Er、Yb和Tm稀土掺杂硼硅酸盐玻璃上转换发光理论与实验研究

论文摘要

三价稀土离子有丰富的能级,其上转换发光在光学温度传感器、短波长激光器和白光模拟等领域展现了巨大的应用潜力。首先,高温固相烧结法制备了系列的掺铒、镱铒共掺和镱铒铥共掺硼硅酸盐玻璃样品,优化了工艺参数。其次,测量了掺铒、镱铒共掺硼硅酸盐玻璃的吸收谱和光致发光谱。用Judd-Oflet理论和McCumber理论计算了J-O强度参数Ωk,自发辐射几率、跃迁寿命、荧光分支比,以及上转换绿光和红光的发射截面。单掺铒系列,铒浓度增加Ω2减小;镱铒共掺系列,镱浓度增加Ω2增加,且大于硅酸盐、氟化物、铋酸盐玻璃的Ω2值,表明该体系基质材料的共价性较强。提高掺镱浓度,不仅可以提高铒离子的激活度,而且能够增大铒离子521nm、651nm上转换的受激发射截面,有利于改善铒离子的上转换发光效率。再次,常温下测量了Er3+:Yb3+:Tm3+共掺硼硅酸盐玻璃的紫外到近红外区间的光致发光谱,分析了978nm激光器激发时上转换发光的主要机制:能量转移、交叉弛豫和激发态吸收。其中,铒离子的上转换荧光（369nm、399nm、523nm、537nm、659nm和800nm）主要由978nm波长激发。而铥离子的上转换荧光（474nm、788nm）则主要由镱离子Stark劈裂产生的900nm辐射进行泵浦的,三者功率谱趋势相同,并且当泵浦功率大于324mW,光致发光强度开始下降,呈现“泵浦功率猝灭”效应。同时,研究了Er3+:Yb3+:Tm3+共掺硼硅酸盐玻璃上转换发光的温度特性。样品温度增加,上转换523nm、537nm绿光和659nm红光强度渐减弱,490K时近乎消失;但900nm近红外光单调增强,而且其峰值波长向短波方向移动。最后,对本论文工作进行了总结,并对掺杂稀土上转换发光材料的研究方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 课题研究的意义和国内外进展
• 1.1 选题的科学意义和依据
• 1.2 上转换发光研究的国内外进展
• 1.3 掺铒、镱铒共掺、镱铒铥共掺体系材料的选择
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 镱铒共掺硼硅酸盐玻璃Judd-Ofelt理论分析
• 2.1 Judd-Oflet理论简介
• 2.2 掺铒、镱铒共掺硼硅酸盐玻璃制备工艺
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 吸收谱测量
• 2.3.2 样品折射率测量
• 2.3.3 J-O强度参数和谱线强度
• 2.3.4 自发跃迁几率、辐射寿命和荧光分支比
• 2.3.5 收截面和发射截面
• 3+:Yb³⁺:Tm³⁺共掺硼硅酸盐玻璃上转换研究'>第三章 Er³⁺:Yb³⁺:Tm³⁺共掺硼硅酸盐玻璃上转换研究
• 3.1 上转换的几种形式简介
• 3+:Yb³⁺:Tm³⁺共掺硼硅酸盐样品上转换测量'>3.2 Er³⁺:Yb³⁺:Tm³⁺共掺硼硅酸盐样品上转换测量
• 3.2.1 样品制备
• 3.2.2 测量光路
• 3.2.3 光谱分析
• 3.3 上转换机理
• 3+:Yb³⁺:Tm³⁺共掺硼硅酸盐玻璃光谱的温度特性'>第四章 Er³⁺:Yb³⁺:Tm³⁺共掺硼硅酸盐玻璃光谱的温度特性
• 4.1 测量光路
• 4.2 光谱的温度特性
• 4.2.1 样品的温度谱
• 4.2.2 样品的劈裂谱
• 筹五章 总结与展望
• 5.1 论文的主要工作
• 5.2 发光材料研究未来展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢