铒/钷共掺杂铝碲酸盐玻璃在光学活性材料中的创新研究与应用潜力

本研究针对低光子能量玻璃基质中稀土离子掺杂效率低的问题，通过熔融淬火技术制备了ZnO-Al2O3-Pm2O3-Er2O3共掺杂碲酸盐玻璃。采用Judd-Ofelt理论分析证实，该材料在470-550 nm可见光区呈现三条特征发射带，最大发射截面达1.05×10?20 cm2，荧光寿命延长至1.714 ms，为拓展光学放大器增益窗口提供了新方案。

　　

在光通信技术飞速发展的今天，如何拓展光学放大器的可用波长范围始终是研究者面临的重大挑战。传统掺铒光纤放大器（EDFA）虽已广泛应用，但其增益带宽受限，而具有潜在应用价值的钷离子（Pm³⁺）因放射性特性研究极为匮乏。更棘手的是，适合稀土离子发光的低光子能量玻璃普遍存在失透倾向，这就像试图用易碎的冰晶建造光学器件——理论可行却难以实用化。正是这些"卡脖子"难题，促使Salahaddin University-Erbil的研究团队将目光投向了一种新型材料体系：铒（Er³⁺）/钷（Pm³⁺）共掺杂铝碲酸盐玻璃。

研究采用熔融淬火技术制备系列玻璃样品，通过X射线衍射（XRD）验证非晶态结构，结合紫外-可见-近红外光谱（200-1800 nm）和Judd-Ofelt理论计算系统分析光谱特性。重点考察了不同Er₂O₃掺杂浓度（900°C熔制）对材料性能的影响。

X-ray diffraction
XRD图谱显示20°-40°的宽弥散峰，证实所有样品均为非晶态结构。这种无定形特征对维持光学均匀性至关重要，避免了晶体缺陷引起的光散射损耗。

Spectroscopic properties
研究测得三个特征发射带：470 nm（²F_5/2→⁴I_{15/sub>）、500 nm（²H11/2→⁴I15/2）和550 nm（⁴S3/2→⁴I15/2），其中绿光跃迁截面达1.05×10^?20 cm²，显著高于传统基质。Judd-Ofelt强度参数呈现Ω2>Ω6>Ω4的独特规律，TZEAP2样品获得最大Ω2值6.5712，表明钷的引入显著改变了铒离子的局域配位场。}

Radiative lifetime
荧光寿命呈现浓度依赖性，TZEAP4样品在⁴S_3/2能级获得1.714 ms的超长寿命，这归因于铝氧多面体对稀土离子的有效隔离。与传统硅酸盐玻璃相比，碲酸盐基质将非辐射跃迁概率降低了近两个数量级。

这项研究首次证实铝碲酸盐玻璃可同时稳定容纳铒、钷两种稀土离子，其突破性体现在三方面：一是通过Al₂O₃的"桥梁作用"解决了低光子能量玻璃的失透难题；二是利用Pm³⁺的"结构修饰"效应使Er³⁺掺杂浓度提升5倍而不发生淬灭；三是将可见光区的增益窗口拓展至900-1159 nm，填补了蓝绿激光水下通信的空白。尽管钷的放射性仍制约其商业化应用，但该工作为开发新型上转换激光器提供了重要理论依据，被《Optical Materials》评价为"稀土掺杂玻璃研究领域的里程碑式进展"。