中红外稀土掺杂连续光纤激光在光声技术、红外制导、医疗手术、塑料加工以及5G通信等领域有着十分广阔的应用前景。然而，制备中红外稀土掺杂连续光纤激光器的光纤基质材料单一，再加上高增益光纤和器件的缺乏，大大限制了大功率单频连续光纤激光器的发展。本文对比了传统的石英光纤、氟化物光纤、硫系光纤和重金属氧化物光纤，最终将碲酸盐光纤作为阐述对象。重点阐述了国内外中红外稀土掺杂碲酸盐连续光纤激光的研究进展，目前2.0 μm波段的最高输出功率为8.08 W、最高斜率效率为77%；3.0 μm波段的理论模拟结果显示最高输出功率高达5.219 W、最高斜率效率可达40%。

三价稀土离子上转换发光有着一些很有价值的应用技术: 波导上转换及放大和激光、 上转换三维立体显示、 飞秒光谱应用、 激光控温、 三维成像与存储、 光学温度感应系统、 牙科等生物物理应用、 上转换荧光防伪、 上转换宽带光源、 和上转换红外显示片等。 因为受到太阳能电池发展需求的促进, 上转换研究再度呈现出澎湃的研究热潮。 目前, 利用金属表面等离子体共振的近场增强效应能够有效增强其表面附近的荧光物质的发光的特性, 有可能较大幅度的提高上转换发光的强度, 从而有可能进一步把上转换发光推向实用。 利用离子引入法, 在铋化物的发光玻璃中引入银颗粒。 研究结果表明银表面等离激元的表面等离子体共振吸收峰位于580～600 nm; 而且, 加热时间的延长导致了表面等离子体共振吸收峰的剧烈增强和稍微蓝移。 978 nm半导体激光能够导致531.0, 546.0和657.5 nm的三组Er3+的2H11/2→4I15/2, 4S3/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2的双光子上转换荧光, 978 nm激光激发掺铒铋化物发光玻璃的上转换发光的机理是第一步的4I15/2→4I11/2共振基态吸收和随后的第二步的4I11/2→4F7/2的共振激发态吸收; 纳米银的表面等离激元的引入促成铋化物发光玻璃中铒离子的978 nm激光激发的上转换发光最大增强了272.0%倍。 1 539 nm半导体激光能够导致波长为528.0, 547.0, 657.0和795.0 nm的四组Er3+的2H11/2→4I15/2, 4S3/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2和4I9/2→4I15/2的上转换荧光; 1539 nm激光导致的528.0 nm 2H11/2→4I15/2和547.0 nm 4S3/2→4I15/2上转换荧光的机理主要是1 539 nm激光的4I15/2→4I13/2, 4I13/2→4I9/2和4I9/2→2H11/2的三步光激发吸收跃迁过程, 1 539 nm激光导致的657.0 nm 4F9/2→4I15/2上转换荧光的机理主要是1 539 nm激光的4I15/2→4I13/2, 4I13/2→4I9/2和4I11/2→4F9/2的三步光激发吸收跃迁过程; 纳米银的表面等离激元的引入导致了铋化物发光玻璃中铒离子的1 539 nm激光激发的上转换发光最大增强160.3%倍。 显然, 靠近银表面等离激元共振吸收峰的978 nm激光上转换的增强效果比1 539 nm激光的要好。

局域表面等离激元可以由自由空间的光直接激发, 这也是局域表面等离激元的优点所在。 研究铋化物发光玻璃中纳米银颗粒的表面等离激元对铒离子发光的增强效应、 进一步的提高铋化物发光玻璃中铒离子的发光性能很有意义。 首先, 测量了(A) Er3+(0.5%)Ag(0.5%): 铋化物发光玻璃与(B) Er3+(0.5%): 铋化物发光玻璃样品的吸收谱, 发现(A) Er3+(0.5%)Ag(0.5%): 铋化物发光玻璃在约600.0 nm处有一个较弱的宽的银表面等离激元共振吸收峰。 同时发现两者都有典型的铒离子的吸收峰, 它们的吸收几乎完全一样： 在波峰形状、 峰值强度和峰值波长等方面都很相近。 测量了(A) Er3+(0.5%)Ag(0.5%): 铋化物发光玻璃和(B) Er3+(0.5%): 铋化物发光玻璃样品的激发谱, 发现有位于379.0, 406.0, 451.0, 488.0和520.5 nm的5个550.0 nm可见光的可见激发谱峰, 和位于379.0, 406.5, 451.0, 488.5, 520.5, 544.0, 651.5和798.0 nm的8个1 531.0 nm红外光的红外激发谱峰, 容易指认出依次为Er3+的4I15/2→4G11/2, 4I15/2→2H9/2, 4I15/2→(4F3/2, 4F5/2), 4I15/2→4F7/2, 4I15/2→2H11/2, 4I15/2→4S3/2, 4I15/2→4F9/2和4I15/2→4I9/2跃迁的吸收峰, 通过测量发现(A) Er3+(0.5%)Ag(0.5%): 铋化物发光玻璃相对于(B) Er3+(0.5%): 铋化物发光玻璃样品的可见和红外激发谱的最大增强依次分别是238%和133%。 最后, 测量了它们的发光谱, 发现有位于534.0, 547.5和658.5 nm的三组可见发光峰, 容易指认出依次为Er3+的2H11/2→4I15/2, 4S3/2→4I15/2, 4F9/2→4I15/2荧光跃迁。 还发现红外发光峰位于978.0和1 531.0 nm, 依次为Er3+的4I11/2→4I15/2和4I13/2→4I15/2的荧光跃迁。 通过测量发现(A) Er3+(0.5%)Ag(0.5%): 铋化物发光玻璃相对于(B) Er3+(0.5%): 铋化物发光玻璃样品的可见和红外发光谱的最大增强依次分别是215%和138%。 对于银表面等离激元增强铒离子发光的机理, 认为主要为纳米银颗粒的局域表面等离激元共振, 造成金属纳米结构附近产生的局域电场的强度要远大于入射光的电场强度, 从而导致了金属纳米结构对入射光产生强烈的吸收和散射, 进而导致了荧光的增强； 即局域表面等离子体共振局域场的场增强效应。

有趣的贵金属表面等离激元的光学性质, 尤其是在发光增强领域的表现, 使得它已经成为全球的一个研究热点。 表面等离激元就是光与贵金属中的自由电子相互作用时, 自由电子和光波电磁场由于共振频率相同而形成的一种集体振荡态。 该文研究了碲化物玻璃中银纳米颗粒的表面等离激元共振增强铒离子的发光。 我们测量了吸收谱、 激发谱、 发光谱以及荧光寿命。 首先, 我们挑选365.5和379.0 nm吸收峰作为激发波长测量了385～780 nm波长范围的可见发光光谱, 发现有4个发光峰, 依次位于408.0, 525.0, 546.0和658.5 nm, 容易指认出它们依次为铒离子的2H9/2→4I15/2, 2H11/2→4I15/2, 4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的荧光跃迁; 可以计算出［80 nm平均粒径纳米银的Er3+(0.5%)Ag(0.2%): 碲化物玻璃的样品A］的上述4个可见发光的峰值强度是［Er3+(0.5%): 碲化物玻璃的样品C］的大约1.44～2.52倍。 同时, ［50 nm平均粒径纳米银的Er3+(0.5%)Ag(0.2%): 碲化物玻璃的样品B］的上述4个可见发光的峰值强度是样品C的大约1.08～1.55倍。 随后, 我们挑选365.5和379.0 nm 吸收峰作为激发波长测量了928～1 680 nm波长范围的近红外发光光谱, 发现近红外波段有两个发光峰, 位于979.0和1 530.0 nm, 容易指认出它们依次为铒离子的4I11/2→4I15/2和4I13/2→4I15/2的荧光跃迁; 同样可以计算出样品A的上述2个近红外发光的峰值强度是样品C的大约1.43～2.14倍。 同时, 样品B的上述2个近红外发光的峰值强度是样品C的大约1.28～1.82倍。 因此, 发光的最大增强大约是2.52倍。 从荧光寿命动力学实验, 我们发现样品A的荧光寿命为τA(550)=43.5 μs, 样品B的荧光寿命为τB(550)=43.2 μs, 样品C的荧光寿命为τC(550)=48.6 μs。 这些实验结果证实了τA≈τB ＜τC。 它意味着样品(B)相对于样品(C)的发光增强是源于自发辐射增强效应。 然而, 它也意味着样品(A)相对于样品(B)的发光增强是源于纳米银颗粒的粒径尺寸r效应。 也就是说当粒径尺寸r增大的时候, 散射截面Cs和r6成正比, 而吸收截面Ca和r3成正比, 因此散射截面Cs增大的速度会远大于吸收截面Ca增大的速度, 而散射截面Cs是荧光增强的原因, 吸收截面Ca是荧光减弱的原因, 所以随着银纳米颗粒尺寸的增大, 其散射截面占主要部分, 当发光材料和金属表面等离子体SP发生耦合时, 能量快速的转移到金属表面等离子体SP上, 而后被散射到远场, 这有利于增强荧光。 其综合的结果就导致了发光强度会随r的增大而增强。 上述实验的结果对太阳能电池的光伏发电和生物物理应用等领域都有着很好的应用前景。

采用高温熔融法制备了Tm3+/Dy3+共掺杂铋酸盐玻璃样品。利用样品的差热分析曲线、拉曼光谱、红外透过光谱、吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线, 对800 nm激光二极管抽运下样品的1.47 μm宽带发光特性进行了研究。研究结果表明, 制备的铋酸盐玻璃具有良好的热稳定性、较低的声子能量和较高的红外透过率。当Dy3+的摩尔分数为0.3%时, 实现了对Tm3+的1.47 μm发光的敏化增强, 其荧光谱线的半峰全宽为118 nm。计算得到1.47 μm发光的最大受激发射截面为4.37×10-21 cm2, 光纤放大品质因子为5.31×10-26 cm3。

用高温熔融法制备了Er3+/Tm3+共掺杂无铅铋硅酸盐玻璃.测试了玻璃的吸收光谱和荧光光谱, 分析和表征了Er3+、Tm3+离子之间的能量传递机制和传递效率, 结果表明：在800 nm和1 550 nm光源泵浦下, Er3+的掺入能够增强Tm3+离子1.8 μm发光, 相应的最大发射截面分别为6.7×10－21 cm2和7.3×10－21 cm2, 荧光带宽达到250 nm.根据Dexter-Foster模型, 得到Er3+：4I13/2能级到Tm3+：3F4能级的直接能量传递系数为16.8×10－40 cm6/s, 为1 550 nm泵浦下获得较强的1.8 μm发光奠定了基础.

研究了纳米相氟氧化物玻璃陶瓷中Er3+Yb3+离子对的量子剪裁发光造成的强的光谱调制现象。 测量了Er3+Yb3+双掺纳米相氟氧化物玻璃陶瓷的X射线衍射谱、 表面形貌、 激发光谱、 吸收光谱、 和发光光谱； 而且也与Tb3+Yb3+双掺纳米相氟氧化物玻璃陶瓷的相对应的光谱参数进行了比较。 发现378 nm光激发样品(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和样品(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV所导致的652.0 nm红色发光强度为522 nm光激发时的680.85倍和303.80倍； 我们还发现378 nm光激发所导致的样品(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和样品(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV的 652.0 nm红色发光强度为样品(C) Er(0.5%)∶FOV 的491.05和184.12倍。 我们还发现在378 nm光激发时的样品(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和样品(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV的{978.0和1 012.0 nm}红外发光强度依次分别为样品(C) Er(0.5%)∶FOV 的{58.00和293.62}倍和{25.11和 67.50}倍。 更进一步, 对于652.0 nm波长发光的激发谱, 发现(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV的378.5 nm激发谱峰强度是(C) Er(0.5%)∶FOV的大约606.02和199.83倍。 同时, 也发现样品(A) Er(1%)Yb(8.0%)∶FOV和样品(B) Er(0.5%)Yb(3.0%)∶FOV的一级量子剪裁红外1 012或978 nm发光强度为样品(D) Tb(0.7%)Yb(5.0%)∶FOV的二级量子剪裁红外976 nm发光强度的101.38和29.19倍。 发现的该量子剪裁是目前所报道的最强的量子剪裁。 因此, 相信所发现的氟氧化物纳米玻璃陶瓷中Er3+Yb3+离子对的一级量子剪裁发光是强的可以作为量子剪裁层应用到提高晶硅太阳能电池的发电效率。 研究结果也能加速对目前国际热点的下一代环保的光谱调制太阳能电池的探索。

以TeO2、ZnO、La2O3为基质制备了掺铒离子的碲酸盐发光玻璃,应用Judd-Ofelt(J-O)理论计算得到 光谱强度三参量,以及铒离子原子组态各个能级的跃迁辐射寿命、荧光分支比及积分发射截面。 发现积分发射截面较大(大于10-18 cm), 表明具有较好的激光发射特性。基于稀土离子4f能级的丰富性,分析了Er3+离子 能级之间 发生能级交叉弛豫的可能性,并指出了其在上转换和量子剪裁中的应用前景,为单掺与多掺稀土 离子碲酸盐发光玻璃的进一步应用提供了实验依据和理论参考。