钡锌锗酸盐玻璃形成区的热力学预测及Yb3+/Ho^(3+)共掺2μm发光与声子辅助能量传递机理研究OA

2μm波段光纤激光器因兼具人眼安全、大气高透过率及水分子强吸收等优势,在精密传感、高端医疗、空间光通信及国防安全等领域具有不可替代的战略应用价值,但高性能中红外增益玻璃材料的可预测性设计仍面临挑战。本文基于钡锌锗酸盐(GeO_(2)-ZnO-BaO)三元体系,利用热力学方法和针对性实验对其玻璃形成区(简称成玻区)进行了预测和验证,并从中筛选出热稳定性优异的60GeO_(2)-20ZnO-20BaO作为基质玻璃组分。在此基础上,通过系统的浓度梯度实验,确定了Yb_(2)O_(3)和Ho_(2)O_(3)的最佳掺杂摩尔分数分别为1%和0.75%。在980 nm激光激发下,该玻璃在2μm波段(Ho^(3+):^(5)I_(7)→^(5)I_(8))表现出强荧光发射,荧光寿命达2.92 ms。Ho^(3+)的最大吸收与发射截面分别为4.24×10^(-21)cm^(2)和4.35×10^(-21)cm^(2),在同类玻璃体系中处于较高水平。进一步通过扩展重叠积分法,定量揭示了该体系中的声子辅助能量传递机制,其中Yb^(3+):^(2)F_(5/2)→Ho^(3+):5I6的能量传递系数为9.88×10^(-41)cm^(6)·s^(-1),单声子辅助过程占主导(86.37%),且正向传递效率较反向过程(Ho^(3+):^(5)I_(6)→Yb^(3+):^(2)F_(5/2))高约两个数量级,有利于降低能量回传损耗。上述结果表明,基于热力学设计筛选的Yb^(3+)/Ho^(3+)共掺钡锌锗酸盐玻璃在2μm波段具有优异的光谱性能和高效的能量传递特性,具备作为中红外激光增益材料的应用潜力,并为相关玻璃体系的设计提供了参考。