近日，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光單元技術實驗室胡麗麗研究員團隊基于中程配位環境調控在摻釹石英玻璃中獲得類石榴石微結構，增強了1.06 μm發射性能，有望應用于提升大能量激光的重復頻率。相關成果以“Boosting Nd3+ emission in Nd/Al/Y co-doped silica glass by mid-range localized environmental manipulation”為題發表于Ceramics International。
 

　　目前，激光器已經達到了很高的能量水平(兆焦耳量級)和功率水平(拍瓦量級)，但這些大能量激光器的重復頻率低(<10 Hz)，導致應用效率不足，遠不能滿足激光沖擊強化、拍瓦超快激光以及聚變能源發電等應用都對大能量高重頻激光的重大需求。激光增益介質是激光器的核心和基礎，提高大能量激光器的重復頻率關鍵在于尋找抗熱震性優良、發射性能好的激光增益介質。石英玻璃具有比釔鋁石榴石晶體高1.5倍的耐熱沖擊品質因素，且相對晶體制備大尺寸簡單、成本低廉，但稀土離子在石英玻璃中的發射截面較低，因此，提高稀土離子在石英玻璃中的發射性能具有重要研究價值。然而，調節稀土離子在剛性石英玻璃網絡中的光譜性質面臨巨大挑戰。
 

　　研究團隊提出了一種中程局域化環境操縱的方法，將稀土離子微觀局域環境對稱性從無定形改變為期望的晶體結構，以增強稀土離子的發射強度。他們用溶膠凝膠法制備了Nd/Y/Al共摻雜的石英玻璃，并對玻璃進行不同時間的熱處理，以獲得不同的中程局域環境。透射電子顯微鏡、電子順磁共振測試和Judd-Ofelt理論分析結果顯示，Nd3+離子進入YAG結構有利于其發射增強。在優化Nd3+的中程局域環境以平衡熒光增強效應與熒光猝滅和瑞利散射之后，發射強度增加了300%。該研究結果表明，中程局域環境調控對于提高大能量激光器的重復頻率是非常有前途的。此外，這種方法可以推廣到調整其他稀土摻雜玻璃和光纖的發射特性。
 

　　相關研究得到了國家自然科學基金的支持。
 

圖 1. 改進的溶膠凝膠法樣品制備流程
 

　　圖2. (a-c)具備不同中程局域環境的石英玻璃微觀圖像. (d)晶粒的元素分布

 

　　圖3. 不同時間熱處理后石英玻璃的 (a)吸收光譜, (b)熒光光譜, (c)熒光衰減譜