三價(jià)稀土離子摻雜氟偏磷酸釔鋇玻璃的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)研究.pdf

1、稀土離子摻雜的上轉(zhuǎn)換發(fā)光玻璃材料可以將低能量的長(zhǎng)波長(zhǎng)的光轉(zhuǎn)化為高能量的短波長(zhǎng)的光，這使其在紅外探測(cè)、溫度傳感，生物標(biāo)記，短波長(zhǎng)全固態(tài)激光器，三維顯示等領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。近幾十年來(lái)，研究人員不斷嘗試研究上轉(zhuǎn)換機(jī)理、尋找合適的摻雜方式、開(kāi)發(fā)新基質(zhì)以獲得高熒光效率的上轉(zhuǎn)換玻璃材料。氟化物基質(zhì)聲子能量低，能有效減少上轉(zhuǎn)換過(guò)程中的能量損耗，因此常?？梢詮闹蝎@得較高效率的上轉(zhuǎn)換光輸出。但盡管對(duì)氟化物玻璃材料的研究取得了一定的成果，其較差的化學(xué)穩(wěn)

2、定性、熱穩(wěn)定性和機(jī)械性能還是限制了它的應(yīng)用發(fā)展。向含稀土的氟化物玻璃中添加磷酸鹽可以顯著地改善上述的缺陷，而磷酸鹽中所含的O2-也將導(dǎo)致稀土離子的配位環(huán)境的改變并改變稀土離子的光學(xué)性質(zhì)。因此氟磷酸鹽玻璃不但具備了相當(dāng)?shù)奈锘€(wěn)定性，而且光學(xué)性能也靈活可調(diào)，是一種很有吸引力的上轉(zhuǎn)換基質(zhì)材料。本論文選取了具有高Yb3+離子摻入量的YF3-BaF2-Ba(PO3)2作為基質(zhì)，制得了一系列Ho3+、Er3+、Tm3+、Tb3+和Yb3+離子摻雜的

3、氟磷酸鹽玻璃，并對(duì)他們的下/上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了研究，主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　　 測(cè)量了Ho3+、Er3+、Tm3+單摻樣品的吸收光譜，利用Judd-Ofelt理論計(jì)算得到了Ho3+離子單摻玻璃的三個(gè)J-O強(qiáng)度參數(shù)Ω2、4Ω和Ω6分別為2.95×10-20 cm2，2.61×10-20 cm2，2.15×10-20 cm2；Er3+離子單摻玻璃的三個(gè)J-O強(qiáng)度參數(shù)分別為4.65×10-20 Cm2，1.56×10-20 cm

4、2，1.78×10-20 cm2；Tm3+離子單摻樣品的三個(gè)J-O強(qiáng)度參數(shù)分別為3.42×10-20 cm2，1.99×10-20 cm2，1.49×10-20 cm2。我們也把通過(guò)Judd-Ofelt理論得到的三個(gè)J-O強(qiáng)度參數(shù)總和與利用Su所給的直線(xiàn)關(guān)系計(jì)算的值進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)兩值符合的很好。此外，我們也根據(jù)三個(gè)J-O強(qiáng)度參數(shù)分別計(jì)算了Ho3+、Er3+和Tm3+單摻玻璃的輻射躍遷幾率、熒光分支比和輻射壽命。
　　 Er3+

5、單摻樣品在487 nm的激發(fā)下在可見(jiàn)區(qū)產(chǎn)生了位于520 nm和542 nm的發(fā)射峰，分別對(duì)應(yīng)2H11/2→4I15/2和4S3/2→4I15/2熒光躍遷。在紅外區(qū)產(chǎn)生一個(gè)峰尖位于1530 nm的較寬發(fā)射，對(duì)應(yīng)4I13/2→4I15/2躍遷。我們記錄了1530 nm發(fā)射的強(qiáng)度衰減曲線(xiàn)，衰減時(shí)間擬合為7.4 ms，這與我們通過(guò)J-O計(jì)算所的7.6 ms非常接近。在350nm的激發(fā)下，Tm3+單摻樣品產(chǎn)生了中心位于450 nm的藍(lán)色發(fā)射。這個(gè)

6、發(fā)射對(duì)應(yīng)于Tm3+的1D2→3F4熒光躍遷。我們也記錄了Tm3+為0.05 mo1％的樣品中450 nm的發(fā)射衰減曲線(xiàn)，衰減時(shí)間約為42.4μs，也與J-O計(jì)算所得的43μs非常接近。Ho3+單摻樣品在340nm的激發(fā)下在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)有峰尖位于547nm的綠光發(fā)射和657 nm的紅光發(fā)射，分別對(duì)應(yīng)于5S2,5F4→5I8和5F5→5I8熒光躍遷，而且綠光發(fā)射強(qiáng)度高于紅光。在含0.05 mo1％Ho3+的樣品中，547 nm綠光發(fā)射的衰減時(shí)間

7、擬合為17.1μs，這個(gè)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于J-O計(jì)算的204μs。我們也由此可以算出5S2，5F4上的馳豫率為53580 s-1。這個(gè)非常大的弛豫率的值與YBPF較高的聲子截止頻率有關(guān)。溫度對(duì)547 nm發(fā)射衰減時(shí)間的影響反應(yīng)出5S2，5F4能級(jí)上的弛豫是一個(gè)三聲子輔助過(guò)程。在378 nm的激發(fā)下，Tb3+摻雜的樣品在可見(jiàn)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生了多個(gè)發(fā)射峰，這些峰分別對(duì)應(yīng)于5D3→7FJ(J=5，4，3，2)和5D4→7FJ(=6，5，4，3)熒光躍遷。當(dāng)玻

8、璃中Tb3+濃度為0.2 mo1％時(shí)，樣品發(fā)光為藍(lán)色；而當(dāng)濃度上升到1 mo1％時(shí)，樣品樣品發(fā)光為綠光。
　　 在980 nm半導(dǎo)體激光器的激發(fā)下，Er3+/Yb3+共摻樣品除了兩個(gè)綠光發(fā)射，在可見(jiàn)區(qū)還產(chǎn)生了一個(gè)對(duì)應(yīng)于4F9/2→4I11/2熒光躍遷的峰尖位于656 nm的紅光發(fā)射。發(fā)射強(qiáng)度與激發(fā)功率的依賴(lài)關(guān)系表明這些發(fā)射都源自樣品的雙光子吸收。樣品中Er3+濃度的上升，將使得樣品發(fā)光顏色從綠色逐漸變向黃綠色。Tm3+/Yb3+

9、共摻樣品在980 nm激光照射下產(chǎn)生了強(qiáng)烈的藍(lán)色上轉(zhuǎn)換發(fā)光，其中藍(lán)色發(fā)射對(duì)應(yīng)于Tm3+的1G4→3H6熒光躍遷。同時(shí)我們?cè)跇悠分幸灿涗浀搅藖?lái)自于1D2能級(jí)的360nm和450nm上轉(zhuǎn)換發(fā)光。1D2能級(jí)的上轉(zhuǎn)換布居過(guò)程為四光子過(guò)程，其發(fā)生概率相當(dāng)?shù)停虼嗽诖蠖鄶?shù)含Tm3+的上轉(zhuǎn)換玻璃中難以觀測(cè)到源自于這個(gè)能級(jí)的發(fā)光。980 nm激發(fā)下的Ho3+/Yb3+共摻樣品也產(chǎn)生了532 nm的綠光發(fā)射和657 nm的紅光發(fā)射，而且紅色發(fā)射的強(qiáng)度遠(yuǎn)強(qiáng)

10、于綠光發(fā)射強(qiáng)度，樣品發(fā)光為現(xiàn)明亮的紅色。這不同于Ho3+在YBPF玻璃中的下轉(zhuǎn)換發(fā)光，而且這種980 nm激發(fā)條件下的Ho3+的紅色上轉(zhuǎn)換也并不常見(jiàn)。盡管Yb3+與Tb3+間的協(xié)同敏化上轉(zhuǎn)換的效率非常低，Tb3+/Yb3+共摻的YBPF玻璃在980 nm激光激發(fā)下的發(fā)光卻可以被裸眼清晰辨認(rèn)出來(lái)，而且樣品的發(fā)光隨Tb3+摻雜濃度的上升將逐漸從微弱的藍(lán)光到明亮的綠光。
　　 為了探討這些上轉(zhuǎn)換發(fā)光背后的機(jī)理，我們系統(tǒng)地考察了稀土離子