近日，我室博士研究生李赛辉、康世亮特聘研究员、林常规研究员等在高浓度稀土掺杂硫系玻璃研究方面取得新进展。研究团队制备出Er₂S₃掺杂量高达20 mol%的Ge-Ga-La-S-Cl基硫系玻璃，并揭示了稀土掺杂诱导玻璃微观结构由相分离向均质化转变的机制。最优组分在2.7 μm波段表现出优异的中红外发光性能，同时具有良好的硬度和抗激光损伤能力。相关成果以“From Phase Separation to Homogeneity: Heavily Rare-Earth Doped Chalcogenide Glasses with Superior Mid-Infrared Emission and Mechanical Properties”为题，发表于Journal of Lightwave Technology, 44(21), 9647-9658 (2026)。

论文链接：https://doi.org/10.1109/JLT.2026.3733221

中红外激光在生物医学、环境监测、分子光谱分析和先进制造等领域具有应用潜力，其中2.7 μm波段与水分子O-H键的特征振动吸收相关，在激光医疗与精密加工等领域受到广泛关注。硫系玻璃具有低声子能量和宽红外透过窗口，是中红外增益材料的重要候选；但提高稀土掺杂浓度往往会引发相分离、析晶及浓度猝灭，而材料的力学强度和抗激光损伤能力也关系到其在高功率激光系统中的应用。

研究团队制备了Er₂S₃掺杂量为0.1-20 mol%的系列玻璃，所有样品在该掺杂范围内均保持非晶态。透射电子显微镜、元素分布和拉曼光谱分析表明，低掺杂样品中存在约20-50 nm的富Cl纳米相分离区域；随着Er₂S3含量增加，这些区域逐渐减少，并在4 mol%时基本消失，玻璃的化学均匀性和光学透明性得到改善，如图1所示。研究认为，稀土离子局部配位环境的调整与额外引入的硫促进玻璃网络重构，共同推动了这一结构演化。

图1 （a）相分离玻璃的TEM形貌与元素分布；（b）均质玻璃的TEM形貌与元素分布；（c）相分离向均质化转变的原理示意图

在980 nm激光激发下，玻璃呈现约2.7 μm的中红外发射，发光强度在4 mol% Er₂S₃时达到最大。该组分的发射截面为1.385 × 10-20 cm2，增益带宽为1.401 × 10-25 cm3，如图2所示；硬度达到2.70 GPa，3 μm飞秒激光下的激光诱导损伤阈值为501.3 mJ/cm²，如图3所示。研究团队还将该玻璃体系拓展至Tm3+、Pr3+和Dy3+掺杂，并观察到相应的特征中红外发光。研究结果表明，稀土组分不仅可作为发光中心，也可用于调控硫系玻璃的微观结构，为开发兼具光学增益与力学稳定性的中红外激光材料提供了新的设计思路。

图2 Er3+掺杂硫系玻璃的中红外发光及增益特性：（a）2.7 μm发射光谱；（b）发光积分强度变化；（c、d）荧光衰减曲线及寿命变化；（e）吸收与发射截面；（f）增益截面

图3 （a、b）不同激光功率下的损伤形貌；（c、d）激光损伤阈值分析；（e）光学带隙；（f）纳米压痕测试；（g）与典型硫系玻璃的综合性能比较