Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃的2.0μm发光特性及能量传递

研究了Tm³⁺/Ho³⁺共掺TeO₂-WO₃-ZnO玻璃在808 nm激光二极管抽运下的2.0μm发光特性及Tm³+与Ho³⁺之间的能量传递.应用Judd-Ofelt理论计算了Ho³⁺在碲酸盐玻璃中的谱线强度参量Ω_t (t=2,4,6)、自发辐射概率A_r、辐射寿命τ_r等.计算了Ho³⁺的吸收截面σ_a(λ)和受激发射截面σ_e(λ).结果表明：碲酸盐玻璃中Tm³⁺→Ho³⁺正向能量传递系数大约是Tm³⁺←Ho³⁺反向能量传递系数的18倍.Ho³⁺离子的⁵I₇能级的寿命为3.9ms，2.0μm处的最大发射截面为9.15×10^-21cm².在0.5mol% Tm₂O₃和0.15mol% Ho₂O₃共掺的碲酸盐玻璃中能获得2.0μm的最大增益.通过比较氟化物、碲酸盐和镓铋酸盐重金属氧化物等玻璃中Ho³⁺的量子效率η，σ_e×τ_m值和增益系数G(λ)等，发现Tm³⁺/Ho³⁺共掺碲酸盐玻璃是一种理想的2.0μm激光器用基质玻璃. 关键词： 2.0μm发光 能量传递 增益 碲酸盐玻璃     

Tm3+/Ho3+共掺镓铋酸盐玻璃1.47 μm发光特性和能量传递的研究

报道了Tm3+/Ho3+共掺的镓铋酸盐玻璃14Ga2O3-25Bi2O3-20GeO2-31PbO-10PbF2玻璃1.47μm(S波段)发光和能量传递特征,应用Judd-Ofelt理论计算了玻璃的强度参数Ω,(t=2,4,6),自发辐射概率 A、荧光分支比β,荧光辐射寿命τ等各项光谱参数以及有效荧光线宽△λeff和峰值发射截面σpeake.通过测量荧光光谱和荧光寿命研究了Ho3+离子掺杂浓度对Tm3+离子1.47μm波段发光性能的影响,分析了Tm3+和Ho3+之间的能量传递过程.结果表明一定浓度内Ho3+的共掺迅速降低了Tm3+:3 F4能级的粒子数,而对3H4能级粒子数影响不大,从而降低了3F4和3H4能级间布居数反转的难度,极大地提高了1.47 μm发光效率.研究表明镓铋酸盐玻璃是适用于S波段光纤放大器的一种潜在基质材料,而掺杂一定浓度的Ho3+离子有利于提高Tm3+离子在1.47μm波段的发光效率.     

Tm~(3+)和Ho~(3+)双掺氟锗酸盐玻璃的中红外发光性质

用高温熔融法制备了Tm3+和Ho3+离子双掺的65GeO2-12AlF3-10BaF2-8Li2O-5La2O3氟锗酸盐玻璃.应用Judd-Ofelt理论,获得了Ho3+离子的强度参量(Ω2,Ω4,Ω6),自发辐射跃迁几率Ar,辐射寿命τ等光谱参量.根据McCumber理论,计算了玻璃中Tm3+和Ho3+离子的吸收截面σa、受激发射截面σe和增益光谱G(λ).在808nm激光二极管激发下,研究分析了Tm3+离子的交叉弛豫过程和Tm3+敏化Ho3+离子的2.0μm的红外发射光谱.结果表明,一定浓度Ho3+的共掺提高了Tm3+(3F4)→Ho3+(5I7)之间的能量转移效率,增强了~2.0μm的红外发光.     

Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃的近红外发光及能量传递机理

采用高温熔融法制备了组分为TeO2-ZnO-Na2O的Tm3+离子单掺和Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃,应用Judd-Ofelt理论计算分析了玻璃样品的强度参量Ωt(t=2,4,6),自发辐射跃迁几率A,荧光分支比β和荧光辐射寿命τrad等光谱参量,测量得到了不同Yb3+离子掺杂浓度下玻璃样品的Tm3+离子上转换发光谱.结果显示,在980nm泵浦光激励下玻璃样品发射出强烈的近红外上转换荧光.对Tm3+离子上转换发光分析表明,强烈的Tm3+离子近红外上转换发光主要来自于Yb3+/Yb3+离子间的共振能量传递以及基于单声子和双声子辅助的Yb3+/Tm3+离子间的非共振能量传递过程,并进一步计算得到了声子贡献比和能量传递系数.最后,计算分析了Tm3+∶3 F4→3 H6能级间跃迁的1.8μm波段吸收截面、受激发射截面和增益系数.研究表明,Yb3+/Tm3+共掺TeO2-ZnO-Na2O玻璃可以作为近红外波段固体激光器的潜在增益基质.     

Tm3+和Ho3+双掺氟锗酸盐玻璃的中红外发光性质质

用高温熔融法制备了Tm3+和Ho3+离子双掺的65GeO2-12AlF3-10BaF2-8Li2O-5La2O3氟锗酸盐玻璃,应用Judd-Ofelt理论,获得了Ho3+离子的强度参量（Ω2,Ω4,Ω6）,自发辐射跃迁几率Ar,辐射寿命τ等光谱参量。根据McCumber理论,计算了玻璃中Tm3+和Ho3+离子的吸收截面σa、受激发射截面σe和增益光谱G(λ)。在808nm激光二极管激发下,研究分析了Tm3+离子的交叉弛豫过程和Tm3+敏化Ho3+离子的2.0µm的红外发射光谱。结果表明,一定浓度Ho3+的共掺提高了Tm3+（3F4）→Ho3+（5I7）之间的能量转移效率,增强了~2.0µm的红外发光。     

Tm3+/Yb3+共掺氧卤碲酸盐玻璃上转换发光研究

研究了Tm3+/Yb3+共掺氧卤碲酸盐玻璃的上转换发光光谱,分析了TmO3量对Tm3+/Yb3+共掺氧卤碲酸盐玻璃上转换发光的影响机理.结果表明:在Tm3+/Yb3+共掺氧卤碲酸盐玻璃的上转换发光中,Tm3+存在较强的浓度猝灭效应.随Tm2O3含量增加,Tm3+的上转换蓝光和红光强度先增加,后降低,在0.1 mol% Tm2O3达到最大.该结果有助于进一步提高Tm3+的上转换发光效率.     

970nm抽运下Er3+/Yb3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃的发光特性

研究了Er3+/Yb3+共掺、Tm3+/Yb3+共掺、Er3+/Yb3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃在970nm抽运下的荧光光谱和上转换光谱性质，测试了Er3+离子的4I11/2和4I13/2能级荧光寿命变化情况.结果发现Er3+/Yb3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃的常规荧光谱线在1450—1700nm区域明显加宽，并在1630nm有一荧光峰，可能是Tm3+：1G4→3F2跃迁产生.上转换发光研究表明，由于碲酸盐玻璃声子能量低的缘故，三种共掺系统下都存在上转换发光现象.在Er3+/Yb3+/Tm3+共掺中，上转 关键词： Er3+/Yb3+/ Tm3+共掺 碲酸盐玻璃 荧光 上转换光谱     

掺Tm~(3+)和Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺碲钨酸盐玻璃中能量转换过程和机理

本文研究了808nm激光二极管抽运下掺Tm3+和Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃的能量转换过程和机理.利用Dexter模型计算了能量转换微观参数和临界半径,分析了两者的变化特性;利用Vila等修正的Inokuti-Hirayama模型拟合了Tm3+的荧光衰减曲线.结果表明:Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃的能量转换过程中,不仅包含Inokuti-Hirayama作用方式,而且存在着局域性相互作用,并随着Tm3+和Ho3+的浓度增大,后者所占比例逐渐增大.     

重金属碲酸盐玻璃中Ho~(3+)的红外辐射特性

制备了高折射率Ho3+单掺和Ho3+/Yb3+共掺低声子能量重金属碲酸盐玻璃.根据Judd-Ofelt理论对吸收光谱进行拟合,求得Ho3+强度参数Ωt(t=2,4,6)分别为4.373×10-20,1.906×10-20和1.451×10-20cm2,并进一步计算了Ho3+在红外区各能级跃迁的振子强度、自发辐射跃迁概率、辐射寿命和荧光分支比等光谱参数.982 nm激发下,铋碲酸盐玻璃中Yb3+直接敏化Ho3+,在红外区产生有效红外发射.Ho3+吸收与发射截面在1.95和2.05μm处分别高达5.63×10-21和6.24×10-21cm2,大于Ho3+掺杂磷酸盐和氟化物玻璃,这有利于降低激光抽运阈值,实现高效Ho3+激光输出.较低的声子能量和较大的发射截面表明,Ho3+/Yb3+共掺杂铋碲酸盐玻璃有望成为良好的红外激光工作物质.     

卤化铅调整Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃上转换发光研究

研究了卤化铅调整Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃的热稳定性能、Raman光谱和上转换发光光谱,分析了Tm3+/Yb3+共掺氧卤碲酸盐玻璃的上转换发光机理.结果发现:混合卤化铅调整Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃具有好的热稳定性能、低的声子能量、强的上转换蓝光.这表明混合卤化铅调整Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃是一种上转换蓝光激光器的潜在基质材料.     

Ho3+掺杂GeO2-Ga2O3-Li2O-BaO-La2O3玻璃的光谱和增益特性的计算

用高温熔融法制备了不同Ho3+浓度掺杂的65GeO2-12Ga2O3-8Li2O-10BaO-5La2O3-χHo2O3锗酸盐玻璃.从吸收光谱出发,应用Judd-Ofelt理论,获得了Ho3+离子的跃迁强度参量（Ω2,Ω4,Ω6）,并由此计算了Ho3+离子的自发辐射跃迁几率A,荧光分支比β,辐射能级寿命τ等光谱参量.根据McCumber理论,计算了Ho3+离子能级5I8→5I7（2.0 μm）跃迁的吸收截面和受激发射截面,同时也获得了相应的反映粒子数反转的增益截面光谱.钬掺杂的锗酸盐玻璃,其增益截面的最大值比所报道的氟锆铝酸盐玻璃大.结果表明,Ho3+掺杂的锗酸盐玻璃在2.0 μm附近波段的中红外激光器中将有一定的应用前景.     

Tm3+/Ho3+掺杂碲酸盐玻璃的上转换发光性能与能量转换机制

采用高温熔融法制备了单掺Tm3+和Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃,测试了808 nm激光泵浦下玻璃的红外和上转换荧光光谱。Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃上转换荧光光谱主要由695 nm红光、544 nm绿光、474 nm蓝光和740 nm红光四个发光带组成。通过分析样品的光谱性能和能量转换机制,发现很少报道的740 nm红光可能是由Tm3+：1D₂ →3F_{2, 3}能级跃迁产生的。在掺杂0.5 mol％ Tm₂O₃的样品中添加0.3 mol％ Ho₂O₃,695 nm红光、740 nm红光和474 nm蓝光等上转换发光强度明显增大,大约分别是单掺0.5 mol％ Tm₂O₃样品中发光强度的3倍,2.5倍和14倍。这些情况说明存在着强烈的Ho3+→Tm3+反向能量传递。单掺Tm3+碲酸盐玻璃中1D₂能级(发射740 nm红光)上的粒子集居主要来源于合作上转换(CU)过程,而3F_{2, 3}能级(发射695 nm红光)上的粒子集居除了来源于CU过程之外,还有740 nm红光的发射和1G₄能级上部分粒子的无辐射跃迁(1G₄→3F_{2, 3})两条途径,因此样品中695 nm红光强度明显要大于740 nm红光强度。通过交叉驰豫作用CR2和CR3以及反向共振能量转移RET2,Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃中Tm3+的1G₄能级(发射474 nm蓝光)上的粒子集居数比单掺Tm3+时出现了净增加。Tm3+的1G₄能级上粒子集居数的增加可能进一步强化了该能级的无辐射跃迁、740 nm红光的发射以及CU过程,并进而促使Tm3+的3F_{2, 3}能级上的粒子集居。所以,当Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃与单掺Tm3+碲酸盐玻璃中掺杂相同浓度的Tm3+时,前者的红光和蓝光等上转换荧光强度均比后者要大。本文还研究了Tm3+之间以及Tm3+与 Ho3+之间的交叉弛豫和能量传递等效应,并进一步探讨了Tm3+与 Ho3+之间的能量转换机制。     

Yb3+敏化的Er3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃的上转换发光研究

用高温熔融法制备了系列Er3+/Yb3+共掺,Ho3+/Yb3+共掺,和Er3+/Yb3+/Ho3+三掺碲酸盐玻璃,在975 nm激光抽运下三种掺杂玻璃中都出现了较强的绿光和红光上转换.研究了Yb3+离子对Er3+和Ho3+离子上转换发光强度的影响以及Yb3+→Er3+,Yb3+→Ho3+能量传递效率.分析了碲酸盐玻璃中Yb3+直接敏化Er3+,Ho3+上转换发光机理.当Er3+和Ho3+浓度较低时,Er3+/Yb3+/Ho3+三掺玻璃的上转换强度随着Yb3+离子浓度的增加而增强,出现的548 nm绿光和660 nm红光主要是由于Er3+:4S3/2→4I15/2,Ho3+:5F4(5S2)→5I8和Er3+:4F9/2→4I15/2,Ho3+:5F5→5I8跃迁共同作用的结果.Er3+/Yb3+/Ho3+三掺碲酸盐玻璃的上转换机理受Er3+/Yb3+之间,Ho3+/Yb3+之间,Er3+/Ho3+之间三者共同相互作用影响,Er3+/Ho3+离子间存在的交叉弛豫过程可增加Ho3+离子在可见光范围的上转换强度.     

不同Tm3+浓度掺杂碲酸盐玻璃光谱性质研究

制备了70TeO2-20WO3-10ZnO-xTm2O3系统玻璃,根据所测玻璃的吸收光谱,应用Judd-Ofelt(J-O)理论计算出Tm3+离子在碲酸盐玻璃的J-O强度参数、Tm3+在玻璃中的自发辐射概率A、荧光分支比β及荧光辐射寿命τR等各项光谱参数.测定了玻璃的荧光光谱,并计算了Tm3+在碲酸盐玻璃中的荧光有效线宽、峰值受激发射截面.比较了Tm3+在不同掺杂浓度下的光谱特性,认为当Tm2O3掺杂浓度达到0.8wt%-1wt%时,所获得的荧光强度与荧光线宽达到最佳值,掺Tm3+碲酸盐玻璃是一种理想的S波段宽带光纤放大器用基质材料.     

Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)掺杂铋碲酸盐玻璃上转换白光

制备了具有多彩上转换荧光Tm3+/Yb3+,Ho3+/Yb3+和Tm3+/Ho3+/Yb3+掺杂铋碲酸盐玻璃,并研究了974 nm激光激发下的上转换荧光光谱。在Tm3+/Ho3+/Yb3+三掺杂体系中,由于Tm3+的上转换蓝光发射属三光子过程,蓝光发光强度随激发功率增加而增长的速率大于绿光和红光。计算了Tm3+/Ho3+/Yb3+三掺样品上转换荧光的色坐标,定性阐述了荧光色坐标与激发功率的关系,揭示出随着激发功率的增大,色坐标在1931-CIE色品图中向左下方移动趋势。研究结果表明,在Tm3+/Ho3+/Yb3+三掺铋碲酸盐玻璃中,通过功率调谐可以调整样品的上转换蓝光、绿光和红光强度比例,实现上转换白光发射,证实了Tm3+/Ho3+/Yb3+三掺铋碲酸盐玻璃是一种高效上转换材料,在多彩显示和白光照明领域具有潜在的应用前景。     

Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃的上转换白光发射及其机理研究

采用高温熔融法分别制备了Yb3+/Ho3+,Yb3+/Tm3+和Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺的碲酸盐玻璃。在980nm红外激光激发下,Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺的玻璃样品显示了强的蓝光、绿光和红光发射,分别对应于Tm3+的1 G4→3 H6跃迁、Ho3+的5 F4(5 S2)→5I 8跃迁以及Ho3+的5 F5→5I 8和Tm3+的1 G4→3 F4跃迁。通过对比发现,Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺样品中的红、绿光积分发射强度比值(3.95)明显大于Yb3+/Ho3+共掺样品(1.69),这是由于Ho3+和Tm3+间存在交叉弛豫过程3 H4(Tm3+)+5I 6(Ho3+)→3 F4(Tm3+)+5 F5(Ho3+)和3 F4(Tm3+)+5I 8(Ho3+)→3 H6(Tm3+)+5I 7(Ho3+)所致。在激发功率密度为8.2 W.cm-2时,Yb3+/Ho3+/Tm3+共掺样品的上转换发光色坐标值为x=0.345,y=0.338,非常接近于等能白光(x=0.333,y=0.333)。     

Er~(3+)/Ce~(3+)共掺TeO_2-Bi_2O_3-TiO_2玻璃的热稳定性和光谱特性研究

用高温熔融法制备了Er3+/Ce3+共掺新型碲酸盐玻璃(TeO2-Bi2O3-TiO2).采用差热分析方法研究了玻璃的热稳定性,测试并分析了不同Ce3+离子掺杂浓度下Er3+离子的吸收光谱、上转换光谱和荧光光谱特性.研究结果表明,制备的碲酸盐玻璃具有很好的热稳定性,玻璃析晶温度Tx与玻璃转变温度Tg之差(ΔT=Tx-Tg)达到了185℃,高于其它文献的报道;同时,Ce3+离子共掺引入的能量转移(Ce3+∶2F5/2+Er3+∶4I11/2→Ce3+∶2F7/2+Er3+∶4I13/2)有效地抑制了Er3+离子上转换发光并显著增强了1.53μm波段荧光强度,而发射截面随着Ce3+离子掺杂浓度相应增大.优异的热稳定性以及光谱性能揭示Er3+/Ce3+共掺碲酸盐玻璃是一种潜在的制备宽带掺铒光纤放大器的理想增益介质.     

Er~(3+)单掺与Er~(3+)/Pr~(3+)共掺碲酸盐玻璃的2.7μm光谱性质及能量转移过程

采用高温熔融法制备了不同浓度Er3+,Er3+/Pr3+共掺的60TeO2-30WO3-10La2O3玻璃。研究了玻璃的红外透过光谱,吸收光谱以及在980nm LD抽运下的荧光光谱和Er3+…4I13/2能级荧光寿命。根据红外光谱计算了玻璃中OH-的吸收系数α。应用Judd-Ofelt理论计算了J-O参量,自发辐射系数Arad,荧光分支比β;利用Fuchtbauer-Laderburg理论计算了2.7μm受激发射截面。分析了980nm抽运时Er3+/Pr3+共掺的能量转移过程。计算得到OH-吸收系数α为0.57cm-1,2.7μm自发辐射系数Arad为60.6s-1,荧光分支比β为16.3%,最大受激发射截面达到1.13×10-20 cm2。结果表明,这种碲酸盐玻璃适合作为获得2.7μm输出的激光材料。     

Ag纳米颗粒增强的Ho~(3+)/Tm~(3+)共掺铋锗酸盐玻璃的2μm发光研究

采用基于传统熔融淬冷技术的热化学还原法制备了系列Ag纳米颗粒复合Ho3+/Tm3+共掺铋锗酸盐玻璃样品,研究了Ag纳米颗粒含量对玻璃2μm发光特性的影响.结果表明,Ag纳米颗粒的表面等离子体共振带位于500—900 nm,峰值位于650 nm,透射电子显微镜图像中观察到均匀分布的Ag纳米颗粒,尺寸约为5—10 nm.通过测试玻璃样品在1.7—2.3μm波段的荧光光谱发现,Ag掺杂后Ho3+离子2μm处的荧光强度得到了极大的提高,其中AgCl掺杂质量分数为0.3%时的荧光强度比未掺杂时的荧光强度增强10倍,这归因于Ag纳米颗粒的局域场增强作用.计算得到Ho3+离子的吸收截面为0.491×10-20cm-2,发射截面为1.03×10-20cm-2,当增益系数为0.2时即可实现正的增益.     

荧光俘获效应对掺铒氧化物玻璃光谱性质的影响

测试了不同掺杂浓度和样品厚度下掺铒磷酸盐和碲酸盐玻璃的吸收光谱、荧光光谱和荧光寿命,计算了Er3+离子在1.53 μm处的吸收截面(σa)、发射截面(σe)、自发辐射跃迁概率(Arad)、辐射跃迁寿命(τrad)、以及辐射跃迁量子效率(η)等光谱参数.讨论了荧光俘获效应对掺铒磷酸盐和碲酸盐玻璃光谱性质及光谱参数的影响.结果表明即使在铒离子低掺杂浓度(0.1 mol% Er2O3)下,荧光俘获效应也普遍存在于掺铒玻璃材料中,使得荧光寿命(τf)和荧光半高宽(FWHM)随样品的厚度和铒离子掺杂浓度增加而增大,导致碲酸盐和磷酸盐玻璃中τf分别增加11%-37%和6%-17%,FWHM分别增加15%-64%和11%-55%,使得掺铒玻璃材料的放大品性参数(σe×FWHM) 也相应被估高.由于铒离子在碲酸盐玻璃中在1.53 μm处吸收和发射截面重叠面积较大,加之铒离子在前者基质中的发射截面高于后者,使得掺铒碲酸盐玻璃中的荧光俘获效应高于磷酸盐玻璃.