在如今信息容量以太字节（TB）为单位的信息时代,光子玻璃与光纤在大容量信息光传输、高精度光纤激光加工制造和高精密平面触摸显示等光电信息产业发挥着不可替代的作用。可调谐的极端光源用玻璃光纤材料与光子器件是网络信息安全和国防军事领域的重点新材料,这类关键材料的生产和应用基本都受限于西方发达国家。作为光子玻璃的一个重要分支,光功能微晶玻璃兼具光学晶体和光子玻璃的优点:有着晶体材料相近甚至更优的光学性能;又存在类似于玻璃材料制备工艺简单、掺杂浓度较高且易制成大尺寸高功率的异型器件的优势;还具有机械强度和化学稳定性高、抗激光和热损伤阈值高等优点。因此对光功能微晶玻璃的结构与光学性能开展研究具有重要意义,可以为这类材料的开发和实用化提供设计准则和理论支撑。本论文总结了透明微晶玻璃的成核与生长理论、析晶机理和分类,综述了光功能微晶玻璃在光学方面的应用。针对变价离子,特别是过渡金属离子在玻璃结构中难以激活的特点,从材料学角度出发,通过结构研究-光学性能调控-应用演示的研究路线,选取了具有代表性的变价过渡金属离子（Cr和Fe离子）和稀土离子（Eu离子）作为光学中心,对多种类的变价离子掺杂微晶玻璃体系开展了深入研究。基于晶体场理论和选择性掺杂机制,采用单一元素的多价态离子与多种格位取代形式相互组合的思路,采用热分析、X射线衍射、高分辨透射电镜、X射线吸收、透过/吸收光谱和光致发光光谱等结构和光谱表征手段研究了Cr、Eu和Fe离子掺杂玻璃与微晶玻璃的微观结构和光学性能。获得了具有优异温度传感性能、超宽带近红外发光、可饱和吸收特性、可见波段多色可调发光、近红外波段吸收宽带可调等一系列特殊光学应用的透明微晶玻璃。设计并制备了Cr离子掺杂含Al₆Si₂O₁₃单晶相和含Al₆Si₂O₁₃和Ga₂O₃双晶相的两种B₂O₃-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃。利用选择性掺杂机制和晶体场理论实现了Cr³⁺离子在单晶相微晶玻璃中掺杂进Al₆Si₂O₁₃纳米晶的八面体格位中,而在双晶相微晶玻璃中掺杂进Ga₂O₃纳米晶的八面体格位中。与未掺杂样品相比,低浓度（0.1和0.2 mol%）的Cr³⁺离子掺杂对单晶相微晶玻璃中的Al₆Si₂O₁₃纳米晶的析出起抑制作用,而对双晶相微晶玻璃中的Ga₂O₃纳米晶的析出起促进作用。根据吸收光谱计算得了系列Cr³⁺离子掺杂玻璃和微晶玻璃的晶体场强度,相应的Dq/B值在2.17².74范围内可调。吸收光谱与光致荧光光谱证实了Cr³⁺离子的选择性掺杂机制遵循能量最小原理,即追求系统总能量达到最低的稳定状态是Cr³⁺离子格位选择的驱动力。0.1 mol%的Cr³⁺离子在双晶相微晶玻璃中的特征发光峰强度随环境温度升高呈现增强的趋势,主要是源于高温下Ga₂O₃中的陷阱中心热激活后将能量传递给了Cr³⁺离子的⁴T₂能级。采用荧光强度比技术表征了Cr³⁺离子的²E和⁴T₂这一对热耦合能级的光学温度传感性能,结果表明其相对灵敏度S_R在423K时达到最大值1.60%K^-1。设计并制备了Cr离子掺杂含Mg₂SiO₄纳米晶的MgO-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃。将玻璃组成中的K₂CO₃替换成KNO₃,虽然不改变微晶玻璃的微结构和相组成,却能极大地促进Cr³⁺向Cr⁴⁺离子的转变,提高了微晶玻璃中Cr⁴⁺离子的数量。光谱分析表明在玻璃析晶过程中,部分Cr³⁺离子掺杂进了[MgO₆]八面体的六配位环境,而几乎全部Cr⁴⁺离子掺杂进了[SiO₄]四面体的四配位环境。上述的格位取代形式可以有效抑制微晶玻璃中Cr³⁺和Cr⁴⁺离子间的能量传递过程,实现了样品在850¹400 nm范围内的超宽带近红外发光的增强,发射峰的半高宽达340 nm。Z扫描测试结果证实了Cr离子掺杂Mg₂SiO₄微晶玻璃对1064 nm脉冲激光具有饱和吸收的特性,其基态和激发态吸收截面的值分别为1.39×10^-16 cm²和1.20×10^-16 cm²。将Cr离子掺杂微晶玻璃作为可饱和吸收体,实现了Nd³⁺离子掺杂激光晶体在1064 nm处的调Q脉冲激光输出,重复频率为250 kHz,脉宽为176 ns。采用“管中-熔体法”成功制备了微晶玻璃光纤,纤芯和包层之间基本没有发生元素的相互扩散,Cr离子在微晶玻璃光纤中得到了激活。设计并制备了一种在微米级BaAl₂Si₂O₈单晶中嵌有大量LaF₃纳米晶的多尺度结构的BaO-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃。多尺度结构微晶玻璃中的微米级单晶能极大地提升样品内部光散射发生的概率,增加了光传输的平均自由程,有利于光与物质的非弹性相互作用。将选择性掺杂机制拓展到多价态的稀土离子掺杂微晶玻璃体系中,通过在多尺度结构微晶玻璃中掺入Eu离子,使Eu³⁺和Eu²⁺离子分别掺杂进LaF₃纳米晶和BaAl₂Si₂O₈单晶的八面体格位中。上述的格位取代形式可以有效抑制Eu³⁺和Eu²⁺离子间的能量传递过程。利用Eu³⁺离子的红光发射和Eu²⁺离子的蓝光发射的组合,通过改变激发波长,实现了可见波段的蓝光、白光到红光的多色可调发光;通过改变环境温度,实现了微晶玻璃发光颜色由白色向粉红色的转变。设计并制备了Fe离子掺杂含ZnO纳米晶的微晶玻璃,研究了不同浓度的Fe离子掺杂对K₂O-Al₂O₃-SiO₂系微晶玻璃的析晶行为、相结构以及光学性能的影响。采用修正的JMA公式表征了玻璃的非等温析晶动力学,结果表明不同浓度的Fe离子掺杂会影响玻璃的析晶能力,0.6 mol%的Fe离子掺杂玻璃的析晶能力最强,2.0 mol%的Fe离子掺杂玻璃的析晶能力最弱。在“一步法”热处理工艺下,0.2 mol%的Fe离子掺杂微晶玻璃中的ZnO纳米晶的平均晶粒尺寸和结晶完整性都为最高,析晶形式为整体析晶。探讨了近红外波段的局域表面等离子体共振（LSPR）吸收峰出现以及随Fe离子浓度增加而红移的原因:只有当Fe³⁺离子掺杂进ZnO纳米晶中才能引入浓度约为10²¹ cm^-3量级的载流子,与入射光发生共振导致强烈的LSPR吸收峰的出现;但是过量的Fe³⁺离子则会捕获大量的自由电子,且杂质和缺陷引入的深能级也能促进电子和空穴的复合,降低了载流子浓度,导致了LSPR吸收峰的红移。Fe离子浓度的增加导致了Fe离子局域d电子间的s-d和p-d交换耦合作用的增强,使微晶玻璃的光学带隙变窄。瞬态吸收光谱测试表明,微晶玻璃中载流子的衰减包含两个过程:快态衰减过程和慢态衰减过程,分别起源于电子-声子和声子-声子相互作用,对应的时间常数分别为10² fs和ps量级。基于宽带的LSPR吸收特性,0.2 mol%的Fe离子掺杂微晶玻璃具有优良的红外辐射性能和光热转换效率。