【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所先進激光與光電功能材料部胡麗麗研究員團隊，提出了面向鉍摻雜玻璃與光纖的構型熵工程策略。研究團隊通過調(diào)控玻璃形成動力學，將玻璃網(wǎng)絡凍結在高能、高無序的構型狀態(tài)，有效抑制Ge/Bi元素聚集及其引發(fā)的非輻射能量耗散，制備出背景損耗和非飽和損耗顯著降低的鉍摻雜石英光纖，并實現(xiàn)1680-1750 nm寬帶放大、1650 nm和1720 nm激光輸出以及甲烷傳感原理驗證。相關成果以“Configurational Entropy Engineering of Bi-Doped Glass Fiber Enabling Ultrabroadband Emission”為題，發(fā)表于Advanced Functional Materials。
 

　　近紅外寬帶放大器和激光器是下一代高容量光通信、分子光譜探測與光纖傳感的重要光源。傳統(tǒng)鉺摻光纖放大器(EDFA)的有效增益窗口相對有限，難以獨立承載持續(xù)增長的傳輸帶寬需求。鉍摻雜石英光纖可在1000–1800 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生寬帶近紅外發(fā)光，并與成熟的石英光纖制造技術兼容，因此被視為拓展通信波段的重要候選材料。
 

　　其核心困難在于“增益—損耗”矛盾。鉍活性中心(BAC)的光學性質(zhì)對局域配位結構極為敏感；提高鉍含量雖然有利于增加增益，卻會促使過量Bi離子在Ge聚集區(qū)域中團聚，形成非發(fā)光原子簇和淬滅中心，導致背底損耗和非飽和損耗升高。如何在保持較高摻雜濃度的同時抑制元素聚集，是鉍摻雜光纖走向高性能器件的關鍵問題。
 

　　不同于依靠多組元混合熵的高熵合金，構型熵策略把玻璃形成路徑作為設計變量：通過超快冷卻，將高溫熔體的無序拓撲結構凍結在高能、高構型熵亞穩(wěn)態(tài)。在Ge/Bi共摻石英中，Si–O網(wǎng)絡先凍結，仍具遷移能力的Ge–O單元易形成Ge聚集域，Bi又傾向進入其中。常規(guī)冷卻給Ge遷移和Bi聚集留下時間，形成Ge和Bi的聚集域；超快淬冷則在聚集域長大前實施動力學阻滯。相圖與分子動力學模擬表明，雖然體系存在相分離驅(qū)動力，提高冷卻速率仍可壓縮擴散與弛豫時間，從而抑制聚集。
 

　　球差校正TEM顯示，Ge聚集域平均尺寸由慢冷的5.42 nm降至淬冷的1.66 nm。同步輻射X射線總散射和PDF/rPDF分析表明，慢冷樣品的Bi相關原子對峰和中程振蕩更強，說明Ge/Bi聚集更明顯；淬冷樣品則具有更分散的局域結構、更高透過率和更強近紅外發(fā)光。DSC、原位PDF和原位透過譜進一步證明，高構型熵狀態(tài)是動力學凍結的亞穩(wěn)態(tài)：加熱會誘導Bi相關結構和Ge聚集域依次弛豫；500 ℃長時間退火后，光學性能不可逆退化至接近慢冷樣品。
 

　　研究團隊使用相同預制棒，僅將拉絲速度由30 m/min提高至100 m/min，使纖芯經(jīng)歷更強的超快冷卻。在Ge/Bi含量基本不變的情況下，背景損耗由400 dB/km降至210 dB/km，非飽和損耗由33.5%降至25.8%。該光纖在1680–1750 nm范圍內(nèi)實現(xiàn)超過20 dB凈增益，平均凈增益較對照光纖提高約5 dB，并獲得1720 nm和1650 nm激光輸出。1650 nm激光結合空芯光纖氣室后，輸出功率隨甲烷壓力升高而規(guī)律衰減，完成了氣體傳感驗證。
 

　　這項工作的價值不只在于獲得性能更優(yōu)的鉍摻雜光纖，更在于提出一種面向非晶功能材料的結構調(diào)控范式。傳統(tǒng)設計關注材料組分“加入什么”和“加入多少”，構型熵工程進一步關注“如何形成”：通過控制冷卻速率和弛豫路徑，在有害聚集發(fā)生前鎖定非平衡結構。該思路為兼顧高摻雜、高發(fā)光活性與低能量耗散提供了新路徑，并可拓展至其他稀土/主族元素摻雜玻璃。
 

　　本研究建立了鉍摻雜玻璃光纖的構型熵工程方法：通過超快冷卻將玻璃網(wǎng)絡鎖定在高無序、高能量的亞穩(wěn)構型中，在Ge/Bi聚集域長大前實施動力學阻滯，從而抑制鉍團聚、非輻射能量轉(zhuǎn)移及光學損耗。所得光纖的背底損耗由400 dB/km降至210 dB/km，非飽和損耗由33.5%降至25.8%，并在1680–1750 nm范圍內(nèi)實現(xiàn)超過20 dB凈增益及1650/1720 nm激光輸出。
 

　　構型熵工程把“冷卻歷史”從制備參數(shù)提升為可設計的結構變量，為非晶材料中的局域配位、元素分布和能量遷移調(diào)控提供了統(tǒng)一的熱力學—動力學框架。未來，該策略有望拓展至稀土摻雜玻璃、非晶發(fā)光材料及其他功能玻璃體系，并與多尺度模擬、原位表征和先進成形工藝結合，進一步建立“形成路徑—局域結構—器件性能”之間的定量關聯(lián)。
 

　　相關研究得到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃、上海市科學技術委員會項目以及先進玻璃研發(fā)平臺等支持。
 

　　引用：上海光機所提出構型熵工程策略助力鉍摻雜玻璃光纖實現(xiàn)超寬帶發(fā)光 中國科學院上海光學精密機械研究所 【引用時間：2026年7月31日】