中红外光源在**安全、食品安全、光谱分析等**或国民经济的重要行业有着重要的应用。近年来, 稀土离子掺杂硫系玻璃和光纤的研究主要集中在提高稀土离子溶解度、降低稀土离子局域声子能量和敏化离子共掺等方面。在玻璃和光纤中获得了Dy3+、Pr3+、Dy3+、Tb3+、Sm3+等稀土离子的中红外荧光, 这种宽带中红外荧光在传感领域得到了应用, 实现了CO2、CH4等气体的传感。本文综合评述了稀土掺杂中红外硫系玻璃和光纤的研究进展, 讨论了影响硫系玻璃光纤中红外发光的各种因素, 包括稀土离子溶解度、稀土离子周围声子能量、敏化离子间能量传递和杂质损耗等, 重点总结了宽带中红外荧光在气体传感领域的研究进展, 指出对于稀土离子掺杂硫系光纤气体传感器的研究有5个方面存在不足。如何在稀土掺杂玻璃光纤中获得中红外激光仍是一个急需研究的方向, 除了从有源光纤制备(基质选择、稀土离子共掺、局域结构调控、预制棒玻璃提纯等)的角度来寻求解决方案, 还需要从光纤光栅刻写技术、泵浦激光器功率和波长调谐方面进行研究。稀土掺杂中红外硫系光纤凭借其小巧、紧凑以及经济性等优点展现出巨大的应用潜力, 未来在多个领域的物质检测方面将实现广泛应用, 具有巨大的应用前景。

采用垂直布里奇曼法成功生长了Er3+/Ho3+/Eu3+三掺杂PbF2的中红外激光晶体。该晶体在980 nm泵浦下, 首次获得了从2 600~3 200 nm的宽带中红外发光, 其半高宽（FWHM）为300 nm,这是Er3+的2.7 μm发射峰（2 600~2 950 nm）和Ho3+的2.9 μm发射峰（2 800~3 200 nm）叠加的结果。此外, 失活离子Eu3+ 的引入可以有效克服Er3+和Ho3+离子的自终止瓶颈效应。研究发现, 与Er3+/Ho3+∶PbF2晶体相比, Er3+/Ho3+/Eu3+∶PbF2晶体具有更高的荧光分支比, 在Er3+: 4I11/2→4I13/2跃迁为18.7%和Ho3+: 5I6→5I7跃迁为18.0%; 以及有更大的发射截面, 在2 745 nm时为0.621×10-20 cm2, 在2 905 nm时为0.728×10-20 cm2。这些有利的光谱特性表明, Er3+/Ho3+/Eu3+∶PbF2晶体在商用980 nm激光二极管泵浦下, 可能是2.6~3.2 μm中红外激光器的一种有前景的材料。

制备了一系列Dy3+掺杂新型Ga-Sb-S 硫系玻璃，研究了玻璃的热稳定性(玻璃态稳定性)、光学性能、结构和中红外发光性能，通过组分微调改善了玻璃的抗析晶性能，拉制了高光学质量的光纤。结果表明，Dy3+掺杂Ga-Sb-S玻璃具有良好的热稳定性、优异的红外透光性和较低的声子能量，在2.95、3.59、4.17、4.40 μm 附近表现出较强的发光；少量As替代Sb可显著减弱光纤拉制过程中玻璃的析晶倾向，同时未对玻璃的发光产生显著影响。光谱分析结果显示，Dy3+在Ga-Sb-S 玻璃中的2.95 μm 和4.17 μm 荧光量子效率分别为88.1% 和75.9%，对应的受激发射截面分别为1.1×10-20 cm2和0.38×10-20 cm2。较高的量子效率和较大的受激发射截面使得Dy3+掺杂Ga-Sb-S玻璃成为极具潜力的中红外激光增益材料。

稀土掺杂硫系玻璃是实现中红外发光的重要手段，通过在稀土掺杂硫系玻璃样品上构造光子晶体结构可以大大增强其发光效率。制备了Tm3+离子掺杂硫系玻璃样品并测试了其光谱特性，通过设计光子晶体结构来增强Tm3+离子跃迁产生的3.73 mm 处的荧光强度。利用有限时域差分法（FDTD）进行运算，模拟结果表明，通过优化设计的光子晶体结构参数，掺杂样品在3.73 mm 处的光子态密度相比于未采用光子晶体结构所产生的光子态密度有极大提高，计算其Purcell放大因子可达到未进行结构设计的50 倍以上。光子态密度的极大提高以及Purcell放大因子为增强发光强度提供了理论依据，该研究结果对实现高效率中红外光源器件具有重要的指导意义。

用坩埚下降法制备了Ho3+离子掺杂的LiYF4单晶。测定了Ho3+∶LiYF4晶体的偏振吸收光谱。应用Judd-Ofelt理论分别计算了Ho3+∶LiYF4晶体中Ho3+离子的有效强度参数Ω2, 4, 6、能级跃迁振子强度fexp和fcal、自发辐射跃迁几率A、荧光分支比β、辐射寿命τrad等光谱参数。测定了样品在640 nm光激发下的红外发射光谱,观测到由Ho3+离子的5I6→5I7跃迁所致的2.8～3 μm中红外发光,以及在1.2 μm (5I6→5I8)和2.0 μm(5I7→5I8)处较强的荧光。Ho3+∶LiYF4单晶样品的吸收峰线宽较宽,计算得到1.2 μm和2.0 μm的峰值发射截面分别达到0.20×10-20 cm2和0.51×10-20 cm2, 同时测定了1 191 nm(5I6→5I8)和2 059 nm(5I7→5I8)发射的荧光寿命。研究结果表明: Ho3+∶LiYF4晶体在2.0～3 μm波段的中红外激光器中有较大的应用前景。

用熔融急冷法制备了系列Ho3+/Tm3+共掺的78GeS2-12Ga2S3-10CsI玻璃样品, 测试了样品的吸收光谱以及808 nm激光泵浦下的2 μm中红外荧光光谱。 用Judd-Ofelt理论计算了Ho3+离子在78GeS2-12Ga2S3-10CsI硫卤玻璃中的强度参数Ωi(i=2,4,6)、 自发辐射跃迁概率Arad和辐射寿命τr等光谱参数, 以及Ho3+离子在2 μm处的吸收截面σa、 发射截面σe和增益系数G(λ)。 讨论了808 nm激光泵浦下的样品中红外荧光特性与Tm3+离子掺杂浓度之间的关系, 分析了Tm3+和Ho3+之间的能量转移机制。 结果表明, Ho3+/Tm3+共掺的78GeS2-12Ga2S3-10CsI玻璃是一种理想的2 μm激光基质材料。

用熔融急冷法制备了系列不同Tm3+掺杂浓度的Ge30Ga5Se65玻璃样品， 测试了样品折射率、 拉曼光谱、 吸收光谱以及800 nm激光泵浦下的近红外及中红外波段荧光光谱和荧光寿命。 用Judd-Ofelt理论计算了Tm3+在Ge30Ga5Se65玻璃中的强度参数Ωi(i=2, 4, 6)、 自发辐射跃迁概率A、 荧光分支比β和辐射寿命τrad等光谱参数。 讨论了800 nm激光泵浦下掺杂1 Wt% Tm3+样品在近红外1.23， 1.48和1.8 μm处的发光特性及各量子效率， 研究了800 nm激光泵浦下的样品中红外荧光特性与掺杂浓度之间的关系， 计算了常温下该基质玻璃中Tm3+: 3H5→3F4跃迁对于3.8 μm处的多声子弛豫速率Wmp和Ge30Ga5Se65玻璃基质中多声子弛豫常数W(0)和电子-声子结合常数α值。 结果表明Ge30Ga5Se65硒基玻璃较低的声子能量可以大大降低稀土离子能级间跃迁的多声子弛豫概率， 从而提高中红外荧光发光效率， 因此硒基玻璃作为稀土离子的掺杂基质材料对实现中红外荧光输出是非常有利的。

为了获得能输出中红外荧光的理想基质玻璃，用熔融急冷法制备了系列不同Er3+离子掺杂浓度的Ge-Ga-S-KBr硫卤玻璃，测试了样品折射率、吸收光谱、中红外荧光光谱.通过吸收光谱计算了Er3+离子吸收谱线的振子强度，应用Judd-Ofelt理论计算分析了Er3+离子在Ge-Ga-S-KBr硫卤玻璃中的强度参量Ωi( i=2,4,6)、自发辐射跃迁几率A、荧光分支比β等光谱参量.研究了808 nm激光抽运下样品中红外荧光特性与掺杂浓度之间变化关系，并用Futchbauer-Ladenburg公式分别计算了2.8 μm处的受激发射截面.结果表明，在808 nm激光抽运下观察到了2.8 μm中红外荧光，对应于Er3+∶4I11/2→4I13/2跃迁，当Er3+离子掺杂浓度从0.4 wt%增加到1.0 wt%时，中红外荧光强度相应增加，计算的Er3+∶4I11/2能级的多声子驰豫速率为37 s-1.

在不同热处理工艺条件下制备了掺Ho3+(质量分数为0.6%)的65GeS2-25Ga2S3-10CsI (其各成份的摩尔分数为65%,25%,10%)硫卤玻璃陶瓷,测试了其密度、显微硬度、红外透射光谱、以及中红外荧光光谱,对比研究了基质玻璃与玻璃陶瓷样品之间性能差异。结果表明,随着热处理温度和时间的增加,玻璃陶瓷样品密度和显微硬度明显增加。样品的X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)测试结果表明在440 ℃温度下热处理12 h的样品析出GeS2纳米颗粒尺寸为80 nm,Ho3+在玻璃陶瓷中产生在2.0 μm和2.9 μm两处中红外荧光明显增强。

用熔融急冷法制备了系列不同Tm³⁺离子掺杂浓度的Ge-Ga-S-CsI硫卤玻璃,测试了样品折射率、吸收光谱以及800 nm激光抽运下的近红外及中红外波段荧光光谱特性。用Judd-Ofelt理论计算分析了Tm³⁺离子在Ge-Ga-S-CsI硫卤玻璃中的强度参数Ωi(i=2,4,6),自发辐射跃迁几率A,荧光分支比β和辐射寿命τrad等光谱参数。讨论了800 nm激光抽运下的样品近红外及中红外荧光特性与Tm³⁺离子掺杂浓度之间的关系,并用McCumber(MC)理论和Futchbauer-Ladenburg(FL)公式分别计算了1.8 μm和3.8 μm处的受激发射截面。