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“局部累积输出”——一维链结构实现高光放大增益

日期： 2024-07-01
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来源：X-MOL


使用稀土有机配合物作为增益介质的掺钕波导放大器（Neodymium-doped waveguide amplifier, NDWA）可以在1.06 μm波段实现连续波放大，依靠“天线效应”敏化Nd3+离子，从而可以使用低功率发光二极管（light-emitting devices, LED）作为泵浦源，且配合物的可加工性使得NDWA更易于集成到紧凑的光学系统中以补偿光信号损耗，因而受到广泛的关注。然而，单核Nd3+配合物在增益介质中的均匀分散使得局部Nd3+离子密度低，导致对LED泵浦源的吸收和能量利用效率低等问题，因此，开发高增益Nd3+配合物材料仍然存在瓶颈。
基于以上结果，黑龙江大学许辉教授领导的磷基光电功能材料团队与厦门大学张丹教授合作，通过双齿膦氧配体桥接中心稀土Nd3+离子，构建了两种具有Nd(TTA)3单元的一维链配位聚合物[Nd(TTA)3(DBTDPO)]n （Nd1）和[Nd(TTA)3(DPEPO)]n （Nd2），从而在增益介质中实现Nd3+离子局部集中和均匀分布的状态，这使得整个配位重复单元在所有配体的激发态能量吸收与利用中有效协同，以获得高效的F?rster共振（F?rster resonance, FRET）和Dexter能量传递（Dexter energy transfer, DET）。另一方面，有机配体的刚性和位阻减弱了聚合物分子间的相互作用，抑制了Nd3+离子的浓度猝灭。结果表明，在Nd1或Nd2掺杂的薄膜中均表现出Nd3+离子的累积f-f辐射和沿一维链的有效能量迁移，实现了强近红外发射和高增益。
作者通过单晶X射线衍射分析确定了一维链Nd1和Nd2表现出规则的取向和有序的包装模式。然而，Nd2在三维空间中表现出更短的Nd-Nd间距和无π-π堆积，这使得Nd2具有Nd3+离子更局部密集的激发能量积累和浓度猝灭抑制的优势，使其更适合于高性能和小截面波导放大器。
Nd1和Nd2薄膜在270-420 nm处表现出较宽的吸收带，这些由配体产生的紫外和深蓝色吸收带为LED泵浦奠定了基础。在365 nm和405 nm激发下，Nd1和Nd2的薄膜的光致发光行为反映了配体向Nd3+离子的高效能量传递。
通过垂直顶泵浦模式，采用传统的嵌入式和新型的倏逝场波导结构，掺Nd1波导器件在1.06 μm处的最大相对增益分别为5.4和4.7 dB/cm，值得一提的是，掺Nd2波导器件在1.06 μm处的光学增益性能(最大值为5.7和4.9 dB/cm)超过了大多数无机NDWAs，特别是基于单核Nd3+配合物的NDWAs的< 4.0 dB/cm的最大值。
综上，这项工作证明了一种有效地“局部积累输出”策略用于开发高增益一维链Nd3+配位聚合物近红外发光材料及光波导器件。研究表明，在聚合物基底中均匀分散和Nd3+离子局部集中的平衡是实现高性能NDWAs的关键，而可控的配位自组装为开发相应的镧系元素增益介质提供了可行的途径。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，黑龙江大学化学化工与材料学院博士研究生满意与厦门大学电子科学与技术学院硕士研究生史晓武为论文的共同第一作者，黑龙江大学许辉教授、韩春苗教授和厦门大学张丹教授为共同通讯作者。
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