揭示组成变化（Li+、Zn2+、B3+、Ti4+）对Tb3+-Sm3+离子共掺碲酸盐玻璃颜色可调发光性能的影响，以应用于固态激光器

《Optical Materials》：Divulging the effect of compositional variation (Li+, Zn2+, B3+, Ti4+) on color tunable luminescence of Tb3+- Sm3+ ions co-doped tellurite glasses for solid state laser applications

硫属化物玻璃中Tb3?/Sm3?共掺杂体系通过熔融淬火法制备，XRD和FTIR证实玻璃无定形结构。发射光谱显示542nm（Tb3?）和599nm（Sm3?）特征峰，能量传递机制使发光强度随氧化态升高而减弱，CIELab色空间显示红橙色调可调性，适用于调谐固态激光系统。

　　本研究聚焦于一种新型的 Tb3?/Sm3? 共掺杂碲酸盐玻璃材料，其制备基于金属氧化物氧化态的变化。这种材料被设计用于可调谐固态激光器的开发，具有广阔的应用前景。通过熔融淬火法，研究人员成功合成了不同化学组成的一系列玻璃，其中 X 表示 Li?、Zn2?、B3? 和 Ti?? 的氧化态变化。本研究不仅分析了玻璃结构，还探讨了其发光特性，从而为新型激光材料的开发提供了科学依据。

首先，Tb3? 和 Sm3? 离子在玻璃中的共掺杂使得材料能够在可见光范围内产生丰富的发射光谱。Tb3? 离子主要发射在绿色区域（约 542 nm），对应于其从 ?D? 到 ?F? 的能级跃迁。而 Sm3? 离子则主要发射在橙红色区域（约 599 nm），对应于其从 ?G?/? 到 ?H?/? 的能级跃迁。这两种离子的发射光谱在可见光范围内具有显著的覆盖范围，为可调谐激光器提供了理想的发射基底。此外，Tb3? 离子的发射光谱与 Sm3? 离子的激发光谱之间存在良好的重叠，这表明在材料中能够实现有效的能量传递，从而提高激光效率。

其次，研究通过 XRD（X 射线衍射）和 FTIR（傅里叶变换红外光谱）等技术对玻璃的结构进行了详细分析。XRD 结果表明，所有玻璃样品均呈现非晶态结构，没有出现任何晶体衍射峰，这进一步验证了玻璃材料的无序性。FTIR 分析则揭示了不同种类的振动基团在玻璃结构中的存在，这与金属氧化物的氧化态变化有关。这些振动基团的存在对玻璃的光学性质具有重要影响，尤其是在能量传递和发光效率方面。

在发光机制方面，研究发现随着金属氧化物氧化态的变化，玻璃的发光强度和荧光衰减寿命均有所下降。这一现象主要归因于玻璃网络中声子弛豫的增强以及陷阱和缺陷的增加。声子弛豫是指在材料中，能量在晶格振动过程中被快速耗散，从而减少了光子发射的可能性。而陷阱和缺陷则是指在玻璃结构中，某些区域可能对发光离子的激发态产生捕获作用，进而影响其发光效率。因此，随着氧化态的升高，玻璃的发光性能逐渐下降。

此外，研究还通过 CIE1931 色度图和 CIELab 色彩空间对玻璃的发光颜色进行了分析。结果表明，随着金属氧化物氧化态的变化，玻璃的发光颜色逐渐向更红的区域偏移。这种颜色变化不仅验证了玻璃材料在可见光范围内具有良好的调谐能力，也表明其在可调谐固态激光器中的应用潜力。通过调整金属氧化物的氧化态，可以有效控制玻璃的发光颜色，从而满足不同应用场景的需求。

本研究的创新点在于系统地探讨了从单价（Li?）到四价（Ti??）氧化态变化对 Tb3?/Sm3? 共掺杂碲酸盐玻璃材料的光学性质和性能的影响。以往的研究多集中在单一离子的掺杂对玻璃性能的影响，而本研究则通过引入不同氧化态的金属氧化物，探索了其对玻璃整体性能的协同作用。这一研究为开发新型激光材料提供了新的思路，同时也为优化现有激光材料的性能提供了科学依据。

在制备工艺方面，研究人员采用熔融淬火法合成玻璃材料。该方法通过将原料在高温下熔融，然后迅速冷却，从而获得非晶态的玻璃结构。在实验过程中，研究人员制备了多种不同氧化态的玻璃样品，包括 TSLi1Te、TSZn2Te、TSB3Te 和 TSTi4Te。每种玻璃样品的组成均有所不同，其中 Li?O、ZnO、B?O? 和 TiO? 的比例被调整以研究其对玻璃性能的影响。这种系统性的实验设计使得研究人员能够准确地评估不同氧化态对玻璃光学性质的具体影响。

在结构分析方面，XRD 和 FTIR 技术的应用为研究人员提供了重要的信息。XRD 技术能够验证玻璃的非晶态结构，而 FTIR 技术则能够揭示玻璃中不同种类的振动基团。这些分析结果表明，不同氧化态的金属氧化物对玻璃结构的影响主要体现在其对玻璃网络的修饰作用上。例如，Li?O 的引入能够增强玻璃的透明度和光学质量，而 ZnO 的掺杂则能够改善玻璃的硬度和光学清晰度。B?O? 的添加则有助于降低玻璃的熔点，使其更容易在较低温度下形成。TiO? 的掺杂则能够增强玻璃对紫外光的吸收能力，从而提高其在防护玻璃等应用中的性能。

在发光特性方面，研究发现 Tb3?/Sm3? 共掺杂的玻璃在可见光范围内具有显著的发射光谱。Tb3? 离子的发射主要集中在绿色区域（约 542 nm），而 Sm3? 离子的发射则主要集中在橙红色区域（约 599 nm）。这两种离子的发射光谱在可见光范围内具有良好的覆盖范围，为可调谐激光器提供了理想的发射基底。此外，Tb3? 离子的发射光谱与 Sm3? 离子的激发光谱之间存在良好的重叠，这表明在材料中能够实现有效的能量传递，从而提高激光效率。

研究还发现，随着金属氧化物氧化态的升高，玻璃的发光强度和荧光衰减寿命均有所下降。这一现象主要归因于玻璃网络中声子弛豫的增强以及陷阱和缺陷的增加。声子弛豫是指在材料中，能量在晶格振动过程中被快速耗散，从而减少了光子发射的可能性。而陷阱和缺陷则是指在玻璃结构中，某些区域可能对发光离子的激发态产生捕获作用，进而影响其发光效率。因此，随着氧化态的升高，玻璃的发光性能逐渐下降。

此外，研究还通过 CIE1931 色度图和 CIELab 色彩空间对玻璃的发光颜色进行了分析。结果表明，随着金属氧化物氧化态的变化，玻璃的发光颜色逐渐向更红的区域偏移。这种颜色变化不仅验证了玻璃材料在可见光范围内具有良好的调谐能力，也表明其在可调谐固态激光器中的应用潜力。通过调整金属氧化物的氧化态，可以有效控制玻璃的发光颜色，从而满足不同应用场景的需求。

综上所述，本研究通过对 Tb3?/Sm3? 共掺杂碲酸盐玻璃材料的系统研究，揭示了不同氧化态对玻璃光学性质和性能的影响。研究结果表明，这些玻璃材料在可见光范围内具有良好的发射特性，并且能够实现有效的能量传递，为可调谐固态激光器的开发提供了重要的理论依据和实验支持。此外，研究还发现，不同氧化态的金属氧化物对玻璃结构的修饰作用显著，从而影响了玻璃的整体性能。这些发现不仅有助于优化现有激光材料的性能，也为开发新型激光材料提供了新的思路。