中红外激光陶瓷的研究进展与展望

波段为2～5tμm的中红外激光在国防、医疗、通信等方面有着特殊的重要应用,而直接产生中红外激光的增益介质主要包括气体激光介质、半导体、稀土离子或者过渡金属离子掺杂的化合物.本文首先介绍应用于中红外波段的发光离子(包括Tm3,Ho3+,Er3+等稀土离子和Cr2+,Fe2等过渡金属离子)光谱特性,然后重点介绍氧化物(包括石榴石和倍半氧化物)和Ⅱ-Ⅵ族化合物(主要是ZnS/ZnSe)两大类中红外激光陶瓷材料的制备与激光性能.最后,对这两大类中红外激光陶瓷中存在的问题进行了分析,并对其发展方向进行了展望.     

双温区热扩散掺杂Fe2+∶ZnSe激光晶体的制备及激光输出性能

本文以CVD ZnSe晶片为基质材料,以FeSe粉末为掺杂物,采用双温区热扩散掺杂技术获得了尺寸为Ø22 mm×4 mm的Fe²⁺∶ZnSe激光晶体。通过二次离子质谱(SIMS)测试该晶体样品表面铁离子浓度为3.43×10¹⁸ cm^-3,并通过X射线光电子能谱(XPS)分析了晶体样品中铁元素的离子价态。采用UV/Vis/NIR分光光度计和傅里叶红外光谱仪测试了Fe²⁺∶ZnSe激光晶体的透过谱图。测试结果显示,在3.0 μm处出现了明显的Fe²⁺吸收峰,峰值透过率为5.5%。以波长为2.93 μm的Cr, Er∶YAG激光器为泵浦源,温度77 K时抽运尺寸10 mm×10 mm×4 mm的 Fe²⁺∶ZnSe晶体,获得了能量为191 mJ、中心波长4.04 μm的中红外激光输出,光光转换效率13.84%。     

ZrO2对Ho∶(Y0.7Sc0.3)2O3激光陶瓷致密化和光学性能的影响

2 μm 波段处于人眼安全波长,在医疗、加工、红外探测与对抗,以及大气环境监测等军、民两用领域有着重要潜在和实际应用。Ho³⁺掺杂倍半氧化物陶瓷具有宽的吸收和发射光谱、高热导率以及低声子能量等优点,是一类重要的 2 μm 波段激光材料。通过材料固溶原理,可以实现光谱更加宽化,这使其有可能成为一类性能优异的中红外固体激光材料。本文以商业Y₂O₃、Sc₂O₃以及Ho₂O₃粉体为原料,添加少量ZrO₂(原子比为0~1.0%)作为烧结助剂,采用真空预烧,结合热等静压烧结的工艺,成功制备出高透明的0.5%Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷。研究了ZrO₂掺杂浓度(0~1.0％)对Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃激光陶瓷致密化过程和光学性能的影响。通过添加ZrO₂有效抑制了高温下Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷晶粒的生长,掺杂1.0％ZrO₂的Ho∶(Y_0.7Sc_0.3)₂O₃陶瓷经1 690 ℃下真空预烧结4 h和1 600 ℃/190 MPa热等静压烧结3 h后,其透过率在1 100 nm处达到79.1％(厚度为4.4 mm),接近理论透过率。     

激光加热基座法制备Er:YAP单晶光纤及性能表征

本文采用了激光加热基座(LHPG)法逆向生长技术,实现了多组分Er∶YAP晶体的快速制备。利用LHPG法开展了Er∶YAP单晶光纤的生长研究,通过解决单晶光纤生长过程中存在的色心、开裂、直径起伏等关键问题,制备出直径0.8 mm、长度65 mm的高品质Er∶YAP单晶光纤。对不同掺杂浓度Er∶YAP晶体的光谱性能进行表征分析,结果表明掺杂浓度5%(原子数分数)时,Er³⁺间存在较强的能量传递过程,有利于实现高效率中红外激光输出。     

Er掺杂CGA晶体的生长及浓度优化研究

本文采用激光加热基座法生长出一系列掺杂不同Er³⁺浓度(摩尔分数)的Er∶CaGdAlO₄(Er∶CGA)激光晶体,并对制备出的系列晶体开展详细的光学性能研究。结合J-O理论计算和光学性能表征,通过对比吸收光谱中780～840和955～1 020 nm的最大吸收系数、吸收截面、半峰全宽和辐射寿命等,以及荧光发射光谱的发射强度、发射截面和能级荧光寿命等光学性能参数,得到Er³⁺的最佳掺杂浓度为5%。该工作为获得一种有望用于1.5～1.7μm近红外波段全固态激光器的新型激光增益介质提供了一定的实验基础。     

GdAlO3∶Tb3+-Al2O3有序共晶生长及其微结构研究

两相有序共晶材料由于具有不同折射率的两晶相呈现有序排列,可降低荧光在共晶材料内部的散射而实现导光功能,可被应用于高分辨探测成像器件中。本工作根据定向凝固原理,用微下降法生长技术制备得到了直径为3 mm的GdAlO₃∶Tb³⁺-Al₂O₃两相有序共晶。通过SEM和元素分析,探究了GdAlO₃∶Tb³⁺-Al₂O₃共晶内部的微结构,结果显示,所得共晶中GdAlO₃∶Tb³⁺晶相均匀有序地分布于基质Al₂O₃晶相中,GdAlO₃∶Tb³⁺晶相直径的大小受生长速率的影响,速率越快,直径越小。所制备得到的GdAlO₃∶Tb³⁺-Al₂O₃有序共晶在X射线辐照下发射出明亮的绿色荧光,并在GdAlO₃∶Tb³⁺晶相中定向传播,有望被用作X射线探测成像材料,提高探测器的空间分辨率。     

不同直径Cr:Al2O3圆柱晶体的制备及其光学性能研究

采用光学浮区法制备了不同Cr³⁺掺杂浓度的Cr∶Al₂O₃晶体,并根据需要制备了不同直径(2 mm至13 mm)的长度大于100 mm的圆柱状Cr∶Al₂O₃晶体。测量了在制备Cr∶Al₂O₃晶体不同阶段所获得的粉末料棒、陶瓷料棒和晶体的密度,分别为0.928、2.230和4.051 g/cm³。XRD图谱显示,Cr∶Al₂O₃晶体为α-Al₂O₃相。透射光谱表明,Cr∶Al₂O₃晶体可见光非特征吸收波段透过率大于80%。吸收光谱和光致激发光谱(监测669 nm光)均显示,Cr∶Al₂O₃晶体在418及559 nm处有较强吸收带,分别对应Cr³⁺从⁴A₂至⁴     

中红外氟化物激光晶体的生长和性能优化研究

中红外激光晶体材料作为激光技术核心增益材料之一,在军事光电对抗、激光医疗、卫星遥感、环境监测、基础科学等领域具有非常重要的应用.本文介绍了近年来在中红外氟化物激光晶体材料中,关于晶体生长、光学性能优化以及中红外激光性能等方面的研究工作,特别是在中红外光学性能优化调控方面,主要介绍基于稀土能级耦合的相互作用,有效抑制发光离子的自终止效应,以及为发光离子提供有效泵浦通道.     

掺Er3+晶体近3 μm中红外激光研究进展

Er³⁺近3μm激光是高精度激光手术的理想光源,此外其本身可作为中远红外激光系统的泵浦源,对长波激光的发展具有重要价值.研究表明,Er离子间的合作上转换能够抑制激光下能级寿命过长引起的粒子阻塞,显著提高激光效率.据此提出的“高浓度掺杂”方案造成了增益晶体严重的热效应,限制了激光功率提升.本文简要总结了关于掺Er³⁺晶体激光自终止和合作上转换的研究成果,介绍了目前实现高功率近3μm激光的实验方案及其研究进展,对高功率Er³⁺近3 μm激光的发展进行了展望.     

K3ScF6∶Tm3+,Yb3+/CdS光催化复合材料的制备及其光催化性能研究

上转换材料与光催化剂复合可以产生吸收光谱“红移”的效果,对提高光催化剂的降解效率具有重要意义。为了提高CdS对近红外光的利用率,通过高温固相反应法合成了冰晶石结构上转换发光材料K₃ScF₆∶Tm³⁺,Yb³⁺,并采用高能球磨法将其与CdS复合制备出一种新型光催化复合材料K₃ScF₆∶Tm³⁺,Yb³⁺/CdS。采用X射线粉末衍射(XRD)、场发射扫描电镜(SEM)、荧光光谱(PL)和紫外-可见漫反射吸收光谱对其成分、结构和性能进行了系统表征。同时,对不同复合比例下制备的复合催化剂对罗丹明B(RhB)的光降解效率和K₃ScF₆∶Tm³⁺,Yb³⁺/CdS光催化复合材料的光催化机理进行了研究。结果表明,K₃ScF₆∶Tm³⁺,Yb³⁺和CdS的...     

Er3+单掺与Er3+/Yb3+共掺NBT-CT无铅压电陶瓷的上转换发光性能研究

采用固相烧结法制备一系列Er³⁺单掺与Er³⁺/Yb³⁺共掺0.96Na_0.5Bi_0.5TiO₃-0.04CaTiO₃(NBT-CT∶xEr³⁺/yYb³⁺,x=0.002~0.015,y=0.010)无铅压电陶瓷。通过X射线衍射仪和荧光光谱仪分别对样品的物相结构和上转换发光特性进行表征和分析。结果表明,样品的主晶相为NBT晶相。在波长为980 nm的近红外光激发下,Er³⁺单掺与Er³⁺/Yb³⁺共掺NBT-CT陶瓷均呈现强的以绿光为主的Er³⁺特征上转换发光。在NBT-CT∶xEr³⁺中,当x=0.010时上转换发光性能最佳;Yb³⁺能够起到敏化作用,明显增强Er³⁺的上转换发光强度。     

Sr3ZnNb2O9:0.3Eu3+,xNa+荧光粉的合成和发光性能研究

本文通过高温固相反应成功制备了Sr₃ZnNb₂O₉∶0.3Eu³⁺,xNa⁺(x=0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)系列荧光粉。X射线衍射分析和精修结果表明,Eu³⁺和Na⁺成功掺杂到Sr₃ZnNb₂O₉基质中,并部分取代了Zn²⁺。采用扫描电子显微镜测试了样品的微观形貌和元素分布。光谱特性和热稳定性研究表明,Na⁺的最佳掺杂浓度为x=0.2,Na⁺的引入提高了Sr₃ZnNb₂O₉∶0.3Eu³⁺荧光粉的热稳定性,活化能为0.163 eV。计算出Sr₃ZnNb₂O₉∶0.3Eu³⁺, 0.2Na⁺样品...     

Eu3+掺杂Sr3Y2TeO9的红色荧光粉

采用高温固相法制备了一系列Sr₃Y_2-xTeO₉∶xEu³⁺新型红色荧光粉,研究了Sr₃Y_2-xTeO₉∶xEu³⁺的物相结构、发光性能、衰减寿命以及热稳定性。研究结果表明新型红色荧光粉Sr₃Y_2-xTeO₉∶xEu³⁺能在近紫外光或蓝光激发下发出强烈的红光,并确定了Sr₃Y_2-xTeO₉∶xEu³⁺的浓度猝灭机制是电偶极-电偶极之间相互作用。其色坐标结果表明,随着掺杂浓度的增加该荧光粉的色坐标均在红色区域。温度相关荧光发射光谱揭示了该荧光粉具有良好的热稳定性。荧光衰减曲线显示在Sr₃Y_2-xTeO₉∶xEu³⁺荧光粉中当x=0.34时为最佳掺杂浓度,其平均荧光寿命为0.619 ms。综合以上研究结果表明新型红色荧光粉Sr₃Y_2-xTeO₉∶xEu³⁺在荧光转换近紫外激发白光二极管中具有良好的应用前景。     

Yb,Ho:GdScO3晶体生长及光谱性能分析

采用提拉法生长出了尺寸为?30 mm×50 mm的Yb, Ho∶GdScO₃晶体。通过X射线衍射得到了晶体的粉末衍射数据,使用GSAS软件进行了全谱拟合,得到了晶体的结构参数。测试了晶体的拉曼光谱,在100～700 cm^-1观察到18个拉曼振动峰。对Yb, Ho∶GdScO₃晶体的光谱特性进行了表征,并计算了Yb³⁺的吸收截面,其在940、975 nm处的吸收截面分别为0.31×10^-20、0.42×10^-20 cm²。采用Judd-Ofelt理论计算了Ho³⁺的跃迁强度参量Ω_t,Ω₄/Ω₆值为2.04,并计算了辐射跃迁概率、能级寿命及荧光分支比等光谱参数。结果表明,Yb, Ho∶GdScO₃晶体的发光性能良好,是一种有前景的2～3μm激光晶体候选材料。     

颜色可调Ca2LaTaO6∶Dy3+,Tb3+荧光粉的制备、发光性能及能量传递

本文利用高温固相反应法制备了高效黄绿色多色发光荧光粉Ca₂LaTaO₆∶Dy³⁺, Tb³⁺,其主要窄发射带来自Tb³⁺的547 nm处,并且由于Dy³⁺的敏化作用而在250~400 nm区域具有宽激发带,将Dy³⁺和Tb³⁺共掺到Ca₂LaTaO₆ (CLTO)基质中,构建能量传递体系。通过激发/发射光谱及寿命衰减曲线测试证实了Dy³⁺到Tb³⁺的能量传递过程。Dy³⁺→Tb³⁺的能量传递以偶极-四极相互作用为主,能量传递效率可达80%甚至更高。基于该能量传递过程,在Dy³⁺的特征激发下,通过改变Dy³⁺和Tb³⁺的相对掺杂浓度,可以使发光颜色由黄色渐变为绿色,说明发光颜色可调的多色发光荧光粉Ca₂LaTaO₆∶Dy³⁺, Tb³⁺在荧光粉转换的白光LED中具有潜在的应用前景。     

橙红色荧光粉Ca2GdNbO6∶Sm3+,Na+的制备及发光性能

为了研究Na⁺掺杂对Ca₂GdNbO₆∶0.03Sm³⁺荧光粉发光性能的影响,本文采用高温固相反应法成功制备了一系列Ca₂GdNbO₆∶0.03Sm³⁺,xNa⁺(x=0.01、0.03、0.05、0.07、0.10;x为摩尔分数)荧光粉。XRD图谱和精修结果表明,Na⁺成功掺入Ca₂GdNbO₆∶0.03Sm³⁺晶格。发光性能测试结果表明,Na⁺的掺入提高了Ca₂GdNbO₆∶0.03Sm³⁺荧光粉的发光强度,其最佳掺杂浓度为5%。在406 nm波长激发下,荧光粉在602 nm (⁴G_5/2→⁶H_7/2)处发射峰最强且发射出橙红光。浓度猝灭结果及热稳定性研究表明,Ca₂GdNbO₆∶0.03Sm³⁺,0.05Na⁺基质中能量传递主要发生在最近邻离子之间,荧光粉的热猝灭激活能为0.119 eV。该荧光粉的色坐标位于橙红色区域(0.593 5,0.404 7),与国际照明委员会规定的标准色坐标(0.666,0.333)接近,表明Ca₂GdNbO₆∶0.03Sm³⁺,xNa⁺荧光粉在白光LED领域具有潜在的应用前景。     

钆镱共掺杂铝酸钇晶体的生长及性能研究

采用单晶提拉法成功生长出优质的Gd³⁺/Yb³⁺共掺铝酸钇晶体。对晶体的结构、分凝系数、光谱和激光性能进行了表征,结果表明:所生长的晶体空间群为Pnma,属于正交晶系,Yb³⁺的分凝系数为1.13。从偏振吸收和荧光光谱发现,b偏振方向时,晶体在980 nm处吸收截面为2.14×10^-20 cm²,适用于InGaAs 激光二极管泵浦;在1 044 nm处的发射截面为0.39×10^-20 cm²,荧光寿命为1.638 ms。此外,对b切向的Gd/Yb∶YAP晶体进行激光实验,在1 μm处实现连续激光输出,斜率效率为23.5%,最大输出功率可达0.51 W。     

稀土金属Ce3+掺杂ZnO材料的光催化机理

通过溶胶凝胶法制备了光催化活性更高的Ce∶ZnO复合粉体光催化材料,并采用X射线衍射(XRD)、电子顺磁共振(EPR)、紫外可见光谱(UV-Vis)技术对所制备的粉体样品的晶体种类及结构、自由基种类及含量、光催化效率进行表征分析。复合样品的X射线衍射测试结果显示,随着掺杂浓度的增加,先后检测到CeO₂的(111)和(200)晶面特征峰,且衍射峰强度逐渐增强。此外,适量的掺杂(c(Ce³⁺)=2%)可减小ZnO晶体的晶粒尺寸。电子顺磁共振测试结果显示,Ce∶ZnO复合光催化材料中存在三类自由基,分别是Zn-H络合物、正一价氧空位、CeO₂表面吸附的超氧根离子。紫外可见光谱测试表明,适量的掺杂可有效提高ZnO催化剂的光催化活性,综合分析显示,ZnO光催化活性提高的主要原因是Ce³⁺的掺入使得材料中电子数量增多,进而提高了活性自由基·O^-₂的数量。本文通过EPR技术和XRD衍射技术,成功表征了Ce³⁺掺杂对ZnO材料中自由基种类合成的影响过程,并结合UV-Vis技术,对Ce∶ZnO复合材料光催化降解甲基橙的过程中的电子转移过程作出了合理的解释。     

Mn2+掺杂Gd2O3∶Yb3+,Er3+花状微晶的制备及上转换发光性能

为了获得具有明亮红光发射的上转换发光材料，采用简单的化学沉淀法制备了一系列Yb³⁺、Er³⁺、Mn²⁺掺杂的Gd₂O₃微晶，并对其形貌、结构和发光性能进行了表征。结果表明，Gd₂O₃∶10%Yb³⁺,1%Er³⁺微晶呈花状，平均粒径为2.28μm,经高温煅烧后呈现结晶性良好的立方相Gd₂O₃结构，且少量Mn²⁺掺杂并不会影响微晶的形貌和晶相。在980 nm近红外光激发下，Gd₂O₃∶10%Yb³⁺,1%Er³⁺微晶表现为橙红色发光，归属于Er³⁺的⁴F_9/2→⁴I_15/2跃迁。同时，随着Mn²⁺掺杂浓度x(原子...     

近紫外激发Gd2ZnTiO6∶Eu3+,Li+红色荧光粉的制备及荧光性能

采用溶胶-凝胶法成功制备出系列Eu³⁺掺杂和Li⁺、Eu³⁺共掺杂Gd₂ZnTiO₆红色荧光粉,并研究Li⁺、Eu³⁺掺杂对样品的晶体结构、微观形貌及发光性能的影响。结果显示,所制备的Gd₂ZnTiO₆∶Eu³⁺,Li⁺(GZT∶Eu³⁺,Li⁺) 荧光粉为双钙钛矿结构,属于单斜晶系(空间群:P2₁/n),大小为10 μm的无规则形状的颗粒。在395 nm近紫外光的激发下,GZT∶Eu³⁺的发射光谱展示出典型的Eu³⁺线状特征光谱,发射峰中心位于615 nm处,归属于Eu³⁺的⁵D₀→⁷F₂跃迁。Eu³⁺的最佳掺杂浓度为0.07(摩尔分数),样品显示明显的浓度猝灭效应,其机制为电偶极子-电偶极子(d-d)相互作用。此外,研究还发现,Li⁺掺杂对样品的晶体结构、微观形貌没有影响,但是一定量的Li⁺掺杂可以显著增强样品的荧光强度。当Li⁺浓度为0.05时,荧光粉发射主峰强度增强程度最大,提高至原来的4.3倍,说明通过Li⁺、Eu³⁺共掺杂可以获得高亮度的GZT红色荧光粉。GZT∶0.14Eu³⁺,0.05Li⁺荧光粉的CIE色坐标为(0.631 1,0.375 3)与标准红光色坐标(0.670,0.330)较为接近,是一种潜在的LED用红色荧光粉。