璃网络结构体Al2O3浓度发生改变时，铋离子的红外超宽带发光强度、荧光带宽以及荧光寿命等都随之发生变化。另一方面，通过改变玻璃中网络修饰体，发现碱土金属离子半径的变化对红外发光强度的影响规律。从玻璃微结构变化对铋离子宽带发光机制进行了分析，得出玻璃中存在着不同价态的铋离子构成的发光中心，在不同波长激光照射下得到不同波长的近红外宽带发光。上述研究结果对Bi离子的超宽带光放大材料器件的研究提供了理论支持。.研究发现，在808 nm半导体激光器激发下，在上述铋掺杂铝硅酸盐玻璃体系中都发现了荧光中心位于1.3 µm，半高宽超过200 nm，荧光寿命超过500 µs的超宽带近红外发光，几乎覆盖了整个低损耗光通讯窗口。随着玻璃基质中网络修饰体离子半径的增加，在808 nm激光激发下，近红外发光强度增强，这与本课题组提出的光学碱度理论相悖。由此，我们认为光学碱度理论不能完全解释铋离子掺杂硅酸盐玻璃的近红外发光现象。玻璃组分产生微结构的变化可能是影响铋离子近红外发光性质的一个重要因素。最后，从玻璃基质的微观结构对Bi离子红外发光的影响的角度出发，探讨了对铋离子超宽带发光变化产生影响的因素。实验制备了不同SiO2含量铝离子浓度变化的硅酸盐玻璃体系，通过改变玻璃网络形成体组分来改变硅酸盐玻璃的微观结构，并对其光谱性质进而进行测试、比较和分析，得出铋离子宽带发光随玻璃基质微结构变化而变化的规律。