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自1960年7月由美国科学家Theodore H.Maiman第一次成功演示红宝石激光器以来，激光器和激光技术的发展突飞猛进。激光由于其单色性、方向性和相干性完全异于普通光而被广泛用于各个应用领域，并对当代科学、技术及社会发展产生重大影响。3μm波段覆盖有大气传输窗口及许多重要分子的特征谱线，在医疗、环境监测、光通信及军事等领域有着重要的应用前景。目前国内外对3μm波段发光的稀土离子掺杂材料的研究主要集中在晶体、氟化物和硫系玻璃中，对重金属氧化物玻璃的研究还较少。因此，本论文的研究目的是探索适合于中红外3μm发光的稀土离子掺杂重金属氧化物玻璃，从而为获得新型3μm光纤激光材料提供一定的理论基础和实验基础。 本论文共包含六个部分。 论文第一章为文献综述部分，首先对光纤激光器、稀土离子3μm发光机理及玻璃基质材料特性进行了概述，继而提出本文的研究内容和思路。 论文第二章为实验方法、测试方法和理论计算部分，主要介绍氟化物、碲酸盐玻璃及铋酸盐玻璃的制备方法、物理化学性质测试、结构测试分析及光谱理论计算和分析方法等。 论文的第三章重点研究了Er3+离子掺杂氟氧化物玻璃的结构和光谱性质。通过成玻性能的分析，重金属氧化物（TeO2、GeO2、ZrO2等）引入至ZBLAN玻璃中仍可形成透明玻璃。随着TeO2的加入，ZBLAN玻璃的热稳定性和化学稳定性逐渐提高。通过对铒离子掺杂ZBLAN玻璃重金属氧化物引入前后光谱性质的研究发现TeO2的引入可明显增强Er3+离子的2.7μm发光，TeO2含量为4mol％时光谱达到最大值，约为未引入TeO2时的2倍，此时在FWHM保持不变的同时发射截面也得到提高。XRD光谱显示引入TeO2后玻璃中没有晶相析出。Raman光谱显示TeO2引入后玻璃基质声子能量并未产生明显改变。XPS光谱显示O离子引入后参与玻璃网络结构的组成，形成Zr-F、Zr-O、Te-F和Te-O键。引入的O离子通过改变Er3+离子的局域对称性和配位环境增强2.7μm发光。当过量的O离子和Te离子引入时，玻璃中出现[TeO3]基团，该基团的高声子能量则对2.7μm发光不利。因此在ZBLAN玻璃中掺入适量的TO2有利于同时提高物化性能和光谱性能，有利于实现环境适应性强的高功率输出2.7μm光纤激光。 论文的第四章重点研究了Er3+离子掺杂碲酸盐玻璃结构和光谱性质。首先研究了不同碲酸盐玻璃中Er3+离子的2.7μm发光。在TeO2-Na2O(TN)、TeO2-GeO2-ZnO-K2O(TG)玻璃和TeO2-WO3-La2O3(TWL)玻璃中，Er3+离子单掺时均可获得2.7μm发光。采用Judd-Ofelt理论计算Er3+离子在各玻璃中的自发辐射跃迁几率均较高(最大为59.42 s-1)，依据2.7μm发射光谱计算的受激发射截面均较大(最大为8.37×10-21 cm2)。其次研究了双掺情况下Er3+离子在碲酸盐玻璃中的2.7μm发光性能。在TN玻璃中研究了Er3+/Nd3+离子共掺的2.7μm发光性能及Nd3+离子和Er3+离子的能量传递过程。在该玻璃中Nd3+离子可明显提高对808 nm泵浦光的吸收并将能量传递给Er3+离子获得增强的2.7μm发光，同时545 nm的上转换发光和1.5μm的近红外发光有效的降低。在该玻璃中Er3+离子和Nd3+离子的最佳掺杂浓度比为1∶0.5，在该掺杂浓度下Er3+离子可同时获得较强的2.7μm发光和较弱的1.5μm发光，有效降低Er3+离子2.7μm发光的下能级粒子数，有利于在该玻璃中实现粒子数反转获得激光输出。在TG玻璃中分别研究了Er3+/Nd3+、Er3+/Tm3+和Er3+/Ho3+离子共掺在980 nm LD泵浦条件下的2.7μm发光性能及其能量传递机理。通过对光谱及能级结构的分析表明:Nd3+、Tm3+和Ho3+离子均可通过降低Er3+∶4I13/2能级的粒子数达到增强其2.7μm发光的目的。在TWL玻璃中研究了Er3+/Yb3+离子共掺的2.7μm发光性能及Yb3+离子和Er3+离子之间的能量传递过程。通过对吸收光谱及发射光谱的研究发现Yb3+离子和Er3+离子的最佳掺杂浓度比为3∶0.5，此时获得最大的受激发射截面(6.05×10-21cm2)。因此作为2.7μm中红外发光的基质材料，3Yb3+/0.5Er3+掺杂的碲钨镧玻璃可以有效利用980nm的泵浦光并获得较强的光谱强度。最后研究了碲酸盐玻璃结构对Er3+离子2.7μm发光性能的影响。在Er3+离子掺杂的TeO2-Na2O玻璃中，微晶化处理后Er3+离子2.7μm发光显著增强，XRD检测晶体峰明显，晶相为Er2Te5O13，说明Er3+离子进入晶相中并对2.7μm发光产生增强。在碲锗酸盐玻璃中研究了F离子对Er3+/Nd3+离子共掺碲酸盐玻璃2.7μm发光的影响。通过对热稳定性、折射率、吸收和发射光谱、透过光谱和拉曼光谱的研究发现:1）F离子引入后会影响玻璃的转变温度，先降低后升高，△T却明显增加，即玻璃的热稳定性增加，成玻能力（KH)提高，折射率变化相反，先升高后降低;2）F离子引入后吸收光谱未发生明显改变，Judd-Ofelt光谱计算表明玻璃网络结构对称性和Er-O键的共价性均未明显改变，计算所得自发辐射跃迁几率降低，4I11/2和4I13/2能级寿命均有所提高，1.5μm荧光寿命测试发现Nd3+离子对Er3+离子的能量转移效率最高达到81.5％;3）少量F离子引入时，2.7μm发光强度不变，随着F离子含量增加，2.7μm荧光强度逐渐增强;4）F离子引入后玻璃在3000nm处透过率明显提高，αH（吸收系数）由未引入F离子之前的0.466提高至引入后最小值0.181，OH基团含量的减少非常有利于2.7μm发光的增强;5）F离子引入后玻璃中的[TeO3]或[TeO4/3+1]转变为Te(O，F)3]或[Te(O，F)4/3+1]基团，玻璃中同时存在BO(桥氧)、NBO(非桥氧)、BF(桥氟)和NBF(非桥氟)键，BF键的存在提高玻璃链状结构的稳定性，即玻璃热稳定性提高。以上结果显示F离子的引入有利于碲酸盐玻璃中Er3+离子2.7μm发光。 论文的第五章重点研究了Er3+离子掺杂铋酸盐玻璃结构和光谱性质。首先研究了Er3+离子单掺Bi2O3-GeO2-Ga2O3-Na2O(BGG)玻璃2.7μm的发光特性。该玻璃具有较好的热稳定性及较宽的红外透过范围(～5μm)。在2.7μm处透过率达到90％，而3.0μm处OH基团吸收峰不明显。通过吸收光谱计算获得的自发辐射跃迁几率为65.26 s-1，由发射光谱计算得到Er3+离子2.7μm处最大发射截面为10.8×10-21 cm2。其次研究了Er3+/Yb3+离子共掺杂BGG玻璃中2.7μm的发光特性。Yb3+离子掺入后，980 nm处吸收强度明显增强，在980 nm处吸收截面增大至7.5×10-21 cm2;上转换发光、近红外发光以及中红外发光同时增强，说明Yb3+掺入后可有效吸收泵浦光并将能量传递给Er3+离子，在该玻璃中Er3+离子和Yb3+离子的最佳掺杂浓度比为1.0∶0.2。根据吸收光谱和发射光谱分析Yb3+离子和Er3+离子能量传递过程，指出上转换发光增强的主要原因是Er3+离子在4I11/2和4I13/2能级的合作上转换或激发态吸收。基于该Er3+/Yb3+离子共掺时获得的较高的泵浦效率、较强的发光强度及较大的发射截面以及Yb3+离子和Er3+离子之间有效的能量传递，该玻璃作为2.7μm中红外激光基质材料有较好的应用前景。此外还研究了Er3+/Pr3+离子共掺杂BGG玻璃中2.7μm的发光特性。Pr3+离子掺入后吸收光谱在1.5μm处出现明显的增强，为Pr3+离子跃迁至3F3,4能级产生的吸收。Pr3+离子的掺入可转移Er3+离子4I13/2能级的能量，从而获得增强的2.7μm发光。通过荧光衰减曲线计算Er3+离子4I13/2能级到Pr3+离子3F3能级的能量转移效率高达96％，说明Pr3+离子可以有效的转移Er3+离子4I13/2能级能量，削弱下能级粒子数有利于达到粒子数反转，有利于使Er3+离子的2.7μm发光更趋向于四能级系统，此过程对获得2.7μm激光具有重要意义。 论文的第六章是本论文的结论部分，总结了文中的实验结果并指出研究中存在的不足之处和需要深入研究之处。