专 业：材料学 学 号：2010230036 姓 名：李 臣 在信息和通信技术迅速发展的今天，为了提高通信容量，改善传输性能，从电通信进化到光通信，实现了高速、大容量的信息传输。光纤通信具有远距离、大容量传输、抗干扰能力强等优点使其迅速占据了通信系统的主导地位，开创了信息传输领域的新纪元。光纤通信的实现从20世纪70年代起有了关键突破，到如今成为信息传输的主流，仅仅用了30多年的时间，其巨大潜力由此可见一斑。
图1 光通信系统的基本组成
图2 光纤放大器的结构示意图
在早期，主族金属铋（Bi）离子主要应用于普通激光材料中，自从2001年日本Fujimoto 在铋掺杂的硅铝酸盐玻璃中发现了铋离子的近红外宽带发光以来，铋掺杂玻璃基质的超宽带近红外发光已经成为当前研究的热点课题之一。由于其红外发光区域恰好位于光纤通信波段，而且它相对于已经应用在光通信系统上的铒掺杂光纤放大器（Erbium doped optical fiber
项香女老师在大陈岛工作了几年
amplifier，EDFA）系统，不管是带宽、荧光寿命还是可调谐性，都比EDFA优越得多，所以铋离子掺杂光纤放大系统具有很好的应用前景，一旦铋掺杂超宽带光纤放大器成为现实，将给光通信系统带来一场新的技术革命，同时这也开拓了主族金属离子的研究新方向和主族金属离子掺杂单晶体材料中获得近红外输出将具有重要意义。
铋离子与其他能产生宽带近红外发光的过渡金属离子(如Cr4+,Ni2+等)相比，还存在着许多独特的优点：
① 铋离子能级结构相对较稳定，不像过渡金属离子那样，随晶体场强度的变化能级结构有 体外诊断较大的改变，因此铋离子的荧光谱线相对稳定；
② 铋离子近红外发光特性不存在像Ni2+的ESA(激发态吸收)现象；
③ 过渡金属离子近红外宽带发光只在某些特殊的基质中才能得到，而铋离子有较多的基质
选择和更好的基质特性。
主族金属离子将成为继稀土离子(4f)、过渡金属离子(3d)后的第三类激活离子，是光功能材料领域发展的新方向。主族金属离子(主要包括Bi、Pb、Te、Sb、Sn、In等)的电子构型由s、p轨道组合而成，这
类离子的s、p轨道上的电子处于电子层的最外层，与配位场的相互作用强，容易形成类似于过渡金属离子的宽带发光，发光寿命长，发光波长延伸至近红外区域，在实际中具有广泛的应用前景，如激光材料和光纤等。
主族金属铋(Bi)离子外层电子构型为6s26p3，处于半满状态，电子很活跃，容易发生跃迁。通常铋离子有+1，+2，+3，+5等价态，各种价态的离子发光性质有所不同，发光波长覆盖从红外到可见区域，再到紫外区域。通过调控离子价态就可以实现多区域发光，所以不管是粉体还是玻璃基质中，铋离子作为激活离子都有非常好的应用前景。铋离子是一种很好的宽带发光材料，它在高能物理领域具有非常重要的作用，既可作为激活中心，也可以作为其它发光离子(Eu3+,Ho3+等)的敏化剂。
(1) Bi+的电子组态为6s26p2，基态能级为3P0，激发态为3P1,3P2,1D2和1S0。有研究者提出推测：Bi的近红外发光是基于Bi+的3P1向3P0跃迁。其依据为Bi2O3在高温下会发生分解，生成Bi+；根据实验吸收光谱等数据得到的能级结构匹配情况，提出是Bi+发光。
图3 根据吸收、发射和激发光谱得出的Bi+典型能级结构图从图中可以计算出，Bi+各能级的跃迁中确实存在近红外发光，在一定程度上符合推测。
(2) Bi2+的电子组态基态为6s26p，基态能级为2P1/2，激发态为2P3/2 [在晶体场中被劈裂为
两个能级态，2P3/2(1)和2P3/2(2)]和2S1/2，后者能级比前者高。基态2P3/2到激发态2S1/2是允许
的，而基态2P3/2到激发态2P3/2是宇称禁戒的，但在奇次晶场项的作用下，该跃迁变成允许
男生恋爱后患接吻病的，所以Bi2+可以出现三个跃迁发射，分别在紫外和可见区域。
图4 Bi2+能级结构图
(3) Bi3+最外层电子价态为6s2，基态能级为1S0，激发态的电子组态为sp组态，该组态
通过自旋-轨道耦合作用而使3P能级劈裂成以下自旋三重态能级3P0、3P1、3P2和单重态能级1P
epin11
。其中，允许的跃迁为1S0 →1P1,1S0 →3P1；1S0 →3P2虽是禁止跃迁，但可以通过非对1
称晶格振动模式的耦合来诱导发生；而1S0→3 P0是强烈禁止跃迁。
Bi3+离子的发光非常复杂，在紫外和可见(blue、green、red)区域都观察到了Bi3+的发光。
紫外发光是源于基质中孤立的Bi3+作为本征发光中心，能级跃迁为3P0 →1S0和3P1 →1S0；关于可见发光，有两种观点，一种认为是源于D带跃迁（激活离子与基质之间的电荷转移）；而另一种认为是缺陷发光。
(4) Bi5+离子最外层的5个电子都被失去，次外层形成全满状态。基态能级为1S0，激发态能级分别为3D3、3D2和3D1。日本Fujimoto根据实验结果认为，铋离子掺杂在近红外区域的发光是源于Bi5+发光，但并没有进一步验证；后来还有研究者认为是低价态Bi发光。然而到目前为止，关于近红外发光机理还没有形成一致的观点，有待进一步研究。
我们都知道，现用普通荧光灯的原理是通过高压放电使汞蒸气发射出紫外线激发荧光粉而发光，由于汞蒸气对环境有污染，所以普通荧光灯已渐渐被节能、环保、高效的LED灯所取代，白光LED作为新一代节能光源的商业化应用越来越广。
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考古学有什么用白光LED的实现，目前主要有两种方法，一是蓝光芯片激发YAG：Ce黄荧光粉产生白光，该模式合
成的白光LED缺少红成分，温高，彩还原性较差，不适合在室内使用；二是采用紫外-近紫外芯片激发三基荧光粉或单一基质白发光荧光粉合成新型白光LED，该模式因紫外光能够提供更高的激发能量，所以白光的合成效率高，是目前研究白光获得的新途径。
通过前面分析Bi离子的发光性质我们已知道，铋离子由于价态的不同，发光区域也不同。选取适当的基质，控制合成工艺来改变铋离子价态，就可获得某一单光或复合光的荧光粉，有望作第二类白光LED用荧光粉。同时，具有长寿命、超宽带近红外发光的新型发光材料，由于可作为光通讯波段的超宽带光放大器和可调谐激光器用材料在光通讯领域具有重要应用，目前已成为国际上材料科学研究领域的一个热点，特别是Bi掺杂玻璃基质，根据光学性能参数，有望用作超宽带光纤放大器用，在今后将会受到越来越多的重视。所以铋掺杂材料，无论是玻璃基质还是粉体，都将会广泛的在现实中得到应用。
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