稀土离子谱带强度的Judd-Ofelt理论的研究

本文对Judd-Ofelt光谱分析理论（J-O理论）的发展和应用进行了综述．J—O理论用于分析固体中的稀土离子的吸收、发射光谱，可计算它们的跃迁几率、谱线强度、能级寿命、发射截面等．     

Tm3+在亚碲酸盐玻璃中升频发光的研究及其光谱性质的J-O计算

报道了一种新组份亚碲酸盐玻璃作为掺稀土基质在提高升频发光效率方面的优良特性.在970mmLD泵浦下这种Tm³⁺掺杂的亚碲酸玻璃明显的蓝色及红色升频发光,通过测量其吸收光谱,用J-O理论计算了这种玻璃基质中Tm³⁺离子各发光能级的自发辐射几率、跃迁振子强度、分支比及寿命等光谱参量.并计算了481mm和650mm两种发光的发射截面.     

荧光俘获效应对Er3+/Yb3+共掺杂碲钨酸盐玻璃光谱性质的影响

制备了掺杂浓度相同而厚度不同的Er^3 ／Yb^3 共掺杂碲钨酸盐玻璃样品,测量了样品的吸收光谱和970nmLD激发下的Er^3 离子1．5um发射的荧光光谱和荧光寿命,计算了Er^3 离子的发射截面,研究了荧光俘获效应对Er^3 离子1．5um发射的光谱性能的影响。结果表明,样品中Er^3 离子存在很强的荧光俘获效应,且荧光俘获效应随样品厚度的增加而增强。荧光俘获效应使测得的荧光寿命比计算的自发辐射寿命要长,随样品厚度的增加,Er^3 离子1．5um发射的荧光寿命增加;其荧光有效线宽△λeff与次峰值强度和主峰值强度的比值,Ⅰa/Ⅰp也增加,且△λeff与Ⅰa／Ⅰp存在很好的线性关系。首次提出采用Er^3 1．5um波段荧光谱的次峰值强度和主峰值强度的比值,Ⅰa／Ⅰp与从McCumber理论计算得到的次峰值发射截面和主峰值发射截面的比值(σea／σep)的差值或比值来判断基质中Er^3 1．5um波段荧光俘获效应强弱的方法。     

HO3+/Tm3+共掺α-NaYF4单晶体的光谱特性

采用坩埚下降法生长出Ho3+离子掺杂浓度～1.90 mol％、Tm3+不同掺杂离子浓度(0.99 mol％,1.58 mol％,2.37 mol％,3.16 mol％,3.99 mol％,7.19 mol％)的双掺杂立方晶相NaYF4单晶体.根据测定的吸收光谱以及800 nmLD波长激发下的发射光谱、发射截面和衰减曲线,研究从Tm3+离子到Ho3+离子的能量传递机制、Tm3+离子的浓度猝灭效应和Ho3+离子在2.04 μm波段的优化发光效应.当Ho3+离子浓度保持为～1.90 mol％不变,Tm3+离子浓度从0.99 mol％增加到1.59 mol％时,2.04 μm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.Ho3+ (1.90 mol％)/Tm3+ (1.59 mol％)共掺的单晶体的发射截面最大,达到2.17×10-20 cm2,其荧光寿命最长,为21.72 ms;同时,根据Ho3+离子的吸收截面和Tm3+离子的发射截面,计算得到该样品从Tm3+:3F4→Ho3+:5I7稀土离子能量传递系数和Ho3+:5I7→Tm3+:3F4反传递系数分别为CTm-Ho=24.14×10-40 cm6/s,CHo-Tm=2.05×10-40 cm6/s.     

Judd-Ofelt光谱分析理论

对Judd-Ofldt光谱分析理论(J-O理论)的发展和应用进行了综述。J-O理论用于分析固体中的稀土离子的吸收、发射光谱,可计算它们的跃迁几率、谱线强度、能级寿命、发射截面等。在J-O理论中考虑J混合后,可使理论和实验结果更好地吻合。采用改进的J-O理论,可较好地对Pr^3 光谱进行分析。由TPM方法,可用非极化光透射光谱来分析各向异性晶体的光谱性质,并且对样品的加工无特殊定向要求。对于重叠吸收光谱带,拟合J-O参数时可以近似为一个带进行处理。利用荧光寿命也可对J-O参数进行计算。     

宽带光放大器用掺Er3+碲钨酸盐玻璃

制备了掺Er^3 的TeO2-WO3-ZnO-ZnF2(TWZOF)玻璃,测量了Er^3 在玻璃中的吸收光谱和970nm激光二极管激发下的荧光光谱和荧光寿命,分别采用J-O理论和McCumber理论计算了Er^3 离子的J-O强度参量Ωt(t=2,4,6)和其1．5μm发射的吸收截面和发射截面,研究了其荧光强度、荧光寿命和发射带宽与ZnF2含量的关系。结果表明,Er^3 在TWZOF玻璃中具有较大的1．5μm发射截面,其峰值发射截面为0．86pm^2;同时,Er^3 在TWZOF玻璃中具有很大的1．5μm发射带宽,所得半峰全宽在68～83nm之间;Er^3 在TWZOF玻璃中还具有较小的Ω2值和较大的Ω6值,且随ZnF2含量的增加,Ω2和Ω4均增大;Er^3 离子1．5μm发射峰值荧光强度和荧光寿命总体也随ZnF2含量的增加而增加。     

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.     

Pr3+离子在氟化物玻璃中的光跃迁的计算与分析

测量了Pr(0.5):ZBLAN非晶的吸收光谱,由此利用Judd-Ofelt理论计算了Pr3 离子在材料中的光谱跃迁强度参量,讨论Judd-Ofelt理论在计算Pr3 离子的强度参数时存在的问题.从所得到的强度参数计算预言了此材料中Pr3 离子的各能级之间的自发辐射跃迁速率、荧光分支比和积分发射截面,由所得结果讨论了该材料作为激光材料的前景及可能存在的光子雪崩上转换机制.     

掺Tm3+有机-无机复合材料的合成及光谱参数计算

以正硅酸乙酯与γ-(2,3-环氧丙氧基)丙基三甲氧基硅烷为前驱体,应用溶胶-凝胶技术,合成了Tm3+离子掺杂的有机-无机复合材料。从吸收光谱特性出发,应用Judd-Ofelt理论,计算得到了Tm3+离子的J-O强度参量(Ω2,Ω4,Ω6)及Tm3+离子各激发能级的自发辐射跃迁概率、荧光分支比及辐射寿命等光谱参量。根据McCumber理论计算了Tm3+离子能级3H6←→3F4(1.8μm)跃迁的吸收截面和受激发射截面,同时,根据所获得的吸收截面、发射截面以及掺杂离子浓度等参数获得了Tm3+离子在凝胶玻璃中的增益截面函数。与其它玻璃掺杂基质比较可知,Tm3+掺杂的有机改良硅酸盐玻璃在～1.8μm和～2.0μm波段的中红外激光中有潜在的应用前景。     

单掺杂和共掺杂氟化物纳米晶体的发光特性

基质结构的变化为掺杂稀土发光离子提供了不同的局域环境,从而为改变和影响掺杂离子的光发射性质提供了条件。本文采用激光光谱学的方法从实验上研究了基质变化对氟化物纳米晶体中的掺杂稀土Eu3+和Pr3+的光发射性质的影响规律,以及同一基质中单掺杂和共掺杂稀土离子的光发射特性。结果发现:可通过变换基质和离子共掺杂来实现荧光谱线强度和色纯度的改进。依据掺杂离子的能级结构以及纳米晶体基质的对称性变化等因素,对所观测到的实验现象进行了分析讨论。     

Tb3+掺杂锂铝硅酸盐玻璃的光致发光和辐照致发光

采用熔融-淬冷法制备了Tb3+掺杂锂铝硅酸盐闪烁玻璃,用紫外激发光谱、发射光谱及荧光寿命表征了光致发光性能,用X射线和阴极射线激发测试了辐射致发光性能。研究结果表明：低Tb3+掺杂浓度时,随着其浓度增大,Tb3+间的交叉弛豫增加导致了5D₃→7F_j跃迁的能量逐渐向5D₄→7F_j迁移转变,5D₃激发态的荧光寿命和发射强度均明显下降,5D₄-7F_j发射强度逐渐增大。较高Tb3+浓度时,其浓度继续增加会提升非辐射比例,是荧光寿命降低和荧光猝灭的最主要原因。比较光致发光和辐照致发光性能,发现随着激发源的能量上升,会增加激发态5D₃能级向5D₄能级的能量转移,同时,由于玻璃的密度低会导致辐照致发光效率随激发源的能量上升而下降。     

氟化物玻璃中Tm^3＋离子敏化Ho^3＋离子的红外发光性质

研究了氟化物玻璃中Ｔｍ＾３＋和Ｈｏ＾３＋离子的红外吸收光谱性质，用钛宝石激光器作为激发源，研究了Ｔｍ＾３＋离子的交叉弛豫过程和Ｔｍ＾３＋敏化Ｈｏ＾３＋２μｍ的红外发射光谱。研究结果表明，只有发Ｔｍ＾３＋离子浓度较高（～２ｗｔ％）时，才能发生较强的交叉弛豫进行，随Ｍｏ＾３＋离子浓度的增加，２μｍ的发光强度增大，当激发光波长为８１３ｎｍ时，２μｍ的发光强度最大。     

镱铒共掺硼硅酸盐玻璃可见光波段扎得-奥菲而特理论分析

采用高温烧结工艺制备了多种掺杂浓度的掺铒硼硅酸盐玻璃、镱铒共掺硼硅酸盐玻璃样品.依据扎得-奥菲而特(Judd-Ofelt,J-O)理论计算了三价铒离子扎得-奥菲而特强度参量Ωk(k=2,4,6)和自发辐射寿命、自发辐射跃迁几率、荧光分支比、谱线强度等参量.用麦克库玻(McCumber)理论分析了镱铒共掺硼硅酸盐玻璃铒离子上转换红光(4F9/2→I15/2)、绿光(2>H11/2→I15/2)的受激发射截面.结果表明,随着掺铒硼硅酸盐玻璃中铒离子浓度的增加,扎得-奥菲而特参量Ω2变小;镱铒共掺硼硅酸盐玻璃的Ω2则随掺镱浓度的提高而增大,且高于已有的硅酸盐、氟化物、铋酸盐玻璃的相应值,同时上转换红光和绿光的受激发射截面略有增加.     

Cr：Nd：GSGG晶体1．061μm受激发射截面随温度变化特性研究

测量了Cr：Nd：GSGG晶体从-70℃到 80℃温度下的荧光发射光谱和荧光寿命，计算了该晶体在不同温度下1．061μm受激发射截面，获得在此温度变化范围内受激发射截面随温度的线性变化关系。     

Yb3+,Er3+:YAG透明陶瓷的制备和1.5 μm波段光谱性能研究

采用固相法和真空烧结技术制备了5at%Yb³⁺,2at％Er³⁺:YAG透明陶瓷.在1760 ℃真空烧结30 h后, 陶瓷样品具有较高透过率.SEM观察表明制备的透明陶瓷在晶粒和晶界处无气孔、第二相的存在.样品的吸收光谱和荧光光谱的测试结果表明: Yb³⁺在940nm波长处有具有较强的吸收系数.样品在1030nm波长的荧光寿命仅为0.274 ms,以及在1.5μm波段的荧光衰减寿命曲线中,初始的荧光强度呈上升趋势,这些表明了Yb,Er:YA 关键词： Er Yb:YAG透明陶瓷 1.5 μm荧光光谱 Judd-Ofelt理论     

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.     

Yb3+离子在氟化物玻璃中的红外光谱性质

根据测得的Ｙｂ＾３＋离子在氟锆酸盐玻璃（ＺＢＬＡＮ）中的吸收光谱和荧光光谱,分析了Ｙｂ＾３＋离子在氟锆酸盐玻璃中的吸收特性和发光特性;计算了Ｙｂ＾３＋离子的发射截面σｅ,讨论了Ｙｂ＾３＋离子的再吸收效应;增加Ｙｂ＾３＋离子掺杂浓度不会发生浓度淬灭效应。     

Er3+和Yb3+共掺碲酸盐玻璃的光谱性质

研究了Er3+ 和Yb3+ 共掺碲酸盐玻璃的吸收和荧光光谱性质 ,分析了碲酸盐玻璃中Er3 + 的上转换发光机制 ,应用Judd Ofelt理论计算了玻璃的强度参量Ωt(t =2 ,4,6 ) ,分别为Ω2 =4.74× 10 - 2 0 cm2 ,Ω4=1.46× 10 - 2 0 cm2 ,Ω6 =0 .6 4× 10 - 2 0 cm2 ,计算了Er3+ 离子的自发跃迁几率、荧光分支比 ,应用McCumber理论计算了受激发射截面 ,并比较了Er3 + 在不同基质玻璃中的光谱特性。     

钬铥双掺钨酸镱钾激光晶体光谱参数计算

采用顶部籽晶提拉法（TSSG）生长了钬铥双掺钨酸镱钾（KHo_0.04Tm_0.06Yb_0.9（WO₄）₂）激光晶体。测试了该晶体的吸收及荧光光谱,计算了其光谱参数。实验结果表明：该晶体在890~1 000 nm范围吸收带较宽,半峰宽为90 nm,计算了主峰1 000 nm处吸收截面为16.92×10^-20 cm²;Tm³⁺在1 690~1 812 nm范围存在较宽的吸收带,半峰宽为118 nm,易于实现Yb→Ho、Yb→Tm、Tm→Ho的能量传递。根据Judd-Ofelt理论,计算了该晶体的光谱强度参数。根据Tm³⁺、Ho³⁺、Yb³⁺离子能级图,讨论了产生1 750~2 200 nm荧光发射的3种能量传递方式。最后计算了主峰2 030 nm处受激发射截面为3.47×10^-20 cm²,表明该晶体可作为2 μm波段优异的激光增益介质。     

Spectroscopic properties of thulium ions in bismuth silicate glass

A new type of bismuth silicate glass (Bi2O3-SiO2-ZnO-Al2O3-La2O3) doped with Tm2O3 is prepared by melt-quenching method. The thermal stability of the glass is examined by differential scanning calorimetry. No crystallization peak is found. Using the absorption and emission spectra, the absorption and emission cross-sections are calculated. Their maximum data are 2.9×10-21cm2 at 1663 nm and 4.7×10-21cm2 at 1826 nm, respectively. Using the Judd-Ofelt theory, the radiation transition probabilities and radiative lifetimes are obtained. The extended overlap integral method is applied to analyze energy transfer process among the Tm3+ ions. The transfer constants of cross-relaxation and energy migration among the Tm3+ ions at the 3H4 level are 7.60×10-40 and 14.98×10-40 cm6 /s, respectively. The critical transfer radius for cross-relaxation is 0.99 nm. The cross relaxation process is easy to realize and is favorable for obtaining ～2-μm laser.