本世纪以来,信息技术的发展和光通讯网络数据传输容量的急剧增长对信息传输技术提出了越来越高的的要求。随着光纤制备技术的改进,目前的光纤通讯窗口已经覆盖了1.2～1.7μm波段。然而,由于稀土离子4f-4f窄带禁阶跃迁的特点,传统的稀土离子掺杂光纤放大器和激光器将难以满足光纤通讯的需求。未来光纤通讯系统的发展需要具有更高光增益的超宽带光纤放大器,以及能够在光纤通讯波段高效工作的可调谐光纤激光器。铋(Bi)掺杂近红外发光玻璃的发射波长可以覆盖1000～1700nm范围,荧光半高宽约300nm,荧光寿命约为几百微秒。鉴于此,Bi掺杂近红外发光玻璃很有可能弥补目前稀土离子掺杂光纤放大器和激光器的不足,成为全新一代的超宽带光放大材料和激光介质。本文系统介绍了目前已知的各种Bi发光中心的性质和发光原理,Bi掺杂近红外发光材料和器件的研究进展,概括和评述了Bi掺杂近红外发光材料和器件当前面临的问题,并就其今后的发展进行了展望。在此基础上,我们研究了外场对Bi掺杂多晶材料和玻璃中Bi离子形态和发光性能的影响,提出了多种方法实现Bi掺杂玻璃的可调谐发光,并探讨了其发光机理。同时,我们采用新的制备方法,开发出多种Bi掺杂宽带近红外发光薄膜,就其发光机理和Bi近红外活性中心给稀土离子的敏化作用进行了研究。最后,我们探究了Bi离子敏化稀土离子上转换发光的可行性。利用热分析,X射线衍射,扫描电子显微镜,透射电镜,拉曼光谱,电子自旋共振,X射线光电子能谱,漫反射/吸收光谱,荧光光谱和荧光衰减曲线等表征手段研究了材料的微观结构和光谱性能。本文取得了一系列研究成果,有助于Bi掺杂新型超宽带近红外发光材料和器件的开发和应用,而且,对p区其他发光活性元素的研究也具有重要参考价值。本文的主要研究成果和结论如下：1、研究了外场对多晶粉末和玻璃中Bi离子形态和光谱性能的影响,主要分两部分实验：(1)通过γ射线辐照Bi掺杂Y4GeO8多晶粉末,再低温退火处理,发现γ射线辐照后,多晶粉末中Bi3+的蓝色发光减弱,出现了宽带近红外发光,并且随着退火温度的升高,近红外发光强度逐渐减弱,蓝色可见发光强度逐渐增强。实验发现Y射线辐照,可以诱导晶体中产生自由电子和空穴,并与Bi3+复合,形成Bi+和Bi5+,产生来自Bi+的近红外发光。随后的退火过程中,Bi+和Bi5+可以释放捕获的电子和空穴,又转变成Bi3+。(2)通过控制热处理温度来调控Bi离子的形态和玻璃析晶行为,从而控制发光的变化。发现随着热处理温度的升高,Bi离子被热还原成Bi原子,再聚集形成Bi金属胶体,使得玻璃中近红外发光淬灭。继续升高热处理温度,Bi金属胶体又会熔化氧化形成Bi+等Bi近红外活性中心,而且,析晶会导致玻璃相中A1203相对含量的增加,引起玻璃相光学碱度的降低,有利于Bi近红外活性中心的形成和分散,增强近红外发光。随着热处理温度的继续升高,大量晶体的析出,阻碍了Bi近红外活性中心对激发光的吸收,此外,玻璃中剩余玻璃相的减小,导致玻璃相中Bi近红外活性中心的相对浓度增加,交叉弛豫加剧,发光减弱。2、提出三个实现可调发光的研究思路：(1)综合调控玻璃的光学碱度,声子能量和配位场实现可调发光。在Bi掺杂硅酸盐玻璃中,通过氟离子部分替换氧离子,降低玻璃光学碱度和声子能量,减弱Bi离子周围的配位场,减小玻璃中无辐射弛豫速率,促进Bi3+和Bi2+向Bi+和Bi0转变,导致玻璃可见发光强度降低,近红外发光强度和寿命增加,可见和近红外发光峰位蓝移。(2)通过氧化还原反应和敏化剂调控发光。在Bi掺杂氟硅酸盐玻璃中,利用Ag+的氧化作用,氧化Bi金属原子团簇和胶体,形成Bi近红外活性中心；并控制玻璃中Ag+和Ag小分子团簇(Ag2+和Ag42+)的形成,通过Ag+,Ag的小分子团簇和Bi3+,Bi2+给Bi近红外活性中心的传能,首次在300～980nm全波段激发下,实现近红外发光的增强。(3)改变制备条件和Bi掺杂浓度调控发光。在Bi掺杂锗酸盐玻璃中,通过改变Bi掺杂浓度,玻璃熔化温度和气氛,调控玻璃内部Bi近红外活性中心的种类和含量,成功的实现了1080～1330nm近红外可调谐发光。实验确定,锗酸盐玻璃中峰位于1100,1260和1450nm的近红外发光可能分别对应Bi+, Bi0和Bi团簇离子,如Bi22-二聚体离子。相对于空气气氛,惰性气氛或还原气氛更利于低Bi掺杂浓度玻璃的发光。3、首次采用脉冲激光沉积方法成功的制备了Bi掺杂具有宽带近红外发光的玻璃薄膜。(1)制备的Bi掺杂锗酸盐玻璃薄膜可以与传统的介电和半导体单晶衬底兼容,发光覆盖1000～2300nm。系统研究了制备条件对发光性质的影响。发现随着沉积氧压从1.0Pa增加到12.0Pa,薄膜发射峰从1500nm蓝移到1200nm。分析表明,薄膜中近红外发光可能来自Bi团簇离子,发光峰位于长波长处的Bi团簇离子价态低于发光峰位于短波长处的。特定氧压下沉积的薄膜,可能只存在一种或多种发光性质相似的Bi活性中心,导致发射和激发峰位置不随激发波长和监测的发光波长变化。(2)制备的Bi掺杂氟锗酸盐玻璃薄膜发光覆盖1000～2400nm,实验确认近红外发光来自低价态的Bi团簇。Bi团簇可以通过能量传递增强Ho3+的～2μm发光,传能效率高达72.6%。4、利用Bi活性中心的宽带近红外吸收和发光性质,敏化Ho3+的上转换发光,在Bi/Ho共掺氟锗酸盐玻璃中,成功的实现了增强的宽带激发双光子绿光和红光上转换发光。激发带覆盖720～780nm和920～1030nm,半高宽分别为20和45nm,激发峰分别位于750和970nm。Bi近红外活性中心给Ho3+的能量传递效率为65.3%。这种宽带激发上转换发光材料有望在光伏领域发挥重要作用。