钠铝碲酸盐陶瓷中铕金属离子探针与铒离子发光中心的光学光谱行为调查

论文摘要

稀土掺杂材料在红外固体激光器、光学放大器、上转换激光器和可见显示器件等方面具有广阔的应用前景，一直是人们研究的热点和焦点。众所周知，基质材料是影响稀土离子能级跃迁的一个重要因素，其中碲酸盐系统因其具有较宽的红外透过区、较低的声子能量和高的稀土可溶性，引起了人们的广泛关注。但是目前人们研究的基质主要集中在透明的玻璃和陶瓷材料，而对非透明的陶瓷材料重视不足。与透明玻璃相比，非透明陶瓷虽然存在自吸收，但较高的吸收系数同时也有利于稀土上转换发光效率的提高，加之陶瓷材料具有较高的机械性能、良好的化学稳定性和抗腐蚀性，因而也是一种不容忽视的良好的稀土发光基质材料。Eu3+和Er3+是重要的稀土离子，是很有效的激活剂，他们的能级十分丰富，很多能级之间的跃迁都可产生有效的光发射，Eu3+和Er3+在许多发光材料中起着十分重要的作用，利用Eu3+和Er3+研制新型光学和激光材料的潜力很大。相对于其他稀土离子，Eu3+具有较简单的能级结构，可用作离子探针来探测稀土离子在基质材料中的周围环境。基于以上考虑，我们设计合成了Eu3+单掺和Er3+/Yb3+共掺钠铝碲酸盐陶瓷，测试并分析了陶瓷的荧光特征参数，研究了稀土离子在钠铝碲酸盐陶瓷中的光学与光谱特性，通过一系列的分析与研究获得以下成果：1.制备和表征了1wt%Eu3+掺杂的15%Na2O-15%Al2O3-70%TeO2（NAT）钠铝碲酸盐陶瓷。在紫外激发下可观测到11个发光带，清晰地记录到蓝光和绿光发射，几乎覆盖了整个可见光区。Eu3+:NAT陶瓷的最大声子能量约为760cm1，稀土离子可以在其中获得高效率的跃迁发射。由发射光谱计算出Judd-Ofelt强度参数2和4分别为2.951020cm2和0.391020cm2，并进一步计算了Eu3+的辐射跃迁概率、辐射寿命和荧光分支比等光谱参数。较低的声子能量和明亮的可见荧光表明稀土掺杂NAT陶瓷在照明、显示器件和探测器等方面具有广阔的应用前景。2.合成制备了1.08wt.%Er2O3和2.16wt.%Yb2O3共掺杂的15%Na2O-15%Al2O3-70%TeO2钠铝碲酸盐陶瓷，在980nm激发下，可观察到高效的绿光和红光上转换发光，和宽的1.533m红外发射。测试并讨论了绿色和红光上转换荧光强度与激光功率的关系，证实了在551nm和668nm处的可见上转换发射均是双光子过程。Er3+在NAT陶瓷中1.533m发射带的最大半宽（FWHM）是55nm，最大吸收和发射截面分别为6.851021cm2和6.611021cm2。高效的可见上转换发光和红外发光表明稀土掺杂陶瓷在彩色光源、上转换显示器件、红外传感器和红外激光光源等领域具有潜在的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 第二章 文献综述
• 2.1 稀土元素
• 2.1.1 稀土自由离子的性质
• 2.1.2 稀土元素的荧光性能
• 3+的能级跃迁及光谱性质'>2.1.3 RE³⁺的能级跃迁及光谱性质
• 2.2 稀土的发光基本规律
• 2.2.1 吸收光谱、激发光谱和发射光谱
• 2.2.2 能量传递
• 2.2.3 发光和猝灭
• 2.2.4 斯托克斯定律和反斯托克斯发光
• 2.3 稀土上转换发光机理
• 2.3.1 激发态吸收
• 2.3.2 光子雪崩上转换
• 2.3.3 能量传递上转换
• 2.3.4 影响上转换发光的因素
• 2.4 敏化发光机理
• 2.4.1 杂质敏化
• 2.4.2 基质敏化
• 2.5 J-O 理论与光谱参数的计算
• 2.6 碲酸盐玻璃
• 2.7 稀土发光材料的应用
• 3+掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的制备和光谱特性'>第三章 Eu³⁺掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的制备和光谱特性
• 3+掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的制备'>3.1 Eu³⁺掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的制备
• 3+掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的测试'>3.2 Eu³⁺掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的测试
• 3.2.1 样品密度测试
• 3.2.2 样品光学光谱测试
• 3+掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的光谱特性'>3.3 Eu³⁺掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的光谱特性
• 3+: NAT 陶瓷 XRD 谱图和发光'>3.3.1 Eu³⁺: NAT 陶瓷 XRD 谱图和发光
• 3.3.2 Judd-Ofelt 参数分析
• 3+: NAT 陶瓷的光辐射特性'>3.3.3 Eu³⁺: NAT 陶瓷的光辐射特性
• 3.4 本章小结
• 3+/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷的制备和光谱特性'>第四章 Er³⁺/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷的制备和光谱特性
• 3+/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷的制备'>4.1 Er³⁺/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷的制备
• 3+/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷测试'>4.2 Er³⁺/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷测试
• 4.2.1 样品密度测试
• 4.2.2 样品光学光谱测试
• 3+/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷的物理特性'>4.3 Er³⁺/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷的物理特性
• 3+/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷的光谱特性'>4.4 Er³⁺/Yb³⁺共掺钠铝碲酸盐陶瓷的光谱特性
• 4.4.1 Judd-Ofelt 参数分析
• 4.4.2 红外发射光谱
• 4.4.3 吸收和发射截面
• 4.4.4 上转换荧光光谱和上转换机理分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 本文的研究特色和创新之处
• 致谢
• 作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文