Er^(3+)∶Yb^(3+)∶Tm^(3+)共掺硼硅酸盐玻璃光致发光温度特性和能级劈裂

高温固相烧结法制备了Er3+∶Yb3+∶Tm3+共掺硼硅酸盐玻璃.在978 nm半导体激光器抽运下,测量了样品在300～573 K下光致发光谱强度随温度的变化,讨论了室温时上转换绿光和红光等波段的光谱劈裂.分析了Er3+,Yb3+和Tm3+之间的能量传递机制.研究结果表明,当温度升高时,Er3+∶Yb3+∶Tm3+共掺硼硅酸盐玻璃的481 nm蓝光、517和534 nm绿光、以及657 nm红光等光致发光强度单调下降,在490 K时几乎消失.但900 nm左右的近红外光谱则随温度的升高而持续增强,而且其中心波长向短波方向移动.在室温时,光谱劈裂明显,高温时劈裂逐渐消失.

Tm^(3+)/Yb^(3+)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.

二价碱土金属氟化物对Er^(3+)/Tm^(3+)/Yb^(3+)共掺氟氧锗酸盐玻璃热稳定性和光谱特性影响的研究

制备了分别含有MgF2,CaF2,SrF2或BaF2的Er3+/Tm3+/Yb3+共掺氟氧锗酸盐玻璃试样和包含BaF2纳米晶的玻璃陶瓷试样,所制备试样均具有良好的透光性。对试样的热稳定性和上转换发光特性进行了研究。通过分析试样的吸收光谱发现,随着所含二价阳离子原子量的增大,试样的紫外吸收截止波长明显向短波方向移动。结果显示:通过改变所含二价碱土金属离子的种类能够对激发光的颜色进行调节,特别值得关注的是Mg2+的影响;结果证实:通过对包含二价碱土金属的玻璃进行微晶化处理或者增加二价碱土金属的含量均能提高上转换发光的强度。

Ho^(3+)/Tm^(3+)共掺Ge-Ga-S-CsI玻璃的2.0μm中红外发光特性的研究

用熔融急冷法制备了系列Ho3+/Tm3+共掺的78GeS2-12Ga2S3-10CsI玻璃样品,测试了样品的吸收光谱以及808 nm激光泵浦下的2μm中红外荧光光谱。用Judd-Ofelt理论计算了Ho3+离子在78GeS2-12Ga2S3-10CsI硫卤玻璃中的强度参数Ωi(i=2,4,6)、自发辐射跃迁概率Arad和辐射寿命rτ等光谱参数,以及Ho3+离子在2μm处的吸收截面aσ、发射截面eσ和增益系数G(λ)。讨论了808 nm激光泵浦下的样品中红外荧光特性与Tm3+离子掺杂浓度之间的关系,分析了Tm3+和Ho3+之间的能量转移机制。结果表明,Ho3+/Tm3+共掺的78GeS2-12Ga2S3-10CsI玻璃是一种理想的2μm激光基质材料。

Tm^(3+)/Yb^(3+)共掺杂ZBLAN玻璃的多光子紫外上转换发光

利用光谱分析手段研究了熔融淬火法制备的Tm和Yb共掺杂的重金属氟化物玻璃ZrF4-BaF2-LaF3-A1F3-NaF的上转换发光性质.在980 nm连续激光的激发下,观察到了较强的363 nm(1D2→3H6),347nm(1I6→3F4)和291 nm(1I6→3H6)的紫外上转换发光,以及中心位于454 nm,475 nm,643 nm,687 nm和804 nm的上转换荧光.这些上转换发射所对应的f-f跃迁为1D2→3F4,1G4→3H6,1G4→3F4,3F3→3H6和3H4→3H6.根据上转换发光强度随泵浦光功率的双对数变化关系得到,347 nm和363 nm的发光分别属于5光子和4光子上转换过程.结果表明:Tm和Yb共掺杂的ZrF4-BaF2-LaF3-A1F3-NaF玻璃可以有效地把近红外波段的激光转化成紫外波段的光.

Tm^(3+)/Dy^(3+)共掺硫卤玻璃中红外发光和能量传递研究

用熔融急冷法制备了系列Tm3+/Dy3+共掺0.9(Ge25Ga5S70)-0.1CsI硫卤玻璃,测试了样品的吸收光谱以及800 nm激光泵浦下中红外荧光光谱特性。结果表明:Tm3+离子的引入能够有效提高Dy3+离子2.9μm中红外荧光强度。当Tm3+离子掺杂浓度固定,随着Dy3+离子掺杂浓度的增加,Tm3+:3F4→3H6跃迁产生的1.8μm荧光强度和荧光寿命明显单调下降,Tm3+:3F4→Dy3+:6H11/2能量传递为Tm3+/Dy3+之间能量转移的主要途径。由于Tm3+:1.8μm荧光发射光谱与Dy3+:6H15/2→6H11/2的吸收光谱之间存在较大的重叠区,Tm3+/Dy3+之间有效的能量传递主要来源于Tm3+:3F4能级向Dy3+:6H11/2能级的共振能量传递。

Tm^(3+)/Yb^(3+)/Er^(3+)共掺氟氧硅酸盐玻璃的上转换发光特性

利用熔融法制备了Tm3+/Yb3+/Er3+共掺氟氧硅酸盐玻璃.在980nm LD激发下,研究了Tm3+离子和Er3+离子之间的能量传递和Tm3+离子的上转换荧光,分析了Tm3+离子的上转换机理,发现蓝色上转换荧光是三光子过程对应于1 G4→3 H6的跃迁,而红色上转换荧光是双光子过程对应于1 G4→3 F4的跃迁.比较不同掺杂摩尔分数的样品的荧光强度,发现Tm3+离子的最佳掺杂摩尔分数为0.2%.

PbO对Tm^(3+)/Ho^(3+)/Yb^(3+)共掺碲酸盐玻璃三基色上转换发光的影响

用高温熔融法制备了Tm3+/Ho3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃,在TeO2-ZnO-La2O3玻璃组分的基础上,引入声子能量较低的PbO,研究了PbO对基质样品拉曼光谱以及Tm3+/Ho3+/Yb3+共掺样品上转换发光光谱的影响。结果表明,随着PbO含量的增加,样品的最大声子能量下降比较明显,同时样品的声子态密度也有减小趋势;在975nm波长激光二极管(LD)激励下,随着PbO含量的增加,Tm3+/Ho3+/Yb3+共掺样品上转换蓝光(480nm)、绿光(546nm)和红光(662nm)的发光强度都有明显增强,且PbO的引入对上转换蓝光发光强度的影响要大于其对绿光和红光的影响。

Tm^(3+)/Ho^(3+)共掺碲酸盐微结构光纤激光器

用棒管法拉制了Tm3+/Ho3+掺杂的碲酸盐微结构光纤,并获得了2μm的激光输出。以1 560 nm的Er3+掺杂石英光纤激光器作为泵浦源,在22 cm长的微结构光纤中,得到了最大功率为8.34 m W、波长为2 065 nm的连续激光输出,泵浦光功率为507 m W,斜率效率为2.97%。研究结果表明,Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐微结构光纤是一种用于研制2μm激光器的理想材料。

Tm^(3+)掺杂和Tm^(3+)/Ho^(3+)共掺2.0μm波段激光晶体研究

2.0μm波段激光在医疗、环保和军事等领域具有十分重要的用途。采用半导体激光泵浦Tm3+掺杂及Tm3+/Ho3+共掺的晶体是实现2.0μm波段激光的主要途径。本文概述了几类用于2.0μm波段激光增益材料的典型晶体,重点介绍了本课题组近年来在探索新型2.0μm波段激光晶体方面的一些研究成果。

Tm^(3+)/Er^(3+)/Ho^(3+)共掺SiO_2-Bi_2O_3-AlF_3-BaF_2玻璃发光性能

采用高温熔融法制备了Tm^(3+)/Er^(3+)/Ho^(3+)共掺的铋硅酸盐50SiO 2-40Bi_2O_3-5AlF_3-5BaF_2玻璃。研究了在808 nm激光器(Laser Diode)激发下Tm^(3+)/Er^(3+)/Ho^(3+)共掺的铋硅酸盐在2 060 nm处的发光性能,同时测试及分析了该铋硅酸盐玻璃的差热特性、吸收光谱及荧光光谱。根据吸收光谱以及Judd-Oflet理论,计算了Ho^(3+)的Judd-Oflet强度参数Ωt(t=2,4,6)以及Tm^(3+)/Er^(3+)/Ho^(3+)相应的吸收截面。铋硅酸盐玻璃中,Tm_2O_3、Er_2O_3和Ho_2O_3掺杂浓度分别为0.75%、1.0%和0.5%时,2 060 nm处Ho^(3+)∶5I7→5I8发射峰强度达到最大。对Tm^(3+)/Er^(3+)/Ho^(3+)3种离子的光谱性质和离子间可能存在的能量传递也做了分析。Ho^(3+)在1 953 nm处的最大吸收截面σabs为9.08×10-21 cm^2,在2 060 nm处的最大发射截面σem为1.168×10-20 cm^2,辐射寿命τmea为2.75 ms,具有良好的增益效应σemτ(3.212×10-20cm^2·ms)。

Ho3+\Yb3+\Tm3+\Ce3+共掺铋碲酸盐玻璃的2μm发光性能

通过高温熔融法制备了Ho3+\Yb3+\Tm3+\Ce3+共掺铋碲酸盐玻璃(60Bi2O3-20TeO2-10ZnO-10BaF2)并测试分析了其热稳定性、拉曼散射性能、吸光性能与受激发射性能。研究了Ce3+浓度对2μm发光的影响。根据Judd-Ofelt理论,分析计算了Ho3+的各项光谱参数,计算了Ho3+的吸收截面与发射截面。研究结果表明,在980nmLD激发下,当掺杂0.6mol%Ce3+时,2μm发射峰强度增加60%。Ho3+∶5I7能级的寿命达5.02ms,2μm处的最大发射截面为0.49×10-20cm2。这些性能表明Ho3+\Yb3+\Tm3+\Ce3+共掺铋碲酸盐玻璃是一种良好的2μm激光玻璃。

Yb^(3+)/Tm^(3+)共掺Y_2(MoO_4)_3的上转换发光

采用水热法制备了Yb^(3+)/Tm^(3+)共掺Y2(Mo O _4)_3系列上转换发光粉。由于Tm^(3+)在980nm附近没有吸收,单掺Tm^(3+)的样品观测不到任何发射。引入Yb^(3+)后,借助Yb^(3+)对980nm红外光的吸收和Yb^(3+)到Tm^(3+)的能量传递,在可将光区观察到源自Tm^(3+)的蓝光和红光。这两个波段的发射随着Yb^(3+)和Tm^(3+)的浓度增加均呈现先增强后减弱的变化规律,8%和0.5%对应Yb^(3+)和Tm^(3+)的最佳掺杂浓度。上转换发射的功率关系研究表明,蓝、红光均为三光子过程,因此二者的产生过程为连续三步Yb^(3+)到Tm^(3+)的能量传递。

980nm激发下Tm^(3＋)诱导的Gd^(3＋)上转换发光性质研究

通过简单温和水热法,制备了系列Tm3+/Yb3+共掺GdF3粉末。用X射线衍射仪和场发射扫描电镜对样品进行了结构和形貌表征。在980 nm半导体连续激光二极管激发下,用荧光光谱仪对氩气保护下退火后的粉末样品进行了上转换发射光谱表征。粉末上转换发光动力学过程是在脉冲(脉宽10 ns,重复频率10 Hz)YAG∶Nd激光器激发光参量振荡器至980 nm激发下研究的,发光信号由单色仪和示波器记录。文章主要讨论了Gd3+的311.6 nm(6P7/2→8S7/2)的发光动力学行为。发光动力学分析结果表明:在980 nm激发下,Gd3+,作为一种基质离子,其发光是由Yb3+作为一级敏化离子通过多步能量传递把能量传递给Tm3+使其布居至3P2能级;然后Tm3+作为二级敏化离子通过能量传递过程3P2→3H6(Tm3+):8S7/2→6IJ(Gd3+)把能量传给Gd3+;进一步,Gd3+与Yb3+或Tm3+之间通过能量传递过程布居至高激发多重态6DJ能级;最后,可观察到Gd3+的激发态6D9/2,6IJ,6P5/2及6P7/2至基态8S7/2的发射。同时,Tm3+在其自身发光过程中也充当激活剂,除了3P2及1I6至3H6的发射外,其他发射不作研究。文章还研究了基质Gd3+依赖于Yb3+浓度、Tm3+浓度、退火温度及激发功率密度的紫外上转换发光性质。

Dy^(3+)/Tm^(3+)共掺GeS_2-Ga_2S_3-PbI_2玻璃的制备及其中红外发光特性研究

用熔融淬冷法制备了Dy3+/Tm3+共掺(100-x)(0.8GeS2-0.2Ga2S3)-xPbI2(mol%,x=5,10,15,20)系列玻璃样品,测试了样品热稳定性、折射率、吸收光谱、近红外及中红外荧光光谱,研究了Tm3+浓度和PbI2含量对样品中红外发光特性的影响。在Dy3+/Tm3+共掺样品中,随着PbI2含量的增加,降低了样品中[S3(Ga)Ge-Ge(Ga)S3]类乙烷结构单元的数量,从而提高了Tm3+:3F4→Dy3+:6H11/2能量传递效率,增强了中红外荧光输出。计算了0.3 wt%Dy3+/0.6 wt%Tm3+共掺64GeS2-16Ga2S3-20PbI2玻璃在2 933和4 315 nm处的发射截面值eσmi分别为2.23×10-20cm2和1.35×10-20cm2。研究结果表明,GeS2-Ga2S3-PbI2硫卤玻璃有望成为光纤放大器及中红外激光器的候选材料。

应用于白光显示的Tm^(3+)/Ho^(3+)/Yb^(3+)共掺碲酸盐玻璃上转换发光特性研究

用高温熔融法制备了Tm3+/Ho3+/Yb3+共掺碲酸盐玻璃(TeO2-ZnO-La2O3)样品,测试了玻璃样品的吸收光谱和上转换发光光谱,分析了上转换发光机理.结果发现:在975nm波长激光二极管(LD)激励下,制备的碲酸盐玻璃样品可以观察到强烈的红光(662nm)、绿光(546nm)和蓝光(480nm)三基色上转换发光,红光对应于Tm3+离子1G4→3F4和Ho3+离子5F5→5I8,绿光对应于Ho3+离子5S2(5F4)→5I8,蓝光对应于Tm3+离子1G4→3H6的能级跃迁.随着Yb3+离子掺杂含量和抽运功率的增加,样品的上转换发光强度得到了一定程度的提高.通过调整稀土掺杂的浓度得到了接近于标准的白光发射.研究结果对于探索实现高品质的白光发光二极管(LED)具有实际应用意义.

Tm^(3+)-Er^(3+)-Yb^(3+)共掺的氟氧化物玻璃陶瓷的发光特性

制备了Tm3+-Er3+-Yb3+共掺含NaYF4纳米晶的透明氟氧化物玻璃陶瓷。根据X射线粉末衍射结果确认玻璃中包含NaYF4纳米晶。测量了样品的吸收光谱和在980 nm LD红外光激发下的荧光光谱。同时观察到了明亮蓝光(475 nm)、绿光(530,550 nm)和红光(651,668 nm)。上转换蓝光是由于Tm3+离子1G4→3H6跃迁,上转换绿光是由于Er3+离子的2H11/2→4I15/2和4S3/2→4I15/2跃迁,上转换红光分别是由于Tm3+离子1G4→3H4和Er3+离子4I9/2→4I15/2跃迁。在Tm3+和Yb3+浓度比一定的情况下,通过改变Er3+的浓度来研究红、绿、蓝光的光强积分与Tm3+-Er3+-Yb3+浓度比的变化关系。为了得到上转换荧光的发光机制,基于稀土离子的能级图,研究了上转换发光强度与激发功率的对数关系。

Er^(3+)/Tm^(3+)共掺碲酸盐玻璃的近红外光谱特性

选择50TeO2-30B2O3-20BaO系统作为稀土掺杂的基础玻璃,通过高温熔融法制备了不同掺杂比的Er3+/Tm3+共掺和单掺碲酸盐玻璃。通过比较共掺和单掺碲酸盐玻璃的吸收光谱和808 nm泵浦光激发下的发射光谱,发现Tm3+的掺入会降低Er3+在1 550 nm处的发光强度,通过能量传递可以得到Tm3+的1 800 nm发光。此外,Er3+/Tm3+使该玻璃具备了发光性能,当Er3+/Tm3+分别达到摩尔分数1.0%和0.4%时,发光强度达到最大值,继续提高掺杂浓度,发光强度反而减弱。

Er^(3+)/Tm^(3+)共掺TeO_2-ZnO-Na_2O玻璃的近红外光谱特性及能量传递机理

采用高温熔融退火法制备了一系列Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃,通过测量玻璃样品的热差扫描(DSC)曲线、吸收光谱、荧光光谱和荧光衰减曲线,结合计算Tm3+离子的Judd-Ofelt强度参数、自发辐射跃迁几率和辐射寿命等光谱参数,对800nm激光二极管(LD)抽运下Tm3+离子的1.85μm波段红外光谱特性进行了研究。结果显示,Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃具有良好的热稳定性,并随着玻璃中Tm3+离子掺杂浓度的增加,Er3+离子1.53μm波段荧光强度迅速减小,而Tm3+离子1.85μm波段荧光强度相应增大。对Tm3+离子的1.85μm波段发光过程分析表明,Tm3+离子红外荧光强度的增强归结于Tm3+:3 H4→Er3+:4I9/2、Er3+:4I11/2→Tm3+:3 H5及Er3+:4I13/2→Tm3+:3F4能级间能量传递的结果,由此进一步计算了能量传递微观系数、临界半径和声子贡献比。研究表明,Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃有望作为1.85μm波段光纤激光器的候选材料.

2μm光纤激光器的研究进展

近年来,2μm波段的光纤激光器由于在测高、测距、大气遥感等方面具有重要的应用前景而引起了广泛关注。光纤激光器以其耦合效率高、散热好、转换效率高、阈值低、光束质量好和窄线宽等优点在激光领域中占据了重要的地位。介绍了实现2μm激光输出的3个基本条件,并分别介绍了单掺Tm3+与Tm3+,Ho3+共掺2μm光纤态激光器的发展状况,指出掺Tm3+光纤激光器2μm连续激光输出能量应该还有很大的提升空间,在脉冲输出方面,Tm3+、Ho3+共掺激光器是一个今后研究的热点。