过渡金属离子掺杂微晶玻璃具有光学性能丰富、机械性能良好、制造简单、易于加工等优点,是当今光学材料的研究热点之一。到目前为止,人们已成功制备多种过渡金属离子掺杂透明微晶玻璃体系,根据微晶玻璃的光学性能,有望将其应用于各种领域,如可调谐激光器,可饱和吸收体,光学温度计及固体照明等。目前对过渡金属离子掺杂微晶玻璃的研究主要专注于材料的光学性能,对掺杂机理的研究则相对较少,且这类材料的实用化仍未取得很大的进展。过渡金属离子掺杂微晶玻璃的光谱特性主要由掺杂离子的种类、价态及其配位场亦即几何构型类型决定,这类材料光学性能调控的核心便在于掺杂离子配位环境的构筑与调控。因此对过渡金属离子掺杂微晶玻璃的结构、掺杂机理与光学性能开展研究具有重要意义。本文简要介绍了过渡金属离子掺杂材料的种类及其光学应用,并就过渡金属离子（Ni/Fe/Co）掺杂微晶玻璃的结构,掺杂机理及光学性能展开研究。本研究取得的一系列实验结果可以为过渡金属离子掺杂微晶玻璃的研制和应用提供设计参考和理论支撑。具体研究内容如下:制备了Ni2+离子掺杂Zn Si O3微晶玻璃,对其结构、掺杂机理和光学性能进行研究。根据微晶玻璃的结构及光谱表征结果,发现Ni2+离子可以通过诱导Zn Si O3析出改变该玻璃体系的析晶行为,进而掺杂到Zn Si O3微晶相中。由此提出过渡金属离子掺杂的一个可能机理:过渡金属离子可作为成核剂诱导晶相析出,从而掺杂进微晶相中。进一步研究该材料的发光特征,发现Ni2+离子掺杂Zn Si O3微晶玻璃在1200～2200 nm波段具有红外发光现象,中心波长约为1550 nm,源于六配位Ni2+离子~3T2（~3F）→~3A2（~3F）电子跃迁,其光学性能与Ni2+离子掺杂浓度和热处理温度有关。制备了Fe2+/Fe3+离子掺杂γ-Ga2O3微晶玻璃,对其结构和光学特性进行研究。发现该微晶玻璃在1062 nm处和1500～2500 nm波段存在吸收峰,分别源于六配位Fe2+离子的~5T2→~5E电子跃迁和四配位Fe2+离子的~5E→~5T2电子跃迁。在360 nm激发下,微晶玻璃存在一个中心波长为770 nm的宽带发光峰,源于六配位Fe3+离子的~4T1（G）→~6A1（S）跃迁。上述结果表明Fe2+离子和Fe3+离子进入γ-Ga2O3微晶相,Fe2+离子占据四面体和八面体格位,而Fe3+离子占据八面体格位。进一步研究了Fe2+/Fe3+离子掺杂γ-Ga2O3微晶玻璃在2.0μm波段的被动调Q性能。首次采用Fe2+离子掺杂微晶玻璃作为可饱和吸收体对Tm:YAP激光器进行被动调Q,成功获得稳定的脉冲激光输出,表明该材料在近红外波段的激光被动调Q方面具有较大的应用潜力。设计和制备了Co2+离子掺杂Ga2O3,KZn F3和Mg F2微晶玻璃,实现了Co2+离子的选择性掺杂,获得具有不同光学特性的光功能材料。由吸收光谱和XAFS结果可知,Co2+离子分别有选择性地掺杂进Ga2O3和KZn F3微晶相,形成[Co O4]6-四面体和[Co F6]4-八面体配位几何结构。通过对Co2+离子掺杂微晶玻璃进行第一性原理计算,发现Co2+离子在微晶玻璃中的选择性掺杂与其掺进微晶相的缺陷形成能有关。结合实验及理论计算结果,提出过渡金属离子另一个可能的掺杂机理:基于微晶相体系能量最小的稳定化趋势是过渡金属离子格位选择的驱动力。该机理可为尝试在玻璃基质中构筑过渡金属离子配位几何结构的研究提供参考。进一步对Co2+离子掺杂KZn F3和Ga2O3微晶玻璃的光学特性进行研究。发现Co2+离子掺杂KZn F3微晶玻璃在1400～2800 nm波段具有宽带发光,源于六配位Co2+离子~4T2（~4F）→~4T1（~4F）电子跃迁,据我们所知,这是首次在Co2+离子掺杂微晶玻璃中实现近中红外宽带发光。以Co2+离子掺杂γ-Ga2O3微晶玻璃作为Nd:YVO4激光器的调Q元件,在1.3μm波段实现了稳定的纳秒脉冲激光输出,重复频率约为200k H,脉宽约为280 ns,表明该材料有望用于1.3μm波段的被动调Q。设计和制备了过渡金属离子（Co/Ni/Fe）掺杂γ-(Ga2-xAlx)O3固溶体微晶玻璃,实现了材料的光学性能调控。由结构表征结果可知,通过合理设计玻璃成分,在0～2.0的Al2O3/Ga2O3比值范围内,成功实现了立方γ-(Ga2-xAlx)O3固溶体纳米晶的析出。当Al2O3/Ga2O3比值由0提高到2.0时,过渡金属离子（Co/Ni/Fe）掺杂微晶玻璃的吸收峰和发光峰峰位逐渐向短波方向偏移。结合第一性原理计算结果,提出光谱调控的物理机制:通过固溶影响过渡金属离子掺杂基质的晶体结构,进而改变掺杂离子的配位几何构型,实现微晶玻璃可调谐吸收及发光。上述实验结果表明,掺杂结合固溶是调控过渡金属离子掺杂微晶玻璃光学性能的一种有效手段。