稀土摻雜氟氧化物玻璃上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)的研究.pdf

1、稀土摻雜上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在很多方面都有潛在應(yīng)用，例如可應(yīng)用于可見(jiàn)和近紅外激光，三維立體顯示、紅外探測(cè)、熒光防偽以及生物醫(yī)療診斷和溫度傳感器等領(lǐng)域。因此，近年來(lái)稀土摻雜不同玻璃的上轉(zhuǎn)換發(fā)光得到了廣泛的研究。在此背景下，我們制得了一系列Ho<'3+>、Er<'3+>、Tm<'3+>、Tb<'3+>和Yb<'3+>離子摻雜的氟氧化物玻璃，并對(duì)他們的上轉(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： 我們利用高溫固相法合成了Ho<'3+>

2、、Er<'3+>和Tm<'3+>離子摻雜的新型氟氧化物玻璃SiO<,2>-Al<,2>O<,3>-Na<,2>O-ZnF<,2>。測(cè)量了它們的吸收光譜，利用Judd-Ofelt理論計(jì)算得到了Ho<'3+>離子單摻玻璃的三個(gè)J-O強(qiáng)度參數(shù)Ω<,2>、Ω<,4>和Ω<,6>分別為5.84×10<'-20>cm<'2>，2.38×10<'-20>cm<'2>，1.75×10<'-20>cm<'2>；Er<'3+>離子單摻玻璃的三個(gè)J-O強(qiáng)度參

3、數(shù)分別為6.08×10<'-20>cm<'2>，2.65×10<'-20>cm<'2>，1.11×10<'-20>cm<'2>；Tm<'3+>離子單摻樣品的三個(gè)J．O強(qiáng)度參數(shù)分別為5．02×10珈cm2，1．88×lO珈cm2，0．96×10-20 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Ho<'3

4、+>、Er<'3+>和Tm<'3+>單摻玻璃的輻射躍遷幾率、熒光分支比和輻射壽命。 為了更好的利用Judd-Ofelt理論對(duì)所制備玻璃的性能進(jìn)行說(shuō)明，我們檢測(cè)了直接激發(fā)下Ho<'3+>、Er<'3+>和Tm<'3+>離子單摻樣品的下轉(zhuǎn)換發(fā)光光譜。在454 nm激發(fā)下，觀測(cè)到Ho<'3+>離子單摻樣品在可見(jiàn)區(qū)有四個(gè)發(fā)射帶，分別對(duì)應(yīng)于<'5>F<,3>→<'5>I<,8>，<'5>F<,4>,<'5>S<,2>→<'5>I<,8>，

5、<'5>F<,5>→<'5>I<,8>和<'5>S<,2>→<'5>I<,7>躍遷。在這四個(gè)輻射躍遷中，<'5>F<,4>,<'5>S<,2>→<'5>I<,8>躍遷發(fā)射最強(qiáng)，用Judd-Ofelt理論計(jì)算得到的這個(gè)躍遷的輻射躍遷幾率也最大，說(shuō)明了實(shí)驗(yàn)和理論是符合的。在522nm激發(fā)下，觀測(cè)到Er<'3+>離子單摻樣品在近紅外區(qū)有一個(gè)<'4>I<,13/2>→<'4>I<,15/2>躍遷發(fā)射，并測(cè)得<'4>I<,13/2>能級(jí)的壽命為3

6、.0 ms。根據(jù)Judd-Ofelt理論計(jì)算得到的輻射壽命和熒光分支比的數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了<'4>I<,13/2>能級(jí)的量子效率為42.1﹪，<'4>I<,13/2>→<'4>I<,15/2>躍遷的受激發(fā)射截面為4.83×10<'-21>cm<'2>。在358 nm激發(fā)下，觀測(cè)到Tm<'3+>離子單摻樣品在可見(jiàn)區(qū)有<'1>D<,2>→<'3>F<,4>， <'1>G<,4>→<'3>H<,6>,<'1>D<,2>→<'3>H<,5>和<'

7、1>D<,2>→<'3>H<,4>四個(gè)躍遷發(fā)射。在這四個(gè)躍遷中，<'1>D<,2>→<'3>F<,4>躍遷是最強(qiáng)的發(fā)射躍遷，而J-O理論計(jì)算結(jié)果也表明<'1>D<,2>→<'3>F<,4>躍遷的輻射躍遷幾率最大。在<'1>D<,2>→<'3>F<,4>，<'1>D<,2>→<'3>H<,5>和<'1>D<,2>→<'3>H<,4>這三個(gè)躍遷中，<'1>D<,2>→<'3>F<,4>躍遷的熒光分支比也是最大的。這些都表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟J-O理

8、論計(jì)算的結(jié)果一致。研究了980 nm激光激發(fā)下Ho<'3+>/Yb<'3+>、Er<'3+>／Yb<'3+>和Tm<'3+>/Yb<'3+>離子共摻樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)。Ho<'3+>/Yb<'3+>共摻樣品在546和661 nm處呈現(xiàn)了強(qiáng)烈的綠光和紅光發(fā)射。并且紅光的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綠光，這在其它共摻樣品中并不多見(jiàn)。綠光和紅光發(fā)射強(qiáng)度與泵浦功率的關(guān)系表明它們都是兩光子吸收過(guò)程。Er<'3+>/Yb<'3+>共摻樣品在可見(jiàn)光范圍內(nèi)有三個(gè)上轉(zhuǎn)

9、換發(fā)射帶，中心分別位于524 nm，547 nm和659 nm處。與Ho<'3+>/Yb<'3+>共摻樣品一樣，也是紅光的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于綠光，這在其它共摻樣品中也不多見(jiàn)。它們的發(fā)射強(qiáng)度與泵浦功率的關(guān)系表明這三個(gè)發(fā)射都是兩光子吸收過(guò)程。Tm<'3+>/Yb<'3+>離子共摻樣品在可見(jiàn)區(qū)和近紅外區(qū)都有上轉(zhuǎn)換發(fā)射。在可見(jiàn)區(qū)有兩個(gè)發(fā)射帶，中心分別位于476和651 nm處，在近紅外區(qū)有一個(gè)中心位于792nm的發(fā)射帶。它們的發(fā)射強(qiáng)度與泵浦功率的關(guān)系

10、表明可見(jiàn)區(qū)的兩個(gè)發(fā)射基于三光子吸收，而近紅外區(qū)的發(fā)射基于兩光子吸收。 對(duì)Ho<'3+>/Yb<'3+>、Er<'3+>/Yb<'3+>和Tm<'3+>/Yb<'3+>共摻樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究還發(fā)現(xiàn)，Ho<'3+>、Er<'3+>和Tm<'3+>離子的濃度以及Yb<'3+>離子的濃度都對(duì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度有影響。隨Ho<'3+>、Er<'3+>和Tm<'3+>離子濃度的增加，上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度都是先增加后減小，說(shuō)明出現(xiàn)了濃度猝滅。隨Yb<

11、'3+>離子濃度的變化上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度也都發(fā)生變化，這是因?yàn)镠o<'3+>、Er<'3+>和Tm<'3+>離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光，主要是靠Yb<'3+>離子的能量傳遞才實(shí)現(xiàn)的，而Yb<'3+>離子濃度的大小決定了這種傳遞的進(jìn)行方式。 我們也對(duì)Tb<'3+>/Yb<'3+>共摻氟氧化物玻璃SiO<,2>-Al<,2>O<,3>-Na<,2>O-ZnF<,2>的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，在980 nm激光激發(fā)下，低Tb<'3+>離

12、子濃度時(shí)，<'5>D<,3>，<'5>G<,6>→<'7>F<,J>(J=6，5，4)和<'5>D<,4>→<'7>F<,J>=(J=6，5，4,3)躍遷都出現(xiàn)了，而在高Tb<'3+>離子濃度時(shí)，只出現(xiàn)了<'5>D<,4>→<'7>F<,J>(J=6，5，4，3)躍遷，說(shuō)明在高Tb<'3+>離子濃度時(shí)，<'5>D<,3>，<'5>G<,6>能級(jí)出現(xiàn)了濃度猝滅。Yb<'3+>離子濃度也對(duì)上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度有強(qiáng)烈影響，隨Yb<'3+>離子濃度增

13、大，上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度都先增大后減小，說(shuō)明Yb<'3+>離子在上轉(zhuǎn)換過(guò)程中的重要作用。上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度也隨溫度的變化而變化。當(dāng)溫度在40 K到450 K范圍內(nèi)變化時(shí)，上轉(zhuǎn)換藍(lán)光和綠光發(fā)射強(qiáng)度都先增強(qiáng)后減弱，約在300 K時(shí)呈現(xiàn)最強(qiáng)發(fā)射。上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度和泵浦功率的關(guān)系表明，<'5>D<,3>，<'5>G<,6>→<'7>F<,J>(J=6，5，4)躍遷基于三光子的吸收過(guò)程，<'5>D<,4>→<'7>F<,J>(J=6，5，4，3)躍遷基于兩光

14、子的吸收過(guò)程。<'5>D<,4>能級(jí)的布居是通過(guò)兩個(gè)受激Yb<'3+>離子同時(shí)傳遞能量而完成的，即這是個(gè)共協(xié)能量傳遞上轉(zhuǎn)換過(guò)程。我們也采用高溫固相法合成了另一種Er<'3+>/Yb<'3+>共摻的新型氟氧化物玻璃SiO<,2>-BaF<,2>-ZnF<,2>，對(duì)它在不同溫度下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行了研究。當(dāng)溫度從250K升高到450 K時(shí)，<'2>H<,11/2>→<'4>I<,15/2>和<'4>S<,3/2>→<'4>I<,15/2>