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超强激光科学卓越创新简报

(第四百三十六期)

2023年10月20日

上海光机所基于中程配位环境调控增强掺钕石英玻璃发射性能

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室胡丽丽研究员团队基于中程配位环境调控在掺钕石英玻璃中获得类石榴石微结构，增强了1.06 μm发射性能，有望应用于提升大能量激光的重复频率。相关成果以“Boosting Nd3+ emission in Nd/Al/Y co-doped silica glass by mid-range localized environmental manipulation”为题发表于Ceramics International。

目前，激光器已经达到了很高的能量水平（兆焦耳量级）和功率水平（拍瓦量级），但这些大能量激光器的重复频率低（<10 Hz），导致应用效率不足，远不能满足激光冲击强化、拍瓦超快激光以及聚变能源发电等应用都对大能量高重频激光的重大需求。激光增益介质是激光器的核心和基础，提高大能量激光器的重复频率关键在于寻找抗热震性优良、发射性能好的激光增益介质。石英玻璃具有比钇铝石榴石晶体高1.5倍的耐热冲击品质因素，且相对晶体制备大尺寸简单、成本低廉，但稀土离子在石英玻璃中的发射截面较低，因此，提高稀土离子在石英玻璃中的发射性能具有重要研究价值。然而，调节稀土离子在刚性石英玻璃网络中的光谱性质面临巨大挑战。

研究团队提出了一种中程局域化环境操纵的方法，将稀土离子微观局域环境对称性从无定形改变为期望的晶体结构，以增强稀土离子的发射强度。他们用溶胶凝胶法制备了Nd/Y/Al共掺杂的石英玻璃，并对玻璃进行不同时间的热处理，以获得不同的中程局域环境。透射电子显微镜、电子顺磁共振测试和Judd-Ofelt理论分析结果显示，Nd3+离子进入YAG结构有利于其发射增强。在优化Nd3+的中程局域环境以平衡荧光增强效应与荧光猝灭和瑞利散射之后，发射强度增加了300%。该研究结果表明，中程局域环境调控对于提高大能量激光器的重复频率是非常有前途的。此外，这种方法可以推广到调整其他稀土掺杂玻璃和光纤的发射特性。

相关研究得到了国家自然科学基金的支持。

原文链接

图 1. 改进的溶胶凝胶法样品制备流程

图2. (a-c)具备不同中程局域环境的石英玻璃微观图像. (d)晶粒的元素分布

图3. 不同时间热处理后石英玻璃的 (a)吸收光谱, (b)荧光光谱, (c)荧光衰减谱

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