Tm~(3+)掺杂Na_5Lu_9F_(32)单晶体的1.8μm优化发射性能研究（英文）

采用改进过的布里奇曼法成功地生长了Tm~(3+)离子浓度从0.5~4mol%变化的高质量Na_5Lu_9F_(32)单晶.在790nm LD激发下,研究了不同Tm~(3+)掺杂晶体在1.86μm波段的荧光发射性能、衰减曲线以及Tm~(3+)离子之间的能量传递过程.当Tm~(3+)离子掺杂浓度增加到~1.95mol%时,晶体在1.86μm处的荧光发射强度达到最大.然后,随着Tm~(3+)离子浓度进一步的增大,发射强度迅速下降.然而,Tm~(3+)离子在3F4能级处的荧光寿命随着Tm~(3+)掺杂浓度从0.5增加到4mol%,逐渐降低.同时计算了1.86μm处最大的受激发射截面为0.80×10~(-20) cm~2.Tm~(3+)离子的浓度猝灭效应和离子之间的交叉弛豫能量传递过程是造成1.86μm荧光发射变化的主要原因.     

Ho~(3+)/Tm~(3+)共掺α-NaYF_4单晶体的光谱特性（英文）

采用坩埚下降法生长出Ho~(3+)离子掺杂浓度~1.90 mol%、Tm~(3+)不同掺杂离子浓度(0.99mol%,1.58mol%,2.37 mol%,3.16 mol%,3.99 mol%,7.19 mol%)的双掺杂立方晶相NaYF_4单晶体.根据测定的吸收光谱以及800nmLD波长激发下的发射光谱、发射截面和衰减曲线,研究从Tm~(3+)离子到Ho~(3+)离子的能量传递机制、Tm~(3+)离子的浓度猝灭效应和Ho~(3+)离子在2.04μm波段的优化发光效应.当Ho~(3+)离子浓度保持为~1.90 mol%不变,Tm~(3+)离子浓度从0.99 mol%增加到1.59mol%时,2.04μm波段的发射强度逐步增强;当浓度从1.59mol%增加到7.19mol%时,发射强度逐步减弱.Ho~(3+)(1.90 mol%)/Tm~(3+)(1.59 mol%)共掺的单晶体的发射截面最大,达到2.17×10-20 cm~2,其荧光寿命最长,为21.72ms;同时,根据Ho~(3+)离子的吸收截面和Tm~(3+)离子的发射截面,计算得到该样品从Tm~(3+)∶3F~(3+)4→Ho∶5I7稀土离子能量传递系数和Ho~(3+)∶~5I_7→Tm~(3+)∶~3F_4反传递系数分别为C_(Tm-Ho)=24.14×10~(-40)cm~6/s,C_(Ho-Tm)=2.05×10~(-40) cm~6/s.     

Tm~(3+)/Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂的镓锗酸盐玻璃光谱性能及能量传递

采用熔融淬冷法制备得到透明的Tm~(3+)/Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂镓锗钠玻璃。对比研究了808 nm和980 nm激发下Tm_2O_3含量对样品可见-红外光学光谱特性的影响。结合稀土离子能级结构,分析了Tm~(3+)、Er~(3+)和Yb~(3+)离子之间的能量传递机制。结果表明:在808 nm和980 nm的激发下,Tm~(3+)/Er~(3+)/Yb~(3+)掺杂样品中均观察到了473,655,521,544 nm的蓝、红和绿光。在808 nm激发下,随着Tm~(3+)浓度的增加,Tm~(3+):1 800 nm和Er~(3+):1 530 nm发射强度的比率I1.8/I1.53逐渐增大。由于在Tm~(3+)和Er~(3+)间的能量传递有效地改变了红光和绿光的发射强度,473,521,655 nm的发光强度呈现先升高再降低的趋势,在Tm_2O_3掺杂摩尔分数为0.3%时达到最大值。而在980 nm激发下,由于Yb~(3+)对Er~(3+)和Tm~(3+)的能量传递起主要作用,使得其上转换红光(655 nm)、绿光(521 nm和544 nm)和蓝光(473 nm)的发光强度高于808 nm激发下的上转换发光。     

Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺杂氟锗酸盐玻璃中红外光谱性质研究

研究了Ho~(3+)/Yb~(3+)掺杂的氟锗酸盐玻璃在980nm激光二极管抽运下的中红外2.0μm、2.85μm和可见上转换发光特性以及两种稀土离子之间的能量转移机理。在氟锗酸盐玻璃中掺杂1%(物质的量分数)Ho_2O_3和9%Yb_2O_3的样品中,获得了增强的中红外2.0μm和2.85μm发光。测得Ho~(3+)的2.0μm荧光寿命为6.19ms,理论计算得到Ho~(3+)在2023nm处最大发射截面面积为6.6×10-21 cm~2。研究结果表明,Ho~(3+)/Yb~(3+)掺杂的氟锗酸盐玻璃是一种合适的中红外2.0μm和2.85μm激光材料。     

Tm3+/Ho3+共掺含BaF2纳米晶氟硅酸盐玻璃陶瓷2μm发光性能

由于在人眼安全、光电探测、中红外超连续谱产生等方面的应用,2.0μm波段中红外激光器引起了人们越来越广泛的关注。本文采用熔融-淬冷法制备了含BaF_2纳米晶、Tm~(3+)离子单掺及Ho~(3+)/Tm~(3+)共掺的85SiO_2-7.5KF-7.5BaF_2(SKB)玻璃陶瓷,表征了样品的拉曼光谱、吸收光谱、808 nm泵浦下在2.0μm处的发光性能,得到了实验过程中Ho~(3+)/Tm~(3+)的最佳掺杂浓度。结果发现,Ho_2O_3、Tm_2O_3掺杂浓度均为1.0%时,2.0μm处Ho~(3+):~5I_7→~5I_8发射峰强度达到最大,并对Ho~(3+)和Tm~(3+)之间的能量转移机制进行了详细分析和讨论。研究表明,Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺的BaF_2纳米晶SiO_2-KF-BaF_2玻璃陶瓷有望成为2.0μm波段中红外固体激光器的增益基质。     

Er~(3+)掺杂Na_5Lu_9F_(32)单晶体的红外光学特性

采用坩埚下降法成功地生长了Er~(3+)离子掺杂的Na_5Lu_9F_(32)(NLF)单晶体。测定了单晶体在400~2 500nm波段的吸收光谱与2.5~25μm红外波段的透过光谱。Na_5Lu_9F_(32)单晶体在400~7 150 nm宽波段范围具有好的光学透过性,在该波段的透过率达到90%。在透过光谱中几乎观察不到2.7μm中红外波段的吸收,说明单晶体中OH~-离子的含量极低。根据测定的吸收光谱,通过Judd-Ofelt理论计算了Er~(3+)在单晶体中的光学强度参数Ω_t(Ω_2=2.08,Ω_4=2.07,Ω_6=0.75),以及相应的辐射跃迁速率、荧光分支比和荧光寿命。根据Futchbauer-Ladenburg公式估算了样品的发射截面大约分别为1.42×10~(-20)cm~2(~4I_(13/2)→~4I_(15/2))和1.66×10~(-20)cm~2(~4I_(11/2)→~4I_(13/2))。在980 nm半导体激光器(LD)激发下,研究了单晶体的近红外1.5μm与中红外2.7μm的发射光谱特性。     

波导适用型铝锗酸盐玻璃中铥离子上转换荧光光子输出与量子产率定量

制备了适用于钾钠离子交换波导的Tm~(3+)/Yb~(3+)掺杂铝锗酸盐玻璃,利用积分球配以光纤光谱仪在975nm激光泵浦下对玻璃的上转换荧光进行测试,解析出样品的绝对荧光特征参量。测试与计算结果显示,在380℃的KNO3熔盐中,Tm~(3+)/Yb~(3+)掺杂的铝锗酸盐玻璃的钾钠离子交换有效扩散系数为0.070μm~2/min,热离子交换过程易于控制。铝锗酸盐玻璃样品中,Tm~(3+)主要发出477 nm蓝光和806 nm近红外光,其中近红外光为支配性发射。绝对荧光参数和激发功率密度呈正相关,当功率密度达到1 482 W/cm2时,三光子上转换蓝光的绝对光谱功率、净发射光子数和量子产率分别为269μW、6.46×10~(14)/s和1.43×10~(-4),双光子近红外光上转换对应的3个参量分别为4 024μW、1.63×10~(16)/s和3.61×10~(-3)。基于波导适用型铝锗酸盐玻璃中Tm~(3+)上转换荧光的绝对化表征,为进一步研发光电子器件和激光材料提供了有益的数据参考。     

Er~(3+)和Eu~(3+)共注入GaN的光学特性和能量传递机制

采用离子注入法在GaN薄膜中实现了Er~(3+)和Eu~(3+)离子的共掺杂.以阴极荧光光谱仪为主要表征手段,研究样品的光学特性和能量传递机理.在300K温度下,Er~(3+)和Eu~(3+)共掺杂GaN薄膜能够实现绿光和红光的同时发射.随着Er~(3+)离子掺杂剂量的增加,Eu~(3+)离子相关发光峰的强度减弱,Er~(3+)离子对应的两个相关发光峰强度比值减小,表明Er~(3+)和Eu~(3+)离子之间发生了能量传递,能量传递的方向为Eu~(3+)→Er~(3+).变温阴极荧光光谱显示,Er~(3+)离子的2H11/2和4S3/2两个能态相关的跃迁峰相对强度比值随着温度升高而降低,主要是由两个能级之间的热耦合导致.改变Er~(3+)离子的掺杂剂量,能够调控GaN:Er~(3+)/Eu~(3+)样品的光学色度坐标和色温,表明此材料可用于发光器件.     

Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺的硅酸盐玻璃上转换发光性能

采用高温熔融法制备了掺杂不同比例Yb~(3+)和Tm~(3+)的硅酸盐玻璃。吸收光谱表明,Yb~(3+)和Tm~(3+)在300~1 100 nm的吸收过程彼此不干扰。研究了玻璃样品在980 nm LD泵浦下的上转换发光行为,结果表明:Yb~(3+)/Tm~(3+)在477 nm(1G4→3H6)发射强烈的上转换蓝光,在654 nm(1G4→3F4)发射较弱的红光,在795 nm(3H4→3H6)发射微弱的红外光。提高Yb~(3+)的比例均能够提高477 nm蓝光、654 nm红光和795 nm红外光的发射强度。研究分析了上转换发光强度与激光器泵浦功率之间的关系,结果表明上转换蓝光和红光发射均为三个光子过程,红外光发射为两个光子过程。分析了Yb~(3+)、Tm~(3+)在硅酸盐玻璃中上转换发光的机制。     

Tm~(3+)/Yb~(3+)∶LaF_3纳米体系中掺杂Yb~(3+)离子对Tm~(3+)离子荧光发射的影响

为研究Yb~(3+)离子浓度变化对Tm~(3+)离子在蓝色波段荧光强度的影响,以NaF和La(NO_3)_3为原料,采用水热法制备了Tm~(3+)和Yb~(3+)共掺的Tm~(3+)/ Yb~(3+)∶LaF_3纳米颗粒.用X射线衍射对LaF_3纳米颗粒进行表征的结果显示,纳米晶体结构呈六方相.透射电镜的观测结果显示,纳米颗粒样品大小均匀、分散性良好.在波长为800 nm的激光激发下,观测到了上转换蓝光发射,其中包括波长为474 nm和479 nm的较强的荧光辐射(相应的跃迁为~1G_4→~3H_6)和波长位于450 nm的强度较弱的荧光发射(相应的跃迁为~1D_2→~3F_4).通过观测不同Yb~(3+)离子浓度条件下共掺Tm~(3+)/Yb~(3+)∶LaF_3样品的荧光光谱,研究了Yb~(3+)离子掺杂浓度对于Tm~(3+)离子的荧光发射的影响,并探讨了产生这种现象的原因.研究结果显示,对于~1G_4→~3H_6跃迁产生的荧光发射(474 nm),当Yb~(3+)离子浓度增大时,反向能量传递速率的增加导致了荧光强度的增大.然而,当Yb~(3+)离子浓度增大到一定程度时,Yb~(3+)离子激发态能级寿命的减少将引发荧光强度的下降.相比较而言,Yb~(3+)离子的浓度的变化对于~1D_2→~3F_4跃迁产生的位于450 nm处荧光强度的影响较弱.     

Tm3+/Tb3+/Eu3+掺杂硼酸盐玻璃陶瓷的 能量转换和发光性能

为获得单一基质的白光发射材料,采用熔融析晶法制备了Tm~(3+)/Tb~(3+)/Eu~(3+)掺杂的硼酸盐玻璃陶瓷。采用XRD、TEM、紫外-可见分光光度计和荧光分光光度计对样品的结构、光谱特性和发光性能进行表征。实验结果表明:玻璃经(500℃+2 h)+(550℃+2 h)热处理后析出单一晶相BaAlBO_3F_2。在363 nm激发下,单掺Tm~(3+)、Tb~(3+)、Eu~(3+)的样品分别发出蓝光、绿光、红光。与玻璃样品相比,玻璃陶瓷样品的发光强度明显增加。通过改变Eu~(3+)离子浓度,玻璃陶瓷样品的色坐标由(0.291 8,0.331 1)变化为(0.388 1,0.338 2)。当Tm~(3+)、Tb~(3+)、Eu~(3+)的浓度分别为0.4%、0.8%和0.2%时,玻璃陶瓷样品的色坐标(0.333 9,0.335 7)和色温(5 427.92 K)与标准白光(0.333 3,0.333 3;5 454.12 K)极为接近。荧光光谱和荧光衰减结果证实,样品中存在Tm~(3+)→Eu~(3+)和Tb~(3+)→Eu~(3+)的能量传递。制备的玻璃陶瓷材料有望用于白光LED及其他光学显示器件。     

Yb3+/Er3+/Gd3+掺杂Lu2O3、Y2O3荧光粉的上转换发光及温度特性

通过溶胶-凝胶法制备了Er~(3+)、Yb~(3+)和Gd~(3+)共掺杂的Y_2O_3、Lu_2O_3荧光粉,并研究了其上转换发光和温度敏感特性。在980 nm激光激发下,样品辐射出明亮的绿光、红光和弱的紫外光。并讨论了紫外区Er~(3+)→Gd~(3+)的能量传递。利用荧光强度比方法研究了基于Er~(3+)的~2H_(11/2)和~4S_(3/2)两个热耦合能级在313～573 K范围内的光学温度传感特性,当Gd~(3+)离子掺杂浓度为10%时,样品的灵敏度最大为0.005 91 K~(-1)。     

KLa(MoO_4)_2∶Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)白光荧光粉的制备及性能研究

采用水热法成功制备了Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)三掺的多晶KLa(Mo O4)2荧光粉。在980 nm激光激发下,KLa(MoO_4)_2∶Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)发出裸眼可见的明亮白光,这其中包括Tm~(3+)离子发出的蓝光(~475 nm)、Ho~(3+)离子发出的绿光(~540 nm)和红光(~651 nm)。根据色度坐标系计算得出的坐标点可以看出,随着Ho~(3+)/Tm~(3+)掺杂浓度之比的增加,KLa(Mo O_4)_2∶Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)所发出的白光呈现从冷白光到暖白光的变化。最后详细讨论了KLa(Mo O_4)_2∶Yb~(3+),Ho~(3+),Tm~(3+)荧光粉可能的发光机制。     

Tm~(3+)/Ho~(3+)掺杂碲酸盐玻璃的上转换发光性能与能量转换机制（英文）

采用高温熔融法制备了单掺Tm~(3+)和Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺碲酸盐玻璃,测试了808nm激光泵浦下玻璃的红外和上转换荧光光谱。Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺碲酸盐玻璃上转换荧光光谱主要由695nm红光、544nm绿光、474nm蓝光和740nm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740nm红光可能是由Tm~(3+):1 D2→3 F2,3能级跃迁产生的。在掺杂0.5 mol%Tm2O3的样品中添加0.3mol%Ho2O3,695nm红光、740nm红光和474nm蓝光等上转换发光强度明显增大,大约分别是单掺0.5mol%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Ho~(3+)→Tm~(3+)反向能量传递。单掺Tm~(3+)碲酸盐玻璃中1 D2能级(发射740nm红光)上的粒子集居主要来源于合作上转换(CU)过程,而3 F2,3能级(发射695nm红光)上的粒子集居除了来源于CU过程之外,还有740nm红光的发射和1 G4能级上部分粒子的无辐射跃迁(1 G4→3 F2,3)两条途径,因此样品中695nm红光强度明显要大于740nm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,Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺碲酸盐玻璃中Tm~(3+)的1 G4能级(发射474nm蓝光)上的粒子集居数比单掺Tm~(3+)时出现了净增加。Tm~(3+)的1 G4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、740nm红光的发射以及CU过程,并进而促使Tm~(3+)的3 F2,3能级上的粒子集居。所以,当Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺碲酸盐玻璃与单掺Tm~(3+)碲酸盐玻璃中掺杂相同浓度的Tm~(3+)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Tm~(3+)之间以及Tm~(3+)与Ho~(3+)之间的交叉弛豫和能量传递等效应,并进一步探讨了Tm~(3+)与Ho~(3+)之间的能量转换机制。     

Er~(3+)、Pr~(3+)共掺杂AlN薄膜的发光特性和能量传递机理

采用离子注入的方法在氮化铝(AlN)薄膜中实现Er~(3+)和Pr~(3+)的共掺杂,以阴极荧光光谱仪为主要表征手段,对其发光特性进行研究.对于Er~(3+)单掺杂的AlN薄膜,在410nm和480nm可以观察到Er~(3+)较强的发光峰,在537nm、560nm、771nm和819nm可观察到Er~(3+)的较弱的发光峰;对于Pr~(3+)单掺杂的AlN薄膜,Pr~(3+)的最强发光峰位于528nm,在657nm和675nm可以观察到Pr~(3+)的较弱的发光峰;而对于Er~(3+)和Pr~(3+)共掺杂的AlN薄膜,在494nm观察到与Pr~(3+)相关的新跃迁峰.根据实验现象,对AlN薄膜中Er~(3+)和Pr~(3+)之间的能量传递机制进行了深入分析,结果表明Er~(3+)的4F7/2→4I15/2能级跃迁与Pr~(3+)的3P0→3H4能级跃迁之间发生了共振能量传递,从而使Pr~(3+)产生了494nm新的发光峰.     

基于KMnF_3∶Yb~(3+),Er~(3+)纳米晶的红光聚合物平面光波导放大器

制作了基于KMnF_3∶Yb~(3+),Er~(3+)纳米晶材料的工作波长655 nm的聚合物平面光波导放大器。材料的吸收光谱表明,KMnF_3∶Yb~(3+),Er~(3+)纳米晶在980 nm附近有很强的吸收。在980 nm激光的激发下,由于Er~(3+)和Mn2+能级之间的能量传递,KMnF_3∶Yb~(3+),Er~(3+)纳米晶产生了很强的红色上转换发光。根据KMnF_3∶Yb~(3+),Er~(3+)纳米粒子的发光特性,制备了KMnF_3∶Yb~(3+),Er~(3+)NCs-PMMA复合材料,用其作为芯层设计了掩埋形结构光波导放大器,利用传统的半导体工艺完成器件制备。器件测试结果表明,当655 nm信号光功率为0.1 m W、980 nm泵浦功率为260 m W时,器件获得了2.7 d B的相对增益。     

氟化物、氟磷酸盐和磷酸盐玻璃中Er~(3+)离子的发光研究

测定了氟化物、氟磷酸盐和磷酸盐玻璃中Er~(3+)离子的吸收、荧光和激发光谱,解释了基质玻璃对Er~(3+)离子发光的影响。进一步研究了在这三种基质玻璃中Er~(3+)离子发光的浓度效应和温度效应,讨论了Er~(3+)离子内和离子间的能量转移过程。     

应用于2.1μm激光的Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺氟碲酸盐微结构光纤研究

采用棒管法制备了低羟基含量的Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺氟碲酸盐微结构光纤。当使用波长为1 560 nm的激光器泵浦Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺光纤时,处于Tm~(3+)基态3H6的电子被激发至3F4能级,进一步通过Tm~(3+)和Ho~(3+)间的能量传递过程3F4→3H6(Tm~(3+)):5I8→5I7(Ho~(3+))(能量失配为745 cm-1)布居Ho~(3+)的5I7能级,5I7能级上的电子向5I8能级跃迁发射出2.1μm的光。使用1 560 nm光纤激光器作为泵浦源,18 cm长的Tm~(3+)/Ho~(3+)氟碲酸盐微结构光纤作为增益介质,获得了波长为2 063 nm的激光输出。所得激光的斜率效率为12.9%,激光阈值为163 m W,未饱和的最大输出功率为40 m W。研究结果表明,Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺氟碲酸盐微结构光纤可用于制作2.1μm光纤激光器。     

Sc_2(WO_4)_3∶Er~(3+)/Yb~(3+)的上转换发光及其温度传感特性

通过高温固相法制备出一系列新型上转换材料Sc_2(WO_4)_3∶Er~(3+)/Yb~(3+)。在980 nm激光激发下,Sc_2(WO_4)_3∶Er~(3+)/Yb~(3+)样品发出肉眼可见的强绿光。利用荧光光度计测得样品的发光光谱,在500～600 nm之间有强绿光发射,分别归因于Er~(3+)的~2H_(11/2)→~4I_(15/2)和~4S_(3/2)→~4I_(15/2)跃迁发射。在650～700 nm位置处,有对应于Er~(3+)离子~4F_(9/2)→~4I_(15/2)跃迁的较弱的红光发射。随着掺杂浓度的变化,样品的红绿分支比发生变化。当样品掺杂Er~(3+)浓度为0.05%、Yb~(3+)浓度等于0.1%时,样品发射的绿光强度是红光强度的27倍。另外,利用荧光强度比方法研究了Er~(3+)的两个热耦合能级在303～573 K范围内的发光温度特性。393 K时,样品的灵敏度达到最大为0.006 8 K~(-1)。对比于其他荧光粉材料,Sc_2(WO_4)_3∶Er~(3+)/Yb~(3+)的灵敏度处于较高水平,在实际测温中具有更好的应用前景。     

Tm~(3+)/Yb~(3+)共掺氟氧化物碲酸盐玻璃的上转换发光及光学温度传感

采用高温熔融淬火法成功的合成了Tm~(3+)/Yb~(3+)共掺杂的含有不同浓度Tm~(3+)的氟氧化物碲酸盐玻璃.测量了样品的吸收光谱,结果表明Yb~(3+)和Tm~(3+)成功掺入到玻璃基质中.在980nm激发下,样品在801nm(3H4→3H6)发射最强,在476nm(1G4→3H6)和651nm(1G4→3F4)发射较弱;分析了上转换发光强度与Tm~(3+)浓度依赖关系,确定了上转换发光的最佳掺杂浓度为0.1%Tm2O3;探讨Tm~(3+)的上转换发光机理和Tm~(3+)的浓度猝灭机理,结果表明在980nm激发下Tm~(3+)获得的能量主要来自于Yb~(3+)→Tm~(3+)的量传递,Tm~(3+)的浓度猝灭机理为Tm~(3+)-Tm~(3+)之间的交叉弛豫导致的无辐射能量传递,根据能量匹配的原则,给出可能的交叉弛豫通道.此外,在980nm激发以3F2,3和3H4作为热耦合能级研究分析了Tm~(3+)在氟氧化物碲酸盐玻璃中的温度传感性能,结果表明灵敏度随温度的升高而升高,说明Tm~(3+)掺杂的氟氧化物碲酸盐玻璃可以作为光纤传感材料,且在高温灵敏度更佳.