上海光学精密机械研究所----上海光机所提出石英玻璃作为可见光激光材料的新方案

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超强激光科学卓越创新简报

(第五百零七期)

2024年4月16日

上海光机所提出石英玻璃作为可见光激光材料的新方案

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所先进激光与光电功能材料部胡丽丽研究员课题组，提出一种基于稀土离子Dy³⁺掺杂石英玻璃作为黄光激光材料的新方案，相关研究成果以“Effect of P/Al ratio on the X-ray induced darkening in Dy-doped silica glasses at visible wavelengths”发表于Journal of the American Ceramic Society。

目前，Dy³⁺掺杂材料的黄光激光在玻色-爱因斯坦凝聚、光凝治疗等领域具有重要应用潜力。氟化物光纤基质由于其低声子分布而被广泛用作可见光增益光纤的主体材料。然而，氟化物光纤存在化学稳定性和机械性能不好、制备条件苛刻等限制，这大幅增加了制备成本和难度。相比之下，石英玻璃基质因具有物化性能和机械性能优异、光学性能好的优势而获得了快速发展，并成功实现了Dy³⁺离子的黄光激光输出。然而，掺Dy³⁺石英光纤在蓝光的激发下存在光子暗化的问题，限制了输出功率的进一步提升。因此，如何抑制光暗化成为了可见光激光器领域亟需解决的关键科学问题。

研究团队提出一种抗光子暗化型掺Dy³⁺石英玻璃的新方案。该方案通过提升P/Al比，从玻璃基质内部抑制了Dy离子变价以及Al-OHC等缺陷的形成，从而大幅降低了辐照引起的吸收损耗。石英玻璃中，Al是常用的稀土离子分散剂，可以提高稀土离子的分散性和溶解度。但由于Al³⁺在石英玻璃中的价态与基质Si不匹配，在吸收一定能量后（蓝光、紫外线辐照）很容易产生空穴中心Al-OHC等缺陷。引入P，能够与Al形成价态平衡且稳定的[PAlO₄]结构基团，这抑制了Al相关缺陷的形成，从而提升了掺Dy石英玻璃的抗光暗化性能。该工作为可见光光纤激光器提供关键材料和方法支撑。