Tm3+掺杂光纤激光制冷的理论分析

近年来，掺Tm³⁺：ZBLANP玻璃已成为固体材料激光冷却领域中最有希望的新材料之一，但有关掺Tm³⁺：ZBLANP光纤的激光冷却尚未见到理论研究与实验报道.本文采用一个简单的理论模型，就Tm³⁺：ZBLANP光纤的激光冷却进行了理论研究与分析，讨论了量子效率、抽运功率、背景吸收、出射荧光波长变化和环境黑体辐射等对激光制冷效果的影响，得到了一些有趣的重要结果，可为掺Tm³⁺：ZBLANP光纤的激光冷却实验提供可靠的理论 关键词： 固体激光冷却 反斯托克斯荧光 3+：ZBLANP光纤')" href="#">掺Tm³⁺：ZBLANP光纤     

激光诱导的反斯托克斯荧光制冷—— 一个全新的制冷概念

激光诱导的反斯托克斯荧光制冷，是近年来刚刚起步的新的制冷技术．光致反斯托克斯荧光的发射为凝聚态物质激光制冷提供了物理学基础．激光制冷具有体积小、重量轻、无噪声、无振动、无污染、无电磁辐射等优点，可望在不久的将来成为一项实用的制冷技术．该技术在光计算、光存储、超导、空间技术、集成光学、光通信和电子工业等领域具有广泛的应用前景．     

Er~(3+)掺杂玻璃腔内增强激光冷却理论分析

近年来,掺Er3+的CdF2-CdCl2-NaF-BaF2-BaCl2-ZnF2玻璃已成为固体材料激光冷却领域中新的研究材料之一.本文利用激光器输出理论和驻波腔内共振增强原理分析了该材料的两种腔内增强激光的冷却,计算结果表明腔增强可获得几十到几百倍的增强因子.此外,比较了内腔和外腔这两种增强方案,研究结果表明,当材料的吸收比较小时,特别是材料长度小于0.3 mm时,采用内腔增强方案,腔内抽运功率高,冷却材料对激光的吸收大.然而当材料的吸收比较大时,特别是材料长度大于3 mm时,外腔增强方案更具优越性.最后,根据Er3+掺杂材料制冷工作波长和功率的要求,指出腔增强实验可通过半导体激光器来实现.     

荧光再吸收对固体荧光制冷的影响

 建立了荧光再吸收的蒙特卡罗计算模型,对不同尺寸的Yb³⁺:ZBLANP玻璃材料的荧光再吸收作用进行了数值计算,给出了由于再吸收作用引起的荧光平均波长红移与界面反射和材料尺寸的关系。对于立方体形状,当材料尺寸较小时由界面全反射引起的荧光平均波长红移量占主要部分;随着尺寸的变大,界面全反射的影响相对变小;材料尺寸在0.1~1.0 cm时,由于荧光再吸收作用导致的荧光平均波长红移量在2.6~5.0 nm范围内。随激发光波长的变化绝对制冷效率和单位长度的制冷功率均存在极大值,荧光平均波长红移使制冷效率明显下降,通过减小材料尺寸、改变材料形状等措施可减小荧光再吸收作用对激光冷却固体的不利的影响。     

Gd3+掺杂对NaYF4:Yb3+,Tm3+/Er3+ 纳米材料上转换荧光性能的影响

利用温和的溶剂热方法合成了具有上转换发光性能的Yb³⁺-Tm³⁺和Yb³⁺-Er³⁺共掺的纳米NaYGdF₄。在该体系中,通过调节Gd³⁺在基质中的掺杂量可以有效地控制产物的相变、尺寸以及上转换荧光性能。XRD和TEM分析结果表明,Gd³⁺的掺入在促进NaYF₄纳米颗粒由立方相到六方相转变的同时有助于减小其尺寸。上转换光谱研究表明,在Yb³⁺-Tm³⁺和Yb³⁺-Er³⁺共掺体系中,可通过优化Gd³⁺的掺杂量来有效提高产物的上转换荧光强度。同时,通过研究Tm³⁺和Er³⁺在不同可见光波段的发光强度与泵浦功率的关系探讨了上转换发光的机制。     

Gd3+掺杂对NaYF4∶Yb3+,Tm3+/Er3+3+纳米材料上转换荧光性能的影响

利用温和的溶剂热方法合成了具有上转换发光性能的Yb3+-Tm3+和Yb3+-Er3+共掺的纳米NaYGdF4。在该体系中, 通过调节Gd3+在基质中的掺杂量可以有效地控制产物的相变、尺寸以及上转换荧光性能。XRD和TEM分析结果表明, Gd3+的掺入在促进NaYF4纳米颗粒由立方相到六方相转变的同时有助于减小其尺寸。上转换光谱研究表明, 在Yb3+-Tm3+和Yb3+-Er3+共掺体系中, 可通过优化Gd3+的掺杂量来有效提高产物的上转换荧光强度。同时, 通过研究Tm3+和Er3+在不同可见光波段的发光强度与泵浦功率的关系探讨了上转换发光的机制。     

稀土离子(Eu3+,Tb3+,Ce3+)掺杂ZnAl2O4/SiO2微晶玻璃的制备与发光性能

采用凝胶法分别制备出4.5ZnO-5.5Al₂O₃-90SiO₂(ZAS)以及ZAS[DK]:RE³⁺ (RE=Eu,Tb,Ce) 透明微晶玻璃。利用X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和荧光光谱仪(PL)等测试手段,研究了稀土离子掺杂浓度对ZAS微晶玻璃的结构和发光性能的影响。XRD结果表明,ZAS[DK]:RE³⁺ (RE=Eu,Tb,Ce)微晶玻璃包含ZnAl₂O₄晶相和SiO₂非晶相,ZnAl₂O₄平均晶粒尺寸约为30 nm,稀土离子的掺杂没有显著改变原来的ZnAl₂O₄晶体结构。TEM结果表明,900 ℃时ZnAl₂O₄从ZAS体系中析出。PL光谱显示,Eu³⁺ 存在 ⁵D₀→⁷F₂跃迁,ZAS[DK]:Eu³⁺在611 nm 处发出强烈的红色光;由于Tb³⁺ 的⁵D₄→⁷F₅ 跃迁,ZAS[DK]:Tb³⁺在541 nm 处发出明亮的绿色光;ZAS[DK]:Ce³⁺ 在381 nm处显示了蓝光发射,对应于Ce³⁺ 的5d→4f 轨道跃迁。ZAS[DK]:RE³⁺ (RE=Eu, Tb, Ce)的PL发射光谱存在着浓度猝灭现象,Eu³⁺、Tb³⁺ 和Ce³⁺的最佳单掺杂摩尔分数分别为20%、20%和3%。CIE色度图表明,ZAS[DK]: RE³⁺ (RE=Eu,Tb,Ce)的色坐标分别位于红光、绿光和蓝光区域。实验结果表明,ZAS:RE³⁺ (RE=Eu,Tb,Ce) 微晶玻璃是一种良好的可用于全色显示的白光LED材料。     

Mn2+离子掺杂的NaTaOGeO4:Tb3+的发光性能

采用高温固相法制备了颜色可调的NaTaOGeO₄∶Tb³⁺,Mn²⁺荧光粉,并研究了其发光特性以及能量传递机理。在244 nm激发下,NaTaOGeO₄∶Tb³⁺的发射光谱的发射峰分别位于380,413,436,492,544 nm,分别属于Tb³⁺的⁵D₃→⁷F_J和⁵D₄→⁷F_J（J=6,5,4）能级跃迁,为蓝光和绿光发射。在280 nm波长激发下,在492 nm和544 nm处有较强的发射峰,分别属于Tb³⁺的⁵D₄→⁷F₆、⁵D₄→⁷F₅能级跃迁,为绿光发射。在248 nm波长激发下,NaTaOGeO₄∶Mn²⁺的发射光谱由位于576 nm处的宽带组成,属于Mn²⁺的⁴T₁→⁶A₁能级跃迁。当在NaTaOGeO₄∶Tb³⁺荧光粉中共掺杂Mn²⁺时,可以同时观察到Mn²⁺和Tb³⁺的发射峰,通过改变浓度掺杂比,可以得到颜色可调控的荧光粉。     

Tm3+/Yb3+ ∶LaF3纳米体系中掺杂Yb3+ 离子对Tm3+ 离子荧光发射的影响

为研究Yb³⁺离子浓度变化对Tm³⁺离子在蓝色波段荧光强度的影响,以NaF和La(NO₃)₃为原料,采用水热法制备了Tm³⁺和Yb³⁺共掺的Tm³⁺/ Yb³⁺∶LaF₃纳米颗粒.用X射线衍射对LaF₃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1G4→3H6)和波长位于450 nm的强度较弱的荧光发射(相应的跃迁为1D2→3F4).通过观测不同Yb³⁺离子浓度条件下共掺Tm³⁺/Yb³⁺∶LaF₃样品的荧光光谱,研究了Yb³⁺离子掺杂浓度对于Tm³⁺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1G4→3H6跃迁产生的荧光发射(474 nm),当Yb³⁺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Yb³⁺离子浓度增大到一定程度时,Yb³⁺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,Yb³⁺离子的浓度的变化对于1D2→3F4跃迁产生的位于450 nm处荧光强度的影响较弱.     

Pr3+、Tb3+共掺的NaGdF4和GdB3O6的VUV荧光性质

分别制备了单掺和双掺Pr³⁺和Tb³⁺的NaGdF₄和GdB₃O₆等材料,研究了其真空紫外荧光性质。发现在VUV光的激发下,Gd³⁺离子在Pr³⁺和Tb³⁺的能量传递过程中起着重要的作用。Gd³⁺离子不存在时,Pr³⁺和Tb³⁺之间没有明显的能量传递过程。当体系中加入Gd³⁺离子后,Pr³⁺将大部分能量传递给中间体Gd³⁺,Gd³⁺再将能量传递给Tb³⁺,实现了将Pr³⁺的近紫外光转化为Tb³⁺的绿色光的转换过程。     

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。     

YAlO3晶体中pr3+的4f2能级

YAlO3∶pr3+是一种受到广泛关注的发光体系,本文根据文献中给出的YAlO3∶pr3+晶体中Pr3+的晶体场能级,从Nd3+离子的晶体场参数和Pr3+的准自由离子参数出发,采用f-shell计算软件包对pr3+的能级参数进行了研究,并对获得的参数进行了讨论.用拟合获得的参数计算了pr3+的4f2电子构型的所有能级.     

The luminescence enhancement of Eu3+ ion and SnO2 nanocrystal co-doped solben gel SiO2 films

SnO₂ nanocrystal and rare-earth Eu³⁺ ion co-doped SiO₂ thin films are prepared by sol-gel and spin coating methods. The formation of tetragonal rutile structure SnO₂ nanocrystals with a uniform distribution is confirmed by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Fourier transform infrared spectroscopy is used to investigate the densities of the hydroxyl groups, and it is found that the emission intensity from the ⁵D₀-⁷F₂ transitions of the Eu³⁺ ions is enhanced by two orders of magnitude due to energy transfer from the oxygen-vacancy-related defects of the SnO₂ nanocrystals to nearby Eu³⁺ ions. The influences of the amounts of Sn and the post-annealing temperatures are systematically evaluated to further understand the mechanism of energy transfer. The luminescence intensity ratio of Eu³⁺ ions from electric dipole transition and magnetic dipole transition indicate the different probable locations of Eu³⁺ ions in the sol-gel thin film, which are further discussed based on temperature-dependent photoluminescence measurements.     

Analysis of the laser performance of Tm3+: ZBLAN glass at 1.47μm wavelength

A formula for the threshold energy of a four-level-system laser in Tm^{3+} doped fluoride glass is derived. The formula contains the parameters of the interaction between the ions and the up-conversion rate of the pump-light. It is discussed that the Tb^{3+} ions and the up-conversion pump-light have an influence on the laser performance of Tm^{3+} ions around 1.47μm wavelength. We draw the following two conclusions. (1) The laser threshold descends obviously due to the doping of Tb^{3+} ions, but the descending gradually flattens out with the increase of the content of Tb^{3+} ions. Its suitable content is (1－2)×10^{20}cm^{-3}. (2) When pump-lights both from the up-conversion and from the ground state excite simultaneously the single-doped Tm^{3+} ions, the threshold energy can reduce and the output energy can increase. In this paper, the energy conversion efficiency from the up-conversion pump-light to the output energy of laser is estimated.     

Judd--Ofelt analysis of spectra and experimental evaluation of laser performance of Tm3+ doped Lu2SiO5 crystal

This paper reports that the Tm^3＋：Lu2SiO5 （Tm：LSO） crystal is grown by Czochralski technique. The roomtemperature absorption spectra of Tm：LSO crystal are measured on a b-cut sample with 4 at.% thulium. According to the obtained Judd-Ofelt intensity parameters Ω2=9.3155×10^-20 cm^2, Ω4=8.4103×10^-20 cm^2, Ω6=1.5908×10^-20 cm^2, the fluorescence lifetime is calculated to be 2.03 ms for ^3F4 → ^3H6 transition, and the integrated emission cross section is 5.81×10^-18 cm^2. Room-temperature laser action near 2μm under diode pumping is experimentally evaluated in Tm：LSO. An optical-optical conversion efficiency of 9.1% and a slope efficiency of 16.2% are obtained with continuouswave maximum output power of 0.67 W. The emission wavelengths of Tm：LSO laser are centred around 2.06μm with spectral bandwidth of -13.6 nm.     

Analysis of the laser performance of Tm3+, Tb3+(Ho3+):YVO4 crystals at ～1.5μm wavelength

The absorption spectra of Tb,Tm:YVO_4 and Ho,Tm:YVO_4 are measured. The radiant and non-radiant transition probabilities from higher level to lower level, A_{i,j} and ω_{i,j}, and the cross-elaxation probability are calculated in virtue of Judd－Ofelt and Dexter theories. The fluorescence lifetime of Tm^{3+} in the Tb^{3+} (or Ho^{3+}) co-doped crystal is calculated. It indicates that the lifetime of initial level {}^3H_4 of the laser transition can be shorter than that of terminal level {}^3F_4 of the transition if the atomic percentage of Tb^{3+} (or Ho^{3+}) ions is bigger than about 1 at%: namely, by means of the co-doping Tb^{3+} (or Ho^{3+}) ions the self-termination phenomenon of laser light can be eliminated. Inserting the optic parameters to the formula deduced here on the laser threshold power P^{(4)}_{th} and the slope efficiency η^{(4)}_s of the four-energy-level system, we obtain the relationship of threshold power P^{(4)}_{th} to the concentration of Tm^{3+} ions and discuss the effect of Tb^{3+} (or Ho^{3+}) ion concentration on the laser threshold power P^{(4)}_{th} around 1.5μm wavelength. The result shows that Tb,Tm:YVO_4 crystal is a better choice to make the laser at ～1.5μm wavelength than Ho,Tm:YVO_4 crystal. We give the appropriate composition of (1－2) at% Tb, (1－2) at% Tm:YVO_4, just for reference.     

YNbO4：Tm3+/Yb3+上转换发光特性研究

按照50Nb₂O₅-（46-x）Y₂O₃-4Yb₂O₃-xTm₂O₃（x=0.1,0.2,0.5,1,2）的配比方式,采用高温固相法制备出了掺杂Tm³⁺/Yb³⁺的YNbO₄晶体粉末。在980 nm红外光激发下,观测到波长为478,645,707 nm的上转换荧光,分别对应于Tm³⁺离子的¹G₄→³H₆、¹G₄→³F₄、³F₃→³H₆能级跃迁过程。利用上转换发射功率与980 nm激光器工作电流关系估算出跃迁过程吸收光子数目为2.72,2.69,2.01,从而确定出前两者为三光子吸收过程,最后一个对应于双光子吸收过程。运用Judd-Ofelt理论研究样品光谱特性,根据样品的吸收谱得到样品的谱线强度参数Ω_t（t=2,4,6）,进而得出理论振子强度及实验振子强度,二者均方根偏差δ_rms=1.299×10^-7。计算了Tm³⁺离子向下能级跃迁的跃迁几率、跃迁分支比等参数。最后得出结论：（1）³F₄能级寿命较长,适合作为上转换中间能级;（2）³H₅能级寿命较长,且³H₅→³H₆跃迁分支比（96.46%）接近100%,可用于产生1 216 nm激光。     

上转换纳米粒子CaF2:Er3+,Yb3+的合成及其温敏特性

采用水热合成法制备了CaF₂：Yb³⁺,Er³⁺上转换纳米粒子。在980 nm激发下,研究了来源于Er³⁺的²H_11/2/⁴S_3/2→⁴I_15/2跃迁的绿光发射和来源于⁴F_9/2→⁴I_15/2跃迁的红光发射。由于Er³⁺具有一对热耦合能级（²H_11/2/⁴S_3/2）,所合成的样品在293~573 K温度范围内有良好的温敏特性。利用荧光强度比（FIR）技术,测得样品在483 K时具有最大灵敏度0.002 85 K^-1。