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)。     

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.     

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.     

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     

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.     

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.     

Tm3+/Yb3+共掺铋碲酸盐玻璃中的高效蓝色上转换荧光

制备了高折射率Tm3+/Yb3+共掺杂铋碲酸盐玻璃,利用棱镜耦合法测量出玻璃在632.8和1550 nm波长处的折射率分别为2.0365和1.9795. 对玻璃的吸收、荧光和红外透过光谱展开了测试与分析,根据Judd-Ofelt理论对吸收光谱进行拟合,求得Tm3+的振子强度参数Ωt(t=2,4,6)分别为3.90×10-20, 2.03×10-20和9.03×10-21 cm2,并进一步计算了Tm3+在玻璃中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. 在980 nm激光激发下测得强的蓝色三光子上转换和近红外双光子上转换荧光. 宽的红外透过窗口、高的折射率和强的蓝色上转换荧光表明,Tm3+/Yb3+共掺铋碲酸盐玻璃有希望成为高效的上转换发光和激光材料.     

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。     

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.     

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。     

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.     

锗酸盐玻璃中Yb3+/Tm3+/Ho3+掺杂浓度对2 μm发光的影响

为了研究锗酸盐玻璃中采用Yb3+/Tm3+/Ho3+三掺杂方式实现2 μm激光的可行性,研究了3种稀土离子的掺杂浓度对近2 μm发光的影响,从而对稀土离子掺杂浓度进行优化选择以确定理想的掺杂浓度.实验结果表明,在TmF3掺杂摩尔分数为1%时,随着Yb3+浓度的提高Ho3+的2 μm荧光强度增强;当TmF3掺杂摩尔分数为3%时,随着Yb3+浓度的提高Ho3+的2 μm荧光强度降低;随着Yb3+浓度的提高,Tm3+的近2 μm荧光发射会得到增强,且当Tm3+浓度较高时其发光更为明显,这相对削弱了Ho3+的2 μm荧光.Ho3+2 μm发光受Tm3+/Ho3+的浓度比值影响很大,即用980 nm光抽运三掺杂样品,无论Tm3+浓度单一提高还是Ho3+浓度单一降低,对于Ho3+的2μm荧光都是不利的.     

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Ωt(t=2,4,6)、自发辐射概率Ar、辐射寿命τr等.计算了Ho3+的吸收截面σa(λ)和受激发射截面σa(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3.9 ms,2.0 μm处的最大发射截面为9.15×10-21cm2.在O.5 mol%Tm2O3和0.15 mol%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,σe×τm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.     

钬镱掺杂波导适用型锗酸盐玻璃上转换荧光光子定量

制备了适用于钾钠离子交换波导的钬镱离子掺杂锗酸盐玻璃,采用荧光光谱绝对测试系统在975nm激光泵浦下对玻璃的上转换发光性能进行表征,解析出样品的绝对光谱功率分布,并计算了光量子数分布和荧光量子产率等绝对荧光参量.测试与计算结果表明,当Ho3+/Yb3+掺杂的锗酸盐玻璃在370℃的KNO3熔盐中热离子交换4h时,K+-Na+离子交换有效扩散系数为0.068μm2/min.锗酸盐玻璃样品中,Ho3+主要发出548nm绿光和660nm红光,其中红色上转换荧光为支配性发射.当激光激发功率密度为1 227 W/cm2时,660nm红光绝对光谱功率和净发射光量子数分别为28.03μW和9.26×1013 cps.此时,548nm绿光和660nm红光发射的荧光量子产率分别为0.17×10-5和2.41×10-5,可见区总荧光量子产率达2.61×10-5.净发射光子数与激发功率密度的双对数曲线斜率表明Ho3+/Yb3+掺杂锗酸盐玻璃的红色和绿色上转换发射均属双光子激发过程.基于波导适用型锗酸盐玻璃实施的钬离子上转换荧光发射的绝对化表征,为稀土光电功能材料的进一步研发提供了可依赖的数据参考.     

Yb3+敏化Tm3+掺杂氧卤碲酸盐玻璃的上转换发光研究

研究了Yb2O3浓度对Tm3 /Yb3 共掺氧卤碲酸盐玻璃的上转换发光的影响,分析了上转换发光机理。结果发现,通过980 nm的激光二极管激发,在室温下同时观察到强烈的蓝光(475 nm)和微弱的红光(649 nm),分别是由于Tm3 离子1G4→3H6和1G4→3F4跃迁产生的;上转换机理分析表明,上转换蓝光和红光都是由于双光子吸收过程。随Yb2O3浓度增加,Yb3 离子寿命降低,Yb3 到Tm3 的能量转移效率增加,上转换蓝光和红光强度先增加,在Yb2O3摩尔比为3时达到最大,然后降低。分析认为,Yb3 的浓度猝灭主要是由于3H4(Tm3 )→2F5/2(Yb3 )反向能量转移的结果。结果表明Yb3 敏化Tm3 掺杂氧卤碲酸盐玻璃是一种上转换蓝光激光器的潜在基质材料。     

氟化物对Er~(3+)/Yb~(3+)共掺的碲酸盐玻璃上转换和红外发光性能的影响

Er3+/Yb3+共掺的碲酸盐玻璃由于其良好的上转换发光性能而得到广泛的研究。本文将氟化物引入碲酸盐玻璃中,通过熔融法制备了量比为70TeO2-(30-x)ZnO-xZnF2-0.15Er2O3-1.5Yb2O3(x=0,5,10,15,20)的碲酸盐氧氟玻璃样品,并测试其热稳定性、拉曼光谱以及受激发射光谱。实验结果表明,随着氟化物含量的提高,Er3+离子的410,555,670 nm上转换发光和2~3μm波段中红外发光得到增强,并且红光提高强度比绿光和蓝光更明显。在分析了氟离子引入后对上转换与近中红外波段发光的内在影响机制发现:碲酸盐玻璃系统中的氟化物一方面促进能量传递过程中Er3+离子的双光子吸收,促进粒子跃迁至相应的高能级;另一方面,引入氟化物后的碲酸盐玻璃的最大能量声子态密度下降也是降低无辐射跃迁概率、提高上转换和中红外发射强度的重要原因。     

稀土离子掺杂的AlF3基氟化物玻璃

在800和970!nm LD激发下,分别研究了Er3+单掺和Yb3+,Tm3+共掺的AlF3基(AYF,AZF)玻璃中上转换发光、能量传递和浓度猝灭.在Er3+掺杂的AlF3基玻璃,随着Er3+掺杂量的增加,红光与绿光上转换发光强度比(Ired/Igreen)增加,这被认为与两个Er3+离子(一个在4I9/2态、另一个在4S3/2态)的交叉弛豫过程有关.在Tm3+-Yb3+共掺的AlF3基玻璃中,发现对于Tm3+的浓度猝灭,蓝光跃迁比近红外荧光跃迁表现更明显,研究还发现Yb3+-Tm3+共掺AYF和AZF玻璃存在Yb3+离子对上转换发光的猝灭现象,这被认为可能是Tm3+(3F4)→Yb(3F5/2)反向能量传递的结果.     

Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺杂Sb_2O_4荧光粉的制备及上转换发光性质研究

高温固相法制备了Yb3+/Tm3+共掺的Sb2O4发光粉体,研究了其上转换发光性质。在980nm半导体激光器的激发下,样品发射较强的近红外(800nm)和较弱的蓝色(480nm)及红色(680nm)上转换发光。粉末样品中稀土Yb3+及Tm3+浓度对上转换发光性质具有显著的影响,随着Yb3+或Tm3+浓度的增加,上转换发光增强;Tm3+掺杂浓度达0.8%时其上转换发光强度达到最大,之后上转换发光随Tm3+浓度的增加而减弱,这是由于浓度猝灭引起的。探讨了粉末样品的上转换发光机理,在980nm激发下Tm3+的蓝光和近红外上转换发光均属于二光子的上转换发光过程。     

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.     

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.