Thermodynamic Prediction of Glass-forming Region in Barium-zinc Germanate Glasses and 2 μm Luminescence and Phonon-assisted Energy Transfer Mechanism of Yb<sup>3+</sup>/Ho<sup>3+</sup> Co-doping

LIANG Binfeng; WAN Jie; WANG Weichao

doi:10.37188/CJL.20260087

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Thermodynamic Prediction of Glass-forming Region in Barium-zinc Germanate Glasses and 2 μm Luminescence and Phonon-assisted Energy Transfer Mechanism of Yb³⁺/Ho³⁺ Co-doping

Synthesis and Properties of Materials | 更新时间：2026-09-11

- Thermodynamic Prediction of Glass-forming Region in Barium-zinc Germanate Glasses and 2 μm Luminescence and Phonon-assisted Energy Transfer Mechanism of Yb³⁺/Ho³⁺ Co-doping
  增强出版
- Chinese Journal of Luminescence Vol. 47, Issue 7, Pages: 1202-1211(2026)
- 作者机构：
  
  华南理工大学物理与光电学院，发光材料与器件全国重点实验室，广东省光纤激光材料与应用技术重点实验室，广东广州 510640
- 作者简介：
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52572004)
- DOI：10.37188/CJL.20260087
  CLC： O482.31
- CSTR：32170.14.CJL.20260087
- Received：19 March 2026，
  
  Revised：2026-04-01，
  
  Published：25 July 2026
- 稿件说明：
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梁彬烽,万杰,王伟超.钡锌锗酸盐玻璃形成区的热力学预测及Yb³⁺/Ho³⁺共掺2 μm发光与声子辅助能量传递机理研究[J].发光学报,2026,47(07):1202-1211. DOI: 10.37188/CJL.20260087. CSTR: 32170.14.CJL.20260087.

LIANG Binfeng,WAN Jie,WANG Weichao.Thermodynamic Prediction of Glass-forming Region in Barium-zinc Germanate Glasses and 2 μm Luminescence and Phonon-assisted Energy Transfer Mechanism of Yb³⁺/Ho³⁺ Co-doping[J].Chinese Journal of Luminescence,2026,47(07):1202-1211. DOI: 10.37188/CJL.20260087. CSTR: 32170.14.CJL.20260087.
梁彬烽,万杰,王伟超.钡锌锗酸盐玻璃形成区的热力学预测及Yb³⁺/Ho³⁺共掺2 μm发光与声子辅助能量传递机理研究[J].发光学报,2026,47(07):1202-1211. DOI: 10.37188/CJL.20260087. CSTR: 32170.14.CJL.20260087. DOI：

LIANG Binfeng,WAN Jie,WANG Weichao.Thermodynamic Prediction of Glass-forming Region in Barium-zinc Germanate Glasses and 2 μm Luminescence and Phonon-assisted Energy Transfer Mechanism of Yb³⁺/Ho³⁺ Co-doping[J].Chinese Journal of Luminescence,2026,47(07):1202-1211. DOI: 10.37188/CJL.20260087. CSTR: 32170.14.CJL.20260087. DOI：

摘要

2 μm波段光纤激光器因兼具人眼安全、大气高透过率及水分子强吸收等优势，在精密传感、高端医疗、空间光通信及国防安全等领域具有不可替代的战略应用价值，但高性能中红外增益玻璃材料的可预测性设计仍面临挑战。本文基于钡锌锗酸盐（GeO

-ZnO-BaO）三元体系，利用热力学方法和针对性实验对其玻璃形成区（简称成玻区）进行了预测和验证，并从中筛选出热稳定性优异的60GeO

-20ZnO-20BaO作为基质玻璃组分。在此基础上，通过系统的浓度梯度实验，确定了Yb

和Ho

的最佳掺杂摩尔分数分别为1%和0.75%。在980 nm激光激发下，该玻璃在2 μm波段（Ho

：

→

）表现出强荧光发射，荧光寿命达2.92 ms。Ho

的最大吸收与发射截面分别为4.24×10

-21

和4.35×10

-21

，在同类玻璃体系中处于较高水平。进一步通过扩展重叠积分法，定量揭示了该体系中的声子辅助能量传递机制，其中Yb

：

5/2

→Ho

：

的能量传递系数为9.88×10

-41

·s

-1

，单声子辅助过程占主导（86.37%），且正向传递效率较反向过程（Ho

：

→Yb

：

5/2

）高约两个数量级，有利于降低能量回传损耗。上述结果表明，基于热力学设计筛选的Yb

/Ho

共掺钡锌锗酸盐玻璃在2 μm波段具有优异的光谱性能和高效的能量传递特性，具备作为中红外激光增益材料的应用潜力，并为相关玻璃体系的设计提供了参考。

Abstract

Fiber lasers operating in the 2 μm spectral region possess advantages such as eye safety， high atmospheric transmission， and strong absorption by water molecules， making them of great interest for applications in precision sensing， advanced medical treatment， space optical communication， and defense-related technologies. However， achieving predictable design of high-performance mid-infrared gain glasses remains a significant challenge. In this work， based on the barium-zinc germanate （GeO

-ZnO-BaO） ternary system， the glass-forming region was predicted and verified by combining thermodynamic analysis with targeted experiments. A composition of 60GeO

-20ZnO-20BaO with optimal thermal stability was selected a

s the host matrix. On this basis， systematic concentration-dependent experiments were carried out， and the optimal doping mole fraction of Yb

and Ho

was determined to be 1% and 0.75%， respectively. Under 980 nm laser excitation， the glass exhibits strong emission around 2 μm corresponding to the Ho

：

→

transition， with a fluorescence lifetime of 2.92 ms. The maximum absorption and emission cross sections of Ho

are 4.24×10

-21

cm² and 4.35 × 10

-21

， respectively， which are relatively high among similar glass systems. Furthermore， the phonon-assisted energy transfer mechanism was quantitatively analyzed using the extended overlap integral method. The energy transfer coefficient for the Yb

：

5/2

→Ho

：

process is calculated to be 9.88×10

-41

·s

-1

， with the single-phonon-assisted process dominating （86.37%）. In addition， the forward energy transfer efficiency is approximately two orders of magnitude higher than that of the backward transfer （Ho

：

→Yb

：

5/2

）， which is beneficial for suppressing energy back-transfer loss. These results indicate that the Yb

/Ho

co-doped barium-zinc germanate glass， selected

via

thermodynamic design， exhibits favorable spectroscopic properties and efficient energy transfer characteristics in the 2 μm region， demonstrating its potential as a mid-infrared laser gain material and providing guidance for the design of related glass systems.

关键词

Keywords

references

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Thermodynamic Prediction of Glass-forming Region in Barium-zinc Germanate Glasses and 2 μm Luminescence and Phonon-assisted Energy Transfer Mechanism of Yb3+/Ho3+ Co-doping

DOI：10.37188/CJL.20260087

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