代表性研究成果3：有源玻璃光纤与激光器
新一代光通信、物联网及国防军事等急需光谱线宽小于10-8nm的单频激光器和超高重复频率飞秒光纤激光器等新型光纤器件，用以提高通信容量、传感和探测的灵敏度。理论分析表明利用单频激光和超高重复频率飞秒光纤激光可将目前通信容量提高3个数量级，可将传感灵敏度提高2～3个数量级，用作激光雷达可为“点穴式”打击提供精确制导。相对于传统激光器，单频激光器和超高重复频率飞秒激光器对光纤的性能提出了更高的要求。石英玻璃光纤由于稀土掺杂浓度低（<0.5wt%）、发光效率低、声子能量大（>1000cm-1）等问题不再适用，研究和探索新型多组分玻璃与光纤以解决上述瓶颈，是当前广泛关注的焦点和难点问题之一。实验室围绕有源多组分玻璃光纤与激光器件基础科学问题从光学玻璃基础问题与发光基础问题→有源光纤基础问题→光纤激光与激光应用基础问题入手结合产业需求，提出了若干创新的材料与器件设计思路。
（1）提出玻璃结构相图模型，推动了玻璃科学技术定量化预测的研究
玻璃态物质的发现和应用及其相关研究已经经历了悠久的历史并且取得了丰硕成果，然而，有关玻璃态物质的本质和基本规律仍存在诸多问题值得人们继续深入思考。美国著名物理学家诺贝尔奖获得者Anderson教授曾经感慨：“玻璃态的本质和玻璃转变可能是固体理论中最深奥和最有趣的未解之谜”、“如何看透玻璃”是凝聚态物理中最富挑战的问题之一。《Science》创刊125周年之际, 公布了125个最具挑战性的科学问题。“玻璃态物质的本质是什么?”被列为其中10个重要的物理问题之一。玻璃结构和玻璃形成是玻璃态物质本质的关键问题之一，一直是科学界关注的焦点问题。玻璃态的结构由于其热力学介稳状态决定其不能用一种统一的结构模式来概括，因而历史上的无规则网络学说、微晶子学说等都是不全面的。在大量核磁共振数据和光谱结构分析等基础上，实验室提出并建立了玻璃结构相图模型（Prog. Mater. Sci., 2014, 61, 144-215），发现了玻璃结构是相图最邻近一致熔融化合物结构的杠杆比例混合，提出玻璃的结构和性质可通过相图最邻近一致熔融化合物的结构和性质来计算或预测。利用玻璃结构相图模型实现了对玻璃基团结构、玻璃结构与性质的定量计算和预测。玻璃结构相图模型同时阐明了玻璃结构的有序无序连续变化思想，指导了光子玻璃材料探索和器件应用。与前人提出的玻璃结构不同，相图模型可以定量地讨论玻璃的结构、成分与性质，只需要利用现有玻璃相图数据和结晶化学数据便可以通过玻璃成分定量计算玻璃的结构、配位数和联接状态，并进一步预测该系统玻璃的成分、结构与性质的定量关系。玻璃结构相图模型具有很强的实用意义，也符合材料科学和材料基因工程的要求。
（2）提出了“铋、镍超宽带发光”等新发光机理，研制出超宽带有源光纤
受限于4f壳层内电子跃迁，稀土离子无法实现整个光通信波段(1260-1675 nm)光信号的放大。实验室通过多组分玻璃近程结构的构型设计（包括局域场强和局域对称性设计），调控过渡金属离子能级构造（Adv. Funct. Mater., 2013, 23, 5436），突破了玻璃光纤发射波长对激活离子种类的强依赖性制约，成功研制在1.1-1.8μm波段发光可调的系列宽带光子玻璃体系，带宽达650nm（Opt. Express, 2015, 23, 12423），是目前已知红外发光最宽带宽，远超美国康宁公司Beall等报道的250nm发光带宽。并提出了基于低价Bi 和Ni的近红外发光物理机制，建立了Bi53+团簇超宽带近-中红外发光和Ni2+发光激活配位坐标模型。同时拉制出Bi和Ni掺杂的玻璃光纤，其带宽为260nm（Chin. Opt. Lett., 2017, 15, 121601; Opt. Express, 2015, 23, 28258），这是目前光通信波段最宽带宽的玻璃光纤。
国际发光学会主席荷兰科学院院士Meijerink 教授（J. Phys. Chem. C, 2014, 118, 9696）指出我们“开辟了固态发光的新途径” ；美国化学会McGuire编辑在ChemistryView (April, 27, 2016)指出“彭明营及同事通过选取铋作为发光中心(Chem. Mater. 2016, 28, 2692-2703)，解决了传统稀土荧光材料发射色纯度及可见区吸收问题”；《Chemical Today》（May, 2016, 1, 58）指出本成果“开发的玻璃具有巨大应用潜力，这些玻璃的应用会对一些学科领域带来革命性变化”。超宽带发光机理研究发表SCI收录论文30余篇， 3篇论文入选ESI高被引论文。
（3）以高增益多组分有源玻璃光纤为核心，研制出高功率、低噪声单频光纤激光种子源和最大重复频率飞秒光纤激光器。
泵浦强度噪声、热噪声以及激光腔内放大的自发辐射是光纤激光噪声的主要来源，本成果通过热流管理降低激光的热噪声，通过精确设计带通滤波器（BPF）滤除腔内产生的放大自发辐射噪声，采取光电负反馈技术抑制泵浦强度噪声，并结合半导体饱和放大与自注入锁定相结合的全光学技术（Opt. Lett., 2015, 40, 1964、Opt. Lett., 2016, 41, 1333），实现了在0.8k-50MHz范围内强度噪声接近量子噪声极限(<−150 dB/Hz),比目前引力波测量的LIGO系统中单频激光（）优5倍。
基于上述创新性技术，通过构建DBR线性腔结构开发出目前最高功率的1.0μm、1.5μm与2.0μm波段系列单频光纤激光种子源（Opt. Exp., 2016, 24, 259084），功率谱密度是目前世界上最高功率4万瓦单模光纤激光器功率谱密度的1000倍。被国外专家评述为“至今最高效率与最高功率的单频光纤激光器”。日本Yoshino教授（J. Opt. Soc. Am. B, 2017, 34, 251）研究了至2017年初为止报道的单频光纤激光器，并对它们模式的稳定性进行了排名，我们研制的单频光纤激光器包揽了前三名。在1.0μm波段实现了重复频率3.01GHz、脉宽206fs的激光输出，是目前1.0μm波段基模锁模实现的最高重复频率飞秒光纤激光；在2.0μm米波段突破GHz重频(1.6GHz)，是目前2.0μm波段基模锁模最高重频的全光纤激光器(Opt. Exp., 2016,24,29882)。共发表论文100余篇，获授权美国专利1件，发明专利17件。
承担国家重点研发计划项目2项（其中牵头1项）、国家 “863”项目3 项、国家杰出青年科学基金项目1项、国家基金委优秀青年基金项目2项、国家自然科学基金重点项目3项等。发表论文300余篇，授权发明专利25 项。授权发明专利“一种低噪声窄线宽高功率的单纵模光纤激光器”获2013年中国优秀专利奖；单频光纤激光器获2014年国家技术发明二等奖，并入选2016年科技部军委装备发展部联合组织的国家“十二五”科技创新成就展。培养了杰青1 名、优青2 名、长江学者特聘教授2名等。2013年获教育部创新团队(2017年滚动支持)、2014年获广东省“千百十工程”先进团队称号、2015年入选科技部重点领域创新团队、2017年入选“珠江人才计划”本土创新团队。
