As one kind of novel and burgeoning laser materials, bismuth-doped silicate glasses have aroused increasing attention for the super broadband near-infrared (NIR) emission. However, the large optical scattering loss, resulting from optical heterogeneity in glass color and refractive index, limits their further applications in telecommunication system. Thus, it is urgent to uncover the essence of heterogeneity in Bi-doped silicate glasses and subsequently improve glass optical performance. It will give us some hint to homogenize the glass component and Bi active centers so as to boost the development of Bi-based glass materials. Here, taking 1 typical Bi-doped calcium aluminosilicate glass as an example, we revealed the origin of the optical heterogeneities in glass color and refractive index through the NIR emission spectra, electron probe microanalyzer (EPMA) of elements and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) of Bi 4f5/2, Bi 4f7/2, and Al 2p. The inhomogeneous distribution of Bi and aluminum components is responsible for the heterogeneity in this glass system. In addition, we found that tetrahedral coordinated aluminum favors the existence of Bi NIR centers, consequently resulting in enhanced Bi NIR emissions. Furthermore, based on our results and the role of Al3+ in glass network, we demonstrate the homogenizing of glass component by finely tuning glass composition. This work will enrich the understanding of Bi-doped laser glass and provide a guideline for the design of component-derived Bi-doped silicate glasses and fibers with efficient NIR emission and high optical quality.

中文翻译：

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铝硅酸盐激光玻璃中铋非均质分布的起源

作为一种新兴的新型激光材料，掺铋硅酸盐玻璃因其超宽带近红外（NIR）发射而引起越来越多的关注。然而，由于玻璃颜色和折射率的光学异质性导致较大的光学散射损失，限制了它们在电信系统中的进一步应用。因此，迫切需要揭示掺铋硅酸盐玻璃中异质性的本质，进而提高玻璃的光学性能。将玻璃组分和Bi活性中心均质化，从而促进Bi基玻璃材料的发展，将为我们提供一些启示。在这里，以 1 种典型的 Bi 掺杂钙铝硅酸盐玻璃为例，我们通过 NIR 发射光谱揭示了玻璃颜色和折射率的光学异质性的起源，元素的电子探针微量分析仪 (EPMA) 和 Bi 4f5/2、Bi 4f7/2 和 Al 2p 的 X 射线光电子能谱 (XPS)。Bi 和铝组分的不均匀分布是造成该玻璃系统中的异质性的原因。此外，我们发现四面体配位铝有利于 Bi NIR 中心的存在，从而导致 Bi NIR 发射增强。此外，基于我们的结果和 Al3+ 在玻璃网络中的作用，我们通过微调玻璃成分来证明玻璃成分的均质化。这项工作将丰富对掺铋激光玻璃的理解，并为具有高效近红外发射和高光学质量的组分衍生的掺铋硅酸盐玻璃和光纤的设计提供指导。Bi 4f7/2 和 Al 2p。Bi 和铝组分的不均匀分布是造成该玻璃系统中的异质性的原因。此外，我们发现四面体配位铝有利于 Bi NIR 中心的存在，从而导致 Bi NIR 发射增强。此外，基于我们的结果和 Al3+ 在玻璃网络中的作用，我们通过微调玻璃成分来证明玻璃成分的均质化。这项工作将丰富对掺铋激光玻璃的理解，并为具有高效近红外发射和高光学质量的组分衍生的掺铋硅酸盐玻璃和光纤的设计提供指导。Bi 4f7/2 和 Al 2p。Bi 和铝组分的不均匀分布是造成该玻璃系统中的异质性的原因。此外，我们发现四面体配位铝有利于 Bi NIR 中心的存在，从而导致 Bi NIR 发射增强。此外，基于我们的结果和 Al3+ 在玻璃网络中的作用，我们通过微调玻璃成分来证明玻璃成分的均质化。这项工作将丰富对掺铋激光玻璃的理解，并为具有高效近红外发射和高光学质量的组分衍生的掺铋硅酸盐玻璃和光纤的设计提供指导。我们发现四面体配位铝有利于 Bi NIR 中心的存在，从而导致 Bi NIR 发射增强。此外，基于我们的结果和 Al3+ 在玻璃网络中的作用，我们通过微调玻璃成分来证明玻璃成分的均质化。这项工作将丰富对掺铋激光玻璃的理解，并为具有高效近红外发射和高光学质量的组分衍生的掺铋硅酸盐玻璃和光纤的设计提供指导。我们发现四面体配位铝有利于 Bi NIR 中心的存在，从而导致 Bi NIR 发射增强。此外，基于我们的结果和 Al3+ 在玻璃网络中的作用，我们通过微调玻璃成分来证明玻璃成分的均质化。这项工作将丰富对掺铋激光玻璃的理解，并为具有高效近红外发射和高光学质量的组分衍生的掺铋硅酸盐玻璃和光纤的设计提供指导。