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中红外(2～5微米)激光在红外对抗、激光雷达、空间通讯、医学工程等领域具有广泛应用。稀土离子掺杂玻璃光纤激光器是直接获取中红外激光最有前途的发展方向之一,其研发核心是找到合适的光纤(增益介质)。硫系玻璃材料由于具有低声子能量、高折射率和宽红外透过范围等特点,是稀土掺杂中红外激光基质材料的最佳选择。在稀土离子方面,Dy3+不但拥有在光通讯领域具有重要应用价值的1.3μm这一近红外荧光发射,还拥有2.91μm(6H13/2→6H15/2)和4.3μm(6H11/2μ→6H13/2)这两个重要的中红外的荧光输出,正好位于大气中H2O和CO2的吸收波段,军事意义重大。
目前,Dy3+掺杂硫系玻璃材料2.9μm和4.3μm发光方面的研究还存在多个课题亟待解决:(1)玻璃基质组成和结构对稀土离子的4.3μm发光特性影响规律不明；(2)由于Dy3+在980nm和800nm附近不吸收或吸收截面很小,因此利用常用的诸如800nm等波长的近红外激光器来激发,会造成泵浦光吸收效率低,中红外荧光强度会较弱的情况；(3)由于Dy3+:6H9/2,6F11/12→6H13/2超敏跃迁(产生1.3μm波段发光)的存在,处于6H9/2,6F11/2能级上的粒子数不能通过无辐射跃迁到达6H11/2能级(因为粒子数被大量的消耗掉了)；另外Dy3+的6H13/2能级寿命较6H11/2的要长,使得粒子数很难发生反转。因此,需要通过选择更合适的泵浦激光波长以及共掺杂敏化离子等方式提高其在2.9μm和4.3μm的发光效率。
本文中,采用熔融.淬冷法制备了Dy3+单掺样品系列,并在该系列样品中发现了较强的1330nm荧光,并用J-O理论计算了其发射截面。随后制备了Dy3+,Tm3+共掺杂Ge-In-S及Ge-In-S-XY(X=Cs；Y=Br,I)共掺玻璃,并在2900和4300nm处均观测到明显的荧光值。论文分析研究了基质玻璃组成变化对稀土离子2.9μm,4.3μm荧光发射特性的影响,以及Tm3+的敏化作用对2.9μm,4.3μm荧光发射的提高。目的在于制备出稀土掺杂浓度高、2.9μm和4.3μm发光对应能级的量子跃迁效率高、荧光寿命长、光学损耗低、物理化学性质稳定,满足拉纤条件要求的稀土离子掺杂硫系玻璃材料,为实用高效的中红外光纤激光器奠定材料基础。