提高能量上转换效率的实验探讨

通过以TeO2,GeO2,ZnF2,SiO2,PbF2等为主体的氟氧化物玻璃陶瓷基质材料的研究提出了提高上转换效率的某些条件.选择低声子能量的基质,且基质的系数接近稀土离子的M系数的氟氧化物基质材料是高效上转材料的基础,选择激发光光子能量与稀土离子、敏化稀土离子能级匹配是高效上转换材料的必要条件.为设计研究稀土掺杂能量上转换材料提供了有理论和应用价值的结果.     

调控声子提高Tm3+掺杂体系的频率上转换荧光

应用激光光谱学技术,探讨了Tm³⁺离子掺杂透明氟氧化物玻璃陶瓷体系中声子调控对红色激光抽运荧光辐射性质的影响. 研究了基质结构和样品环境温度与电声子相互作用的联系以及声子变化对于荧光辐射产生的影响. 发现改变基质材料的SiO₂含量能影响蓝色上转换荧光效率. 另外,依据温度与声子能量之间的联系,通过改变样品环境温度可明显调节低声子基质材料中掺杂离子激发态能级的布居速率,改变上转换效率. 关键词： 荧光辐射 声子 无辐射弛豫 荧光寿命     

用转移函数方法研究铒离子上转换发光与抽运功率的关系

用转移函数方法分析了铒离子上转换发光与抽运功率的关系.对单掺铒离子的发光材料,对比分析了铒离子为高浓度和低浓度掺杂时上转换发光强度与抽运功率的关系.对稀土离子共掺杂系统,分析了Er3+在铒镱共掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷中的上转换发光过程,认为Er3+绿色辐射的上转换发光强度与抽运激光功率的非平方关系是由于Er3+和Yb3+之间的强交叉弛豫过程引起的.讨论了在稀土离子共掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷中提高Er3+的上转换发光强度的几种方法. 关键词： 转移函数方法 上转换发光 氟氧化物玻璃陶瓷     

掺Er3+氟氧化物玻璃陶瓷的直接上转换敏化发光

研究了ErYb共掺的氟氧化物玻璃陶瓷的直接上转换敏化发光现象,发现其上转换机理主要是 Er³⁺与Yb³⁺离子间的能量传递上转换而不是Er³⁺离子 的步进多光子吸收.研究发现由于稀土离子优先富集到Pb_xCd_1-xF2微晶中,形成数个稀土离子组成的耦合团,使其存在强烈的团簇效应,一方面导 致了上转换荧光非常强,另一方面也导致了上转换荧光随抽运激光功率的对数变化F-P曲线 存在逐 关键词： 直接上转换敏化 氟氧化物玻璃陶瓷 上转换合作辐射荧光     

Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺杂玻璃陶瓷50SiO_2-50PbF_2的上转换及中红外发光特性

玻璃陶瓷又称为纳米微晶玻璃,是玻璃基质中包含约10nm的纳米微晶。在稀土掺杂的玻璃陶瓷中,稀土主要掺杂在氟化物纳米晶中。这种材料在发光应用中具有氟化物和氧化物的优点,是上转换发光和中红外发光效率高的基质材料。研究Ho3+/Yb3+共掺杂的玻璃陶瓷(50SiO2-50PbF2-1.0YbF3-0.5HoF3)的上转换和中红外发光性质。玻璃陶瓷吸收光谱的半高宽比玻璃前驱物更窄,而且长波吸收峰的Stark劈裂更加明显,表明稀土离子掺杂在晶体中。通过吸收光谱计算了J-O参数,Ω2值(0.17×10-20 cm2)比氟化物玻璃ZBLA(2.28×10-20 cm2)的低很多。在980nm激光激发下,Ho3+/Yb3+共掺杂的玻璃陶瓷有很强的绿光上转换荧光和蓝光、红光上转换荧光。与玻璃相比,绿光和蓝光光强增强明显,而红光基本不变。玻璃陶瓷中的Ho离子掺杂在声子能量低的PbF2晶体中,低的声子能量使发光能级的无辐射弛豫率降低,从而增加了绿光和蓝光的上转换效率。低的无辐射弛豫率同时也降低了红光上转换中间能级(5 I7)的粒子数布居,因此红光上转换没有增强。在980nm激光激发下Ho3+/Yb3+共掺杂的玻璃陶瓷有很强的2.9μm中红外荧光,而在玻璃前驱物中观察不到中红外荧光。     

TmYb共掺氟氧化物玻璃的间接上转换敏化发光的研究

研究了Tm(0.1)Yb(10.9)氟氧化物玻璃在800nm半导体激光激发下的间接上转换敏化发光现象.通过Tm(0.1)Yb(3)：ZBLAN玻璃和Tm(0.1)Yb(10.9)氟氧化物玻璃中Tm³⁺离子上转换发光的比较研究,发现在间接上转换敏化的情况下,Tm(0.1)Yb(10.9)氟氧化物玻璃中Tm³⁺离子的上转换发光极大地增强,超过了Tm(0.1)Yb(3)：ZBLAN玻璃的水平.说明在此类上转换激发机制下,有着较高的稀土溶解度和较大的截止声子能量的材料可能有最佳的上转换效率,它将可能有比目前最好的ZBLAN材料高许多的上转换发光强度,这对于上转换研究迅速走向实际应用有重大的意义.目前尚未见到其他类似研究报道. 关键词：     

混合形成体对掺铒碲酸盐玻璃的热力学稳定性和发光性能的影响

研究了混合形成体效应对掺铒碲酸盐玻璃热力学稳定性、1.53 μm发光特性和上转换发光强度的影响.通过拉曼光谱测试,分析了WO₃,Nb₂O₅,GeO₂等氧化物对Er³⁺离子配位场结构,以及对发光谱的非均匀展宽机理的作用.结果表明,通过掺杂适当声子能量的网络形成体氧化物,不但可获得热力学稳定性较好的玻璃,还可有效降低Er³⁺离子⁴I_11/2能级的寿命,在抑制Er³⁺离子在可见光波段的上转换发光的同时不致劣化其在1.53 μm的发光特性.本文制得的碲酸盐玻璃具有较大的受激发射截面((9.64—10.96)×10^-21cm²)和荧光半高宽(FWHM)(50—67 nm),热力学稳定性良好,是一种理想的掺Er³⁺宽带有源光纤用基质玻璃. 关键词： 掺铒碲酸盐玻璃 混合形成体 1.53 μm发光 声子能量     

稀土离子在KMnF3纳米晶复合玻璃中的微观分布机理

具有单(纯)色上转换荧光发射特性的发光材料,有望在三维显示、照明、生物成像、促进植物生长以及提高太阳能电池光电转换效率等领域得到应用,受到研究人员的广泛关注.本研究通过玻璃热处理析晶的方法,在稀土离子Yb³⁺/Er³⁺共掺的氟硅酸盐玻璃中原位生长出了钙钛矿型的KMn F₃氟化物纳米晶体,并观测到了显著增强的高单色性上转换红色发光.采用具有高分辨率的透射电子显微测试分析技术和第一性原理计算相结合,研究了稀土离子在KMn F₃纳米晶复合微晶玻璃中的掺杂机制,并讨论了稀土离子微观分布和能量传递效应对其上转换发光性能的影响.实验结果表明:稀土离子将通过优先取代KMn F₃晶体中K~+格位的方式选择性富集在具有低声子能量的氟化物纳米晶体中,并由此获得显著增强的上转换发光强度.     

Er3+离子掺杂钡镓锗玻璃上转换发光机理研究

研究了Er³⁺离子掺杂钡镓锗玻璃的吸收光谱、拉曼光谱和上转换光谱.分析了Er³⁺离子在钡镓锗玻璃中的上转换发光机理.结果表明：玻璃的最大声子能量为828cm^-1，紫外截止波长为275nm.采用800nm和980nmLD激发玻璃样品，在室温下观察到强烈的上转换绿光和红光发射.随着Er³⁺离子浓度的增加，绿光发光强度先增加后减小，而红光发光强度呈单调递增趋势.能量分析表明：800nmLD激发产生的绿光主要源于Er³⁺离子4I_13/2能级的激发态吸收过程；红光发射主要源于Er³⁺离子4I_13/2能级与4I_11/2能级之间的能量转移过程.980nmLD激发产生的绿光主要源于Er³⁺离子4I_11/2能级之间的能量转移过程；而红光发射主要源于Er³⁺离子4I_13/2能级与4I_11/2能级之间的能量转移过程和4I_13/2能级的激发态吸收过程.通过量子效率分析，发现采用800nmLD激发Er³⁺离子掺杂浓度为1mol% 的样品时，上转换绿光发光效率最高. 关键词： 上转换发光机理 3+离子掺杂')" href="#">Er³⁺离子掺杂 钡镓锗玻璃     

铒离子在氟氧化物玻璃陶瓷中的上转换发光特性研究

用转移函数方法分析了Er^3 在铒镱共掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷中的上转换发光过程,Er^3 绿色辐射的上转换发光强度与泵浦激光功率的非平方关系是由于Er^3 和Yb^3 之间的强交叉驰豫过程引起的,讨论了在稀土离子共掺杂的氟氧化物玻璃陶瓷中提高Er^3 的上转换发光强度的几种方法。     

Yb3+,Er3+双掺上转换玻璃陶瓷

制备了以PbF₂+GeO₂+WO₃SiO₂+NaF为基质组分的Yb³⁺,Er³⁺双掺稀土离子上转换发光玻璃陶瓷。采用日本产Hitachi F-4500荧光光度计,激发波长为980nm,观测到样品在550nm处出现较强的上转换发光峰,在528nm处有一个次发光峰,在650nm处有一个相对较弱的发光峰,讨论了发射光谱的特征,建立上转换发光机制,并讨论了上转换发光特征,以及基质成分、制备工艺参数、稀土离子浓度对发光性能的影响。实验中发现c(Yb³⁺):c(Er³⁺)为5:1时,上转换玻璃陶瓷的熔融温度为950℃、退火温度为380℃时,其上转换发光效率最高。     

Multi-functionality of fluorescent nanocrystals in glass ceramics

Thermal processing of as-made fluorozirconate glasses, which were additionally doped with rare-earth and chlorine ions, results in the formation of fluorescent nanocrystals therein. For medical applications, the glasses were doped with divalent europium ions as the fluorescent rare-earth ion, while trivalent neodymium was used to develop up-conversion systems. The samples were annealed up to 290 °C to initiate the growth of hexagonal or orthorhombic phase BaCl₂ nanocrystals therein. Upon annealing some of the rare-earth ions were incorporated into the BaCl₂ nanocrystals leading to enhanced fluorescence properties. The particle diameters were in the range of a few nanometers to several tens of nanometers.     

Phonon-assisted energy up-conversion process of Er3+ ions doped in KY F4 crystal

Er³⁺ ions doped in KY F₄ crystal emit blue photoluminescence around 406 nm by energy up-conversion process when excited by 532 or 488 nm laser. By measuring the temperature dependence of up-converted luminescence, we found that the up-conversion process is enhanced with increasing temperature, which is an indication that phonons are assisting the process. This observation is supported by the fact that the energy transfer responsible for the up-conversion involves two transitions that have an energy mismatch.     

Er3+:Yb3+共掺杂氟氧混合物玻璃的上转换发光研究

制备了化学配方为 (5 0 -x)GeO2 ·PbF2 ·WO3·(6 +x)CdF2 ·1 4Yb2 O3·0 6Er2 O3(x =10 ,2 0 ,30 )氟氧混合物玻璃。研究了 930nm发光二极管激发下Er3+ :Yb3+ 共掺杂情形下的Er3+ 离子的上转换发光特性 ,观测到了Er3+ 离子中心波长位于 5 4 3,5 5 0和 6 5 5nm处的三个强荧光发射带。通过对样品的反斯托克斯喇曼光谱的测量 ,确定了基质的最大声子能量 ,在此基础上分析了上转换荧光的产生机制。利用基质的平均电负性差和平均阳离子场强这两个参数 ,讨论了基质材料中GeO2 和CdF2 含量的调整对上转换发光的影响。     

Up-conversion emission in triply-doped Ho/Yb/Tm KGd(WO4)2 single crystals

Detailed spectroscopic studies of the triply doped KGd(WO₄)₂:Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺ single crystals (which exhibit multicolor up-conversion fluorescence) are reported for the first time. The absorption spectra of crystals were measured at 10 and 300 K; the room temperature luminescence spectra were excited at 980 nm wavelength. The dependence of the intensity of luminescence on the excitation power for three different concentration of Ho³⁺, Yb³⁺ and Tm³⁺ ions was investigated. Efficient green and red up-converted luminescence of Ho³⁺ ions and weak blue up-conversion luminescence of Tm³⁺ ions were observed in spectra. The red emission of Ho³⁺ ions is more intensive than their green emission. Dependence of the up-conversion luminescence intensity on the excitation power and impurities concentration was also studied; the number of phonon needed for efficient up-conversion was determined for each case. All possible energy transfer processes between different pairs of the impurity ions' energy levels are also discussed.     

稀土掺杂材料的上转换发光

稀土掺杂材料的上转换发光是实现光波频率转换的重要途径,也是稀土掺杂发光材料研究的重要内容。本文从介绍与上转换相关的基本概念出发,阐述了稀土离子上转换发光的发展历史;对稀土离子掺杂材料的能量传递、激发态吸收、合作敏化、合作发光、双光子吸收激发及光子吸收雪崩等上转换发光机制进行了概述,并对各机制进行了比较;对不同稀土离子掺杂体系中上转换发光的机制进行了总结;对以往研究的稀土掺杂上转换发光材料的基质,包括粉体材料、晶体材料、非晶材料进行了概括;最后对影响稀土离子上转换发光效率的因素进行了分析,提出了在上转换发光材料的设计中应重点考虑基质对泵浦光及上转换发射光的吸收、基质材料的声子能量、稀土离子的掺杂方案及泵浦途径等因素。     

Optical spectroscopy of lanthanides doped in wide band-gap semiconductor nanocrystals

Currently, tripositive lanthanide (Ln³⁺) ions doped wide band-gap semiconductor nanocrystals (NCs) have been the focus of research interest due to their distinct optical properties and potential applications in optical devices and luminescent biolabels. Because of the low absorptions of parity-forbidden 4f-4f transitions for Ln³⁺, it is highly anticipated that the luminescence of Ln³⁺ ions embedded in wide band-gap NC lattices can be sensitized efficiently via exciton recombination in the host. For this purpose, the successful incorporation of Ln³⁺ into the lattices of semiconductor NCs is of utmost importance, which still remains intractable via conventional wet chemical methods. Here, the most recent progress in the optical spectroscopy of Ln³⁺ ions doped wide band-gap semiconductor NCs is discussed. Much attention was focused on the optical properties including electronic structures, luminescence dynamics, energy transfer as well as the up-conversion emissions of Ln³⁺ ions in ZnO, TiO₂, SnO₂ and In₂O₃ NCs that were synthesized in our laboratory using wet chemical methods.     

White up-conversion emission in Ho/Tm/Yb tri-doped glass ceramics embedding BaF2 nanocrystals

Ho³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺ tri-doped glass ceramics with white light emitting have been developed and demonstrated. Pumped by 980 nm laser diode (LD), intensive red, green and blue up-conversions (UC) were obtained. The green emission is assigned to Ho³⁺ ion and the blue emission is assigned to Tm³⁺ ion, whereas the red emission is the combination contribution of the Ho³⁺ and Tm³⁺ ions. The RGB intensities could be adjusted by tuning the rare-earth ion concentration and pump power intensity. Thus, multicolor of the luminescence, including perfect white light with CIE-X=0.329 and CIE-Y=0.342 in the 1931 CIE chromaticity diagram can be obtained in 0.15 Ho³⁺/0.2Tm³⁺/3Yb³⁺ tri-doped glass ceramics embedding BaF₂ nanocrystals pumped by a single infrared laser diode source of 980 nm at 500 mW. The up-conversion luminescence mechanism of Yb³⁺ sensitize Ho³⁺ and Tm³⁺ ions and the energy transfer from Ho³⁺ to Tm³⁺ in oxy-fluoride silicate glass ceramics were analyzed.     

Jahn-Teller effect on Sm3+ ions in SmB6

Electron spin resonance on samarium ions with stabilized valence Sm³⁺ is investigated in the fluctuating-valence semiconductor SmB₆, both pure and doped with the rare-earth ions Eu²⁺, Er³⁺, and Gd₃₊. The dynamic and static Jahn-Teller effects have been observed for the first time on rare-earth ions. The relation between the Jahn-Teller effect in a fluctuating-valence semiconductor and the excitonic nature of the ground state of such a semiconductor is discussed. Zh. éksp. Teor. Fiz. 115, 1860–1871 (May 1999)     

Er3+在氟氧化物玻璃陶瓷中的光谱性质

根据ErYb共掺氟氧化物玻璃陶瓷的吸收光谱，用Jubb-Ofelt理论计算了强度参量，产并由此计算了激发能级的自发辐射跃迁速率、辐射寿命、荧光分支比和积分发射截面等光谱参量。