机器学习辅助设计与脱水优化：Er3+/Yb3+共掺磷酸盐激光玻璃以实现安全的眼部发射

《Journal of Alloys and Compounds》：Machine-Learning-Assisted Design and Dehydration Optimization of Er3+/Yb3+ Co-Doped Phosphate Laser Glasses for Eye-Safe Emission

机器学习辅助设计新型Er3?/Yb3?共掺杂磷酸激光玻璃，通过控制脱水工艺将羟基吸收系数降至0.20 cm?1，显著提升光增益和热稳定性，实现2倍阈值泵浦功率降低。

　　

阿赫梅特·卡内尔·卡亚阿尔普（Ahmet Caner Kayaalp）| 埃柳尔·尼汉·卡穆恩（Eylul Nihan Kamun）| 阿尔芬·森纳罗格鲁（Alphan Sennaroglu）| 阿里·埃尔钦·埃尔孙杜（Ali Er?in Ersundu）| 米拉伊·切利克比尔贝克·埃尔孙杜（Miray ?elikbilek Ersundu）

土耳其伊斯坦布尔，34220，Y?ld?z技术大学，化学与冶金工程学院，冶金与材料工程系，玻璃研究与开发实验室

摘要

工作在1.5微米附近的eye-safe（对眼睛安全的）固态激光器对于电信、遥感和激光雷达应用至关重要，然而它们在磷酸盐玻璃基质中的性能往往受到羟基相关损耗以及光学增益与热机械稳定性之间权衡的限制。在这项研究中，通过采用机器学习辅助的成分设计策略，开发了一种新的Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的偏磷酸盐激光玻璃，以优化其光谱效率和热稳定性。通过实施可控的脱水工艺作为关键处理步骤，将OH?杂质的吸收系数降低到3.33微米时仅为0.20厘米^-1，超过了之前报道的实验室规模玻璃和商用磷酸盐激光玻璃产品的性能。对稀土掺杂浓度的系统优化建立了明确的成分-性能关系，从而控制了激光器的增益特性和性能。脱水后，优化后的玻璃表现出6.8 × 10^-21厘米²的高发射截面、9.9毫秒的长荧光寿命以及1420–1620纳米的宽正光学增益，其光学增益与商用玻璃相当，同时保持了67.2 × 10^-21厘米²·毫秒的高发射截面-寿命乘积。这些光谱特性得到了优异的热机械特性的支持，包括79.1 × 10^-7开尔文^-1的低热膨胀系数和宽的热稳定性窗口。激光实验证实了脱水的好处，脱水样品的激光阈值泵浦功率降低了2倍以上。总体而言，这项工作展示了一种可转移的设计策略，用于下一代eye-safe激光器和近红外放大器应用的高增益、低损耗磷酸盐激光玻璃。

引言

工作在1.5微米附近的激光玻璃是固态激光器和放大器技术的关键组件，应用范围包括eye-safe测距和目标识别、自动驾驶车辆的激光雷达系统、皮肤医学治疗以及光通信。这一波长的发射源自Er³⁺离子的⁴I_13/2 → ⁴I_15/2跃迁，位于eye-safe光谱窗口内，使得基于Er³⁺的激光材料在民用和国防相关应用中特别具有吸引力[1]、[2]。然而，Er³⁺离子在常见泵浦波长（即980纳米）处的相对较弱吸收限制了激发效率，尤其是在中等掺杂水平下。尽管增加Er³⁺浓度可以提高吸收，但也会导致浓度猝灭，从而不利地影响发射效率和荧光寿命。与Yb³⁺离子共掺杂是一种广泛采用的策略，以克服这一限制。Yb³⁺在980纳米处具有较大的吸收截面，并且由于Yb³⁺的²F_5/2激发能级与Er³⁺的⁴I_11/2能级之间的良好能量匹配，能够高效地将激发能量传递给Er³⁺，据报道效率可达到95%。因此，Er³⁺/Yb³⁺共掺杂增强了泵浦吸收并改善了Er³⁺上能级的 population，已成为1.5微米激光玻璃的标准设计方法[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。早期使用其他敏化剂（如Cr³⁺共掺杂）的尝试在闪光灯泵浦下显示出改进的激光效率，但最终受到强温度敏感性和与二极管激发的不兼容性的限制，限制了它们在现代激光系统中的应用[9]、[10]。为了最大化泵浦效率，实现高Yb³⁺浓度尤为重要；然而，高稀土含量通常会引入新的挑战，如浓度猝灭、玻璃网络的结构改变以及非辐射损耗的增加。

在可用的玻璃基质中，磷酸盐玻璃因其高稀土溶解度、宽的成分灵活性、宽的光学传输窗口、相对较低的光子能量以及大规模生产的成本优势，特别适合Er³⁺/Yb³⁺激光应用[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，磷酸盐玻璃的激光性能对玻璃结构和杂质含量（特别是羟基（OH?）组）非常敏感，这些杂质是Er³⁺红外发射的有效猝灭中心[2]、[17]、[18]。对于激光应用，玻璃在约3000厘米^-1处的OH?吸收系数应低于1厘米^-1[19]。残留的OH?组会引入与Er³⁺ 4I_13/2 → 4I_15/2跃迁能量重叠的强振动吸收带，从而显著降低荧光寿命和发射效率。在高稀土浓度下，这种效应变得更加严重，此时增强吸收与非辐射损耗之间的平衡对整体激光性能至关重要[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。尽管有许多研究调查了磷酸盐玻璃中Er³⁺/Yb³⁺浓度的优化，但许多报告仅关注中等掺杂水平，或者没有在统一框架内明确关联玻璃结构、OH?含量和激光相关性能指标。

因此，人们投入了大量努力通过成分设计、熔炼过程优化和脱水处理来降低磷酸盐激光玻璃中的OH?含量[16]、[26]、[27]、[28]。虽然提高熔炼温度、延长熔炼时间或使用反应性气体鼓泡可以降低OH?浓度，但这些方法常常会导致磷酸盐挥发或成分偏移，从而影响可重复性和限制可扩展性[29]、[30]、[31]。在受控气氛下的熔后脱水已成为一种有前景的替代方法，但其对高Er³⁺/Yb³⁺掺杂磷酸盐玻璃的结构-性能关系的影响仍不够充分研究[32]、[33]。

除了传统的成分优化和加工控制之外，计算材料设计的最新进展为加速玻璃开发开辟了新的途径。机器学习（ML）已成为一种强大的方法，能够在复杂的成分空间内实现成分、结构和性能之间的预测性关联[34]、[35]、[36]、[37]。基于实验验证的玻璃数据库训练的数据驱动模型在预测热机械行为、化学耐久性和其他关键性能指标方面展示了日益增长的能力，从而减少了对经验性试错设计的依赖[34]、[35]、[36]、[37]、[38]。最近，ML策略已应用于激光玻璃的光谱和发光特性研究，突显了玻璃成分对稀土发射特性的强烈影响[39]。尽管取得了这些进展，但在磷酸盐激光玻璃系统中，将ML引导的成分设计与加工相关因素（如羟基去除和稀土浓度优化）的整合仍然有限。因此，建立一个统一的框架对于将预测建模转化为实验验证的高性能激光材料至关重要。

在这项工作中，我们通过在一类新的高Er³⁺/Yb³⁺共掺杂磷酸盐激光玻璃中建立明确的结构-性能-关系来应对这些挑战，这种玻璃具有较低的羟基含量。使用ML辅助的玻璃设计平台设计了一种多组分磷酸盐玻璃基质，以容纳极高的Yb³⁺浓度，同时保持结构稳定性。系统地改变Er³⁺/Yb³⁺比例，能够详细分析能量传输行为、发射特性和荧光寿命。同时，在受控惰性气氛下采用保持成分的二次熔融脱水工艺，以最小化与OH?相关的猝灭，而不会引起挥发或成分偏差。通过这种综合方法，本研究为高性能1.5微米磷酸盐激光玻璃提供了合理的设计策略，并为下一代固态激光材料的发展建立了框架。

部分摘录

磷酸盐玻璃成分的设计与选择

为eye-safe固态激光应用设计了一种基于磷酸盐的玻璃成分，具有偏磷酸盐网络结构（O/P = 3）。为了提高化学耐久性和满足热机械要求，如文献中广泛报道的，将Al₂O₃掺入玻璃基质中[40]。由于这些玻璃经过了二次热处理以进行脱水，因此在加热和冷却阶段抑制结晶是一个关键步骤

脱水过程的优化

在优化PAKM玻璃基质中的Er₂O₃和Yb₂O₃浓度之前，系统地优化了脱水过程，以最小化OH?含量，从而提高发射性能。使用PAKM–0.25Er/8Yb成分作为参考，评估了脱水温度和持续时间的影响。基于粘度考虑，脱水处理在1100°C和1200°C下进行了30、60、120、180和360分钟

结论

成功设计、合成并优化了一种Er³⁺/Yb³⁺共掺杂的偏磷酸盐基PAKM激光玻璃，用于1.54微米的eye-safe激光发射。机器学习辅助的成分设计使得玻璃基质具备了高热稳定性、低热膨胀、强抗结晶性和高稀土溶解性。在惰性气氛下的优化脱水处理有效抑制了OH?杂质，减少了OH?的吸收

未引用的参考文献

[42], [55]

CRediT作者贡献声明

阿赫梅特·卡内尔·卡亚阿尔普（Ahmet Caner Kayaalp）：撰写——原始草稿、可视化、验证、概念化。米拉伊·切利克比尔贝克·埃尔孙杜（Miray ?elikbilek Ersundu）：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、验证、监督、资源管理、项目管理、概念化。阿里·埃尔钦·埃尔孙杜（Ali Er?in Ersundu）：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、验证、监督、项目管理、资金获取。阿尔芬·森纳罗格鲁（Alphan Sennaroglu）：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了土耳其科学技术研究委员会（TüB?TAK）在项目编号119C205下的支持，以及Y?ld?z技术大学科学研究项目协调单位在项目编号FCD-2025-7298下的支持。激光特性测试是在名为“红外区域掺镱-铒玻璃的光谱和激光特性研究”的项目范围内进行的，该项目由Ko?大学合作开展