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上海光机所在高重复频率磷酸盐激光钕玻璃材料研究方面取得新进展

近日，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团队在掺钕磷酸盐激光玻璃的结构与性能调控方面取得新进展。相关研究成果以“Unveiling the Structure and Properties Evolution of Nd³⁺-Doped Phosphate Glass with Substitution of SiO2 by P2O5”为题发表于Journal of the American Ceramic Society。

掺钕磷酸盐激光玻璃是惯性约束聚变（ICF）等高功率固体激光装置的核心增益介质。随着聚变点火目标的实现，下一代激光驱动器正朝着高重复频率（赫兹至数十赫兹）方向发展，这对增益介质提出了更为严苛的要求：低热光系数以抑制热透镜效应，高发射截面以保证足够增益，以及良好的化学耐久性以抵抗水冷环境下的潮解。传统抗热冲击型磷酸盐玻璃虽通过引入SiO2以增强机械性能，但较高的SiO2含量会降低化学耐久性并增大热光系数，限制了其在更高重复频率场景下的应用。因此，探索新的组分设计策略，以实现多性能指标的协同优化，具有重要的研究价值。

研究团队设计了一系列组分为P2O5-Al2O3-BaO-K2O-Na2O-SiO2的掺钕磷酸盐玻璃，通过逐步用P2O5替代SiO2（从10 mol%降至0），系统研究了结构演化与化学、热学、光谱性能之间的关联。团队综合运用了拉曼光谱、27Al和31P固体核磁共振（MAS NMR）、高能X射线全散射对分布函数（PDF）等多尺度结构表征手段，建立了从近程配位到中程网络的结构演变图谱，并探讨了其对关键性能的调控机制。

研究发现，化学稳定性的显著提升与P‒O‒Al桥接键含量的增加直接相关；热光系数随P2O5替代由正转负，有助于抑制热透镜效应。在光谱性能方面，研究结果揭示了Judd-Ofelt参数Ω4和Ω6与6-7Å中程网络结构有序度的相关性。随着玻璃中六配位Al（Al(VI)）比例升高及网络交联增加，钕离子1053nm峰值受激发射截面在初始下降后逐步回升，并高于现有商用高平均功率钕玻璃的参考值。

综合热学、化学和光谱性能，研究团队提出最优SiO2含量约为2 mol%（PS-2#）。该组分兼具负热光系数（–6.9×10–7 K–1）、较高的发射截面（4.42×10–20 cm2）和较好的化学稳定性，为高重复频率激光放大器的增益介质选材提供了一种有潜力的候选材料。该研究为理解中程结构对稀土局域环境的调控提供了新视角，为掺钕磷酸盐玻璃的结构-性能关系提供了多尺度图谱，也为面向未来聚变激光驱动器的高平均功率激光玻璃设计提供了实验依据。

相关研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDB0890103, XDB089000）、中国科学院上海光学精密机械研究所自主部署项目、以及中国科学院青年创新促进会研究项目的资助。

原文连接

图1. 硅磷取代引起磷酸盐玻璃近中程结构的变化（左：高能X射线全散射对分布函数图PDF，右：样品之间的相对对分布函数rPDF）。

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