[发明专利]一种掺Yb3+的Bi2O3‑GeO2系激光玻璃及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光玻璃，具体涉及一种掺Yb³⁺的Bi₂O₃-GeO₂系激光玻璃及制备方法。

背景技术

“光纤之父”、2009年诺贝尔物理学奖获得者高锟教授早在1966年首次提出了低损耗的光导纤维(简称光纤)的概念，后来他制造出世界上第一根光导纤维。高锟的发明使信息高速公路在全球迅猛发展。

基于低损耗光纤通信的窗口波长范围为1200～1600nm，光纤放大器有Raman光纤放大器和Er、Tm、Pr等多种稀土离子激活的光纤放大器。但是，稀土离子近红外发光源于4f轨道能级之间的跃迁，这种跃迁受到外层6s、5d轨道电子的屏蔽而表现出窄的发光带宽。常规C波段(1530～1565nm)的增益带宽仅35nm，在此基础上开发了O波段的掺Pr光纤放大器(1280～1320nm)、S波段的掺Tm光纤放大器(TDFA，1420～1520nm)。即使将现有的稀土离子掺杂光纤放大器并联或串联起来，也不能实现整个光通信波段的光放大。设想一下：如果能够研制出超宽带的光纤放大器，即使用一根光纤、一个泵浦源就能实现整个光通信波段的光放大，这无疑会给光通信领域带来一场新的革命。

Yb³⁺离子，其能级结构简单，只有两个电子多重态，分别是基态²F_7/2和激发态²F_5/2。其上、下能级在晶场作用下会产生能级分裂，从而可形成准三或准四能级的激光运转机制。Yb³⁺独特的电子层结构使其相关的掺杂材料具有以下优点：光-光转化效率高，不会产生激发态吸收和交叉弛豫，在980和940nm处有较强吸收，适宜InGaAs激光二极管泵浦；Yb³⁺可发射1μm附近的激光，其激发态能级寿命较长(在ms量级)，有利于储能，因此其掺杂的激光材料可用作高功率、大能量、全固态的激光工作物质。与此同时，Bi离子用作激活离子可以为激光和光电子材料的发展注入新的活力。Bi离子s价电子处于原子的电子层的最外层，与配位场相互作用强，容易形成类似于过渡金属离子的宽带发光。2001年日本科学家Fujimoto等首次在主族金属Bi(6s²6p³)离子掺杂玻璃中发现了近红外波段的宽带发光(但其发光峰位在1140nm，不在低损耗光纤通信的窗口波长范围：1200～1600nm)。2005年俄罗斯科学家Dianov等^[21]在国际上首次实现Bi离子1150～1300nm激光输出，开启了主族金属离子激光的新纪元。

然而，到目前为止还没有任何激活离子的激光输出范围能够覆盖1150～1500nm这一波段，而这一波段在先进光通讯，医学和航天等领域都有着重要的应用前景。如果将 Yb³⁺等稀土离子引入Bi₂O₃-GeO₂二元体系中，若Yb³⁺等稀土离子能够作为Bi离子的敏化剂，将使处于激发态的Yb³⁺等稀土离子再通过单声子或多声子协助下的非共振能量转移过程将能量传递给Bi离子，引起Bi离子的激发，从而实现宽带近红外荧光发射。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种掺Yb³⁺的Bi₂O₃-GeO₂系激光玻璃及制备方法，掺Yb³⁺的Bi₂O₃-GeO₂系激光玻璃在发射波长位于700nm～1100nm的激光二极管或固体激光器的激发下产生近红外宽带发光，可应用于近红外激光通讯。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种掺Yb³⁺的Bi₂O₃-GeO₂系激光玻璃，以Bi₂O₃和GeO₂的总摩尔数计，该激光玻璃中Yb³⁺掺杂浓度为0.2mol％～5.0mol％，即Yb³⁺掺杂浓度是指Yb³⁺的物质的量占Bi₂O₃加GeO₂物质的量总数之比。