氟氧化物玻璃和陶瓷中稀土离子上转换发光研究

论文摘要

稀土离子掺杂的上转换材料可以将人眼看不见的红外光转换为可见光,因而在全固态短波长激光器、三维立体显示、激光防伪等领域有着广泛的应用。本论文的工作主要包括两个部分,分别讨论稀土离子在氟氧化物玻璃和（陶瓷）粉末中的上转换发光。第一部分讨论基质的化学组成对稀土离子发光效率的影响。通过制备一系列掺Er3+氟氧化物玻璃材料,并测试了它们的光学性质,包括激光拉曼光谱、吸收光谱和红外激发上转换荧光光谱,随后根据Judd-Ofelt理论计算了Er3+单掺玻璃的J-O强度参数,并详细分析了未掺杂玻璃的拉曼光谱。在此基础上分析了材料组成对Er3+的吸收、辐射性质和基质声子能量的影响,进而讨论了声子在Er3+上转换过程中的作用。结果发现在低浓度单掺Er3+情况下、用980nm LD（激光二极管）激发样品时,声子能量对红、绿荧光强度比没有影响;在Er3+/Yb3+掺杂的玻璃中,声子是Er3+的红色荧光发射必不可少的条件,而且随着声子能量的增大红/绿荧光发射比有明显增大的趋势,同时Yb3+的掺入可以把红色荧光强度提高几百倍,这对用Er3+产生高效的红色荧光具有一定的指导意义。论文第二部分工作（也即第四章）主要研究样品微观结构对稀土离子上转换荧光性能的影响。固相反应的不均匀性、冷却速度的不同、退火等都对玻璃的微观结构有重要影响。本部分通过对样品进行扫描电镜（SEM）和X-射线分析,初步研究了材料的微观结构与荧光之间的关系。发现20GeO2-80PbF2陶瓷材料中Pb2F2O枝晶的形成可有效提高Ho3+荧光强度;Er3+单掺50GeO2-50PbF2玻璃演变为陶瓷结构后,由于β-PbF2晶体的析出,Er3+离子的荧光强度得到了很大的提高,并且红色荧光增强更为显著。本部分工作对制备防伪和荧光粉材料有一定的借鉴价值,同时也为研究稀土离子的荧光与材料的显微组织结构之间的关系提供了一些有价值的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 上转换材料的发展
• 1.2 上转换材料的应用
• 1.3 上转换材料种类
• 1.4 上转换材料研究现状及存在的问题（选题依据）
• 1.5 论文的主要内容
• 第二章 上转换材料的基本理论
• 2.1 基本理论
• 2.1.1 稀土元素
• 2.1.2 电子结构和光谱学性质
• 2.1.3 J－O 理论
• 2.1.4 能量传递理论
• 2.1.5 多声子弛豫
• 2.1.6 Mc Cumber 理论
• 2.1.7 主要的上转换机制
• 2.2 制备方法及工艺
• 2.2.1 高温固相法
• 2.2.2 水热法
• 2.2.3 Sol-Gel 法
• 2.2.4 退火工艺
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 拉曼效应和拉曼光谱
• 2.3.2 扫描电子显微镜（SEM，Scanning Electron Microscope）
• 2.3.3 XRD 物相分析
• 3+/Yb³⁺掺杂氟氧化物玻璃的光谱性能研究'>第三章 Er³⁺/Yb³⁺掺杂氟氧化物玻璃的光谱性能研究
• 3.1 实验
• 3.1.1 实验流程
• 3.1.2 光谱测量
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 样品的物相鉴定
• 3+单掺玻璃的吸收性质'>3.2.2 Er³⁺单掺玻璃的吸收性质
• 3.2.3 Raman 散射分析
• 3.2.4 上转换荧光分析
• 3.2.5 掺杂浓度对上转换荧光的影响
• 3.2.6 下转换光谱
• 3.3 小结
• 第四章 氟氧化物陶瓷中稀土离子的上转换发光研究
• 3+/Yb³⁺共掺陶瓷'>4.1 Ho³⁺/Yb³⁺共掺陶瓷
• 4.1.1 样品的SEM 分析
• 4.1.2 样品GPYH 的XRD 分析
• 4.1.3 Raman 分析
• 4.1.4 上转换荧光光谱分析
• 2 基陶瓷'>4.2 TeO₂基陶瓷
• 4.2.1 SEM 分析
• 4.2.2 XRD 分析
• 4.2.3 上转换荧光
• 3+单掺陶瓷'>4.3 Er³⁺单掺陶瓷
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 攻读硕士学位期间已公开发表的论文