《光子玻璃结构与性质预测及其功能化》

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非晶态无机玻璃具有高度透明、优异的成型加工和物理化学等特性,在信息光电子、能源环境、交通建筑等各个领域不可或缺。非晶态无机光子玻璃的高性能和多功能化,对现代光纤通信与传感、激光、信息光电子的发展至关重要。然而,受制于石英玻璃的本征特性:1)稀土掺杂量极低、发光效率低带宽窄,2)增益系数低、难以调控等,一直是困扰和制约石英玻璃基光子材料与光纤及元器件进一步发展的壁垒。为从根本上解决上述问题,项目组在国际上率先开展了光子玻璃结构与性质预测及其高性能和多功能化研究。项目从稀土离子红外高效发光的物理机制基础问题出发,初步创建了红外光量子剪裁高效发光机制;提出了玻璃结构相图模型,初步构建了玻璃结构、玻璃性质与玻璃形成的计算预测方法,并指导了光子玻璃材料探索和器件应用。主要科学发现包括:(1)提出了红外光量子剪裁高效发光。在国际上首次发现了直接级联发射红外光量子剪裁,建立了红外光量子剪裁与调控物理机制。首次在实验上证实Ce3+/Yb3+体系的发光主要是由电荷转移过程实现的新型发光物理机制,提出了Ce4+-Yb2+电荷转移发光模型。红外光量子剪裁与调控物理机制解决了稀土离子红外高效发光基础问题,为非晶态光子玻璃及元器件的高性能和多功能化设计与研究奠定了理论和方法基础。(2)在国际上首次提出玻璃结构相图模型。发现了玻璃结构是相图最邻近一致熔融化合物结构的杠杆比例混合,阐明了玻璃结构的有序无序连续变化思想,解决了玻璃研究从定性的、割裂的结构-性质-形成研究阶段到可定量的、相互联系的可预测和可设计研究阶段,推动了玻璃科学技术定量化预测的研究,并以此为基础设计了系列新型光子玻璃,指导了光子玻璃材料探索和器件应用,建立了高掺杂高增益玻璃光纤与器件功能化策略,研制了多类型超窄线宽单频光纤激光器。

在Phys. Rev. B、Appl. Phys. Lett.、Opt. Lett.、Prog. Mater. Sci.等著名学术刊物发表系列论文72篇,论文他引2168次,10篇代表作他引301次,已获授权中国专利10项。德国科学院Schnick院士、美国工程院张翔院士、英国皇家学会Rusell院士、俄罗斯科学院Dianov院士、加拿大两院院士Kasap教授、加拿大两院院士Sargent教授、荷兰科学院Meijerink院士、芬兰科学院Bünzli院士等著名学者均对成果给予肯定。成果被多篇幅编入国际著名学者的专著教科书和工具书。成果指导了新型光纤元器件的研发和产业化,自主研制的超窄线宽单频光纤激光器已在激光相干合成、授时系统等国家重大工程和专项中得到应用,解决了国防研究和建设的重大需求,产生了显著的经济和社会效益,成果入选中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖、中国专利优秀奖等。项目组成员2人获国家杰青、2人获长江学者特聘教授,项目团队获科技部创新团队。

成果说明

研究成果指导了新型光子玻璃与光纤元器件的研发和产业化,项目组研制的“千赫兹线宽单频光纤激光器”获第12届中国国际高新技术成果交易会“优秀产品奖”、2013年中国专利优秀奖等。自主研制的超窄线宽单频光纤激光器和光纤放大器已在激光相干合成、授时系统等国家重大工程和专项中得到应用,解决了国防研究和建设的重大需求,产生了显著的经济和社会效益。

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