掺有Er3+或Nd3+离子的低声子能量Yb-氧氟磷酸盐玻璃，作为0.991、1.0和1.542微米光放大器的活性介质

《Optical Fiber Technology》：Low phonon energy Yb-oxyfluorophosphate glass doped with Er3+ or Nd3+ ions as active media for 0.991, 1.0, and 1.542 μm optical amplifiers

一种新型低声子能Yb-Oxyfluorophosphate玻璃材料被开发，通过掺杂Er3?和Nd3?实现0.95-1.05μm和1.4-1.65μm双波段近红外荧光放大，验证了其作为高性能光纤通信材料的设计潜力。

　　本研究围绕一种新型的低声子能量Yb-氧氟磷酸盐玻璃系统展开，该系统以69P?O?-20BaF?-10ZnF?-1Yb?O?（简称PBZYb3?）为基础，并掺杂Er3?和Nd3?离子，形成PBZYb3?:RE3?（RE3?代表Er3?和Nd3?）的玻璃系列。这类玻璃被设计为具有宽波段近红外（NIR）光放大功能的潜在活性材料，特别是在光通信和集成光子系统中具有重要应用前景。通过精心设计和工程化，该玻璃系统能够有效利用其固有的低声子能量特性，以增强Er3?和Nd3?离子的NIR发射效率，从而为光学放大提供一个高度有效的平台。

近红外波段（0.9–1.05 μm和1.4–1.7 μm）在多种先进技术中占据重要地位，因其独特的光学特性和对现代系统的兼容性。其中，0.9–1.05 μm波段在二极管激光泵浦中具有显著价值，是高性能固体激光器和光纤激光系统中的高效激发源。此外，该波段在生物医学诊断中也至关重要，因为它能够穿透生物组织，减少散射和吸收，从而实现深部组织成像和非侵入式医疗应用。而1.4–1.7 μm波段则涵盖了光纤通信中的关键S、C和L波段，特别是在1.5 μm波长附近，由于光纤的低传输损耗，该波段成为光通信、光检测、光传感以及医学成像的重要基础。在一些系统中，0.9 μm和1.5 μm波长常被同时使用，以实现多级放大或能量转移，这在高容量光纤网络、激光设计和多波长通信网络中尤为重要。

稀土（RE3?）离子，尤其是Er3?和Nd3?，在实现关键NIR波段的发射方面发挥着核心作用。这些离子的f轨道电子结构赋予其清晰且狭窄的能量水平，使其能够在宽光谱范围内吸收能量，并在特定的NIR波长释放能量。尽管它们本身具有较低的吸收截面、狭窄的发射线和较长的激发态寿命，但当与合适的敏化剂或基质结合时，这些特性使其成为高效的发光材料。Er3?离子因其在1.5 μm波长附近的显著发射，成为光通信技术的基石。而Nd3?离子则因其在0.9–1.05 μm波段的强发射，被广泛应用于二极管泵浦的固体激光器和生物医学成像系统。此外，Er3?和Nd3?离子均展现出多样的发光特性，能够在吸收不同能量后通过上转换或下转换过程产生发射，这取决于能量的吸收与释放路径。

作为稀土离子的宿主材料，玻璃因其独特的结构灵活性、光学透明性和加工优势而受到高度重视。与晶体、陶瓷和荧光粉等其他宿主材料相比，玻璃在光子和光电子应用中表现出更高的适用性。其非晶态结构允许稀土离子更容易且更均匀地被引入，而不受晶格匹配的限制。这种灵活性使得离子浓度和分布的调控成为可能，这对实现最佳发光效率至关重要。同时，玻璃在宽光谱范围内具有优异的光学透明性，良好的热和化学稳定性，以及较高的机械强度，便于加工成各种形式，如光纤、薄膜和块状材料。这些特性使得玻璃成为一种高度适用且广泛使用的稀土离子宿主材料，特别是在需要高性能的先进光子系统中。

然而，磷酸盐玻璃在实际应用中也面临一些挑战。其较高的声子能量可能导致非辐射跃迁过程的增加，从而对嵌入的稀土离子的荧光效率产生负面影响。此外，其有限的化学耐久性和机械强度可能限制其在某些环境或高要求条件下的应用。为解决这些问题，通常会引入适当的添加剂，如碱金属（例如Li?、Na?、K?）、碱土金属（例如Sr2?、Ca2?、Ba2?）以及过渡金属（例如Cu2?、Co2?、Zn2?）等。这些离子的引入有助于提高玻璃的机械强度和热稳定性，并降低其熔融温度，便于加工。例如，Ba2?离子可以扩散进入磷酸盐玻璃网络，与氧原子形成离子键，从而增强网络的连接性和刚性。这种结构修改不仅提高了磷酸盐玻璃的机械和热稳定性，还增强了其化学耐久性和折射率，使其成为更适用于特定应用场景的材料。

在本研究中，为了满足对宽波段NIR光放大材料的需求，我们设计并制备了一种新型的Yb3?基氧氟磷酸盐玻璃系统（PBZYb3?:RE3?），该系统通过蓝光（446 nm）激发，实现了0.950–1.050 μm和1.400–1.650 μm波段的高效光致发光和光学增益。该研究的创新点在于构建了一个结合Er3?和Nd3?离子高发射效率与氟磷酸盐基质结构优势的混合玻璃网络，从而实现了低声子能量和减少的非辐射损耗，同时提高了热-机械稳定性。为了深入理解这些玻璃的结构与性能之间的关系，我们进行了全面的表征工作，包括元素分布分析、相组成研究、结构变化分析以及密度测量等。其中，EDX映射和XRD用于分析元素的分布和相组成，FTIR和拉曼光谱用于探测Er3?和Nd3?掺杂对玻璃结构的影响，而密度测量则提供了关于网络紧实程度的见解。热稳定性通过差示扫描量热法（DSC）进行评估，机械性能则采用Makishima-Mackenzie模型进行估算。

在材料制备方面，我们通过熔融退火法合成了Yb-氧氟磷酸盐基质玻璃。为了研究其NIR光致发光性能和可能的能量转移机制，我们分别将Er3?和Nd3?离子以0.5 mol%和1 mol%的掺杂水平引入基质玻璃中，从而制备出PBZYb3?:0.5Er3?、PBZYb3?:1Er3?、PBZYb3?:0.5Nd3?和PBZYb3?:1Nd3?的玻璃样品。所使用的原料包括高纯度的磷酸盐（NH?）?HPO?、氟化钡（BaF?）、氟化锌（ZnF?）以及氧化钇（Yb?O?）。这些材料的高纯度确保了玻璃的化学均匀性和光学性能的稳定性。

在结构分析方面，我们利用EDX映射和XRD技术对基质玻璃和掺杂玻璃进行了元素分布和相组成研究。结果表明，这些玻璃具有非晶态结构，并且各元素在玻璃网络中均匀分布，说明材料制备过程中的均匀化效果良好。EDX映射显示了磷（P）、钡（Ba）、锌（Zn）、氟（F）、氧（O）、钇（Yb）、铒（Er）和钕（Nd）在玻璃中的空间分布情况。XRD分析进一步确认了这些玻璃的非晶态特性，表明没有出现结晶相的形成，从而保证了其作为稀土离子宿主的适用性。

在光谱特性方面，我们对玻璃的光学吸收光谱进行了分析，观察到了Yb3?、Er3?和Nd3?离子的明显跃迁。当在蓝光（446 nm）激发下，Er3?和Nd3?掺杂的PBZYb3?玻璃分别产生了强烈的NIR发射，并且发射光谱具有可调性。其中，Er3?掺杂的玻璃在S波段和C波段表现出高效的发射，而Nd3?掺杂的玻璃则在1.0 μm附近显示出良好的性能。这些结果表明，在NIR波段范围内，这些玻璃的增益截面呈正值，说明在关键波长下，激发的光信号能够超过吸收的光信号，从而实现光学信号的放大。这直接验证了这些玻璃在光通信和集成光子系统中的应用潜力。

此外，这些玻璃的结构和性能优化使其在热稳定性、机械强度和化学耐久性方面表现出色。随着稀土离子掺杂浓度的增加，玻璃的热稳定性和弹性性能也有所提升。这表明，通过调控稀土离子的浓度和分布，可以进一步优化玻璃的性能，使其更适合在高温和高机械应力环境下使用。同时，玻璃的高折射率和良好的光学透明性也使其成为适合光通信和光子集成的材料。

从应用角度来看，这些玻璃的NIR发射特性使其在光通信、激光技术、生物医学成像和光传感等领域具有广泛的适用性。特别是，在光纤通信中，NIR波段的低传输损耗使得这些玻璃能够成为高效的光放大材料。此外，通过多级放大或能量转移机制，这些玻璃能够在不同波长下实现高效的光学信号放大，从而满足高容量光纤网络和多波长通信系统的需求。

为了进一步推动这些材料的应用，未来的研究可以探索将这些玻璃集成到光纤或平面波导结构中，以提高其在实际系统中的适用性。同时，可以评估这些玻璃在连续运行下的寿命和能量转移特性，以确保其在长期使用中的稳定性。此外，进一步优化Yb3?的敏化策略，可以提高能量转移效率，并拓展其在宽波段光放大中的应用范围。这些研究方向将有助于推动这些材料在光通信和集成光子系统中的实际应用，为下一代高性能光放大技术提供更广泛的选择。

在本研究中，Najla Khaled Almulhem和Aly Saeed作为主要研究者，分别承担了不同的研究任务。Najla Khaled Almulhem负责原始文稿的撰写、资源获取、项目管理、资金申请以及概念设计。而Aly Saeed则负责文稿的审阅与编辑、原始文稿的撰写、数据可视化、验证、方法论、实验设计、正式分析、数据管理以及概念设计。两人的合作确保了研究工作的全面性和高质量。研究过程中，所有作者均声明不存在可能影响研究结果的财务利益或个人关系，以保证研究的客观性和公正性。

本研究得到了沙特阿拉伯国王费萨尔大学科学研究中心的支持，资金来源为特定的项目资助编号。这表明，该研究不仅具有理论和实验上的创新性，也得到了学术界的认可和支持。通过深入的结构和性能分析，我们进一步验证了这些玻璃在光通信和集成光子系统中的应用潜力，为未来的研究和应用提供了坚实的基础。