稀土共掺杂的氟卤化物玻璃中红外发光特性和能量传递过程的研究

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中红外激光材料在光学、军事、医疗、生物学、材料加工、环境监测等众多领域具有广泛的应用前景,一直是国内外激光工作者的重点研究领域。稀土离子掺杂的氟化物玻璃材料由于其具有良好的透过性,高的稀土溶解度,低的声子能量,和宽透射率区域等优点而被广泛研究。但目前仍然存在稀土离子在玻璃基质中发光效率较低、发光波长有限、卤化物发光的机制不清楚、可调谐性差等问题。期望可以通过基质优化和稀土离子共掺得到发光效率较高、具有多个发光波长可调谐的中红外光源。本文以氟卤化物玻璃为主线,进行稀土离子共掺杂实验。通过阴离子替代调节基质与稀土离子共掺杂来改善发光性能。具体内容包括三部分:制备了Er3+/Yb3+共掺杂的Al F3基氟氯化物玻璃样品。我们进行了Cl-替代和Yb3+掺杂发现共掺杂后的氟氯化物玻璃样品不但中红外发光变强而且结构具有更高的稳定性和更大吸收和发射截面(σabs=0.97×10-20cm2em=1.06×10-20cm2)。并且在Er3+:4I13/24I15/24I11/24I13/2的能量传递过程中具有更长的寿命(4I13/2能级寿命为12.8 ms,4I11/2能级寿命为5.9 ms)。这些结果表明Er3+/Yb3+共掺杂Al F3基氟氯化物玻璃是潜在的中红外激光材料。制备了Er3+/Yb3+共掺杂的ZBLAY氟氯化物玻璃样品。通过表征测试,根据J-O理论计算稀土离子的光谱参数探讨发光特性同成分、掺杂浓度、共掺离子之间的关系,并分析了稀土离子之间的能量传递机制。与单掺的样品相比,共掺杂后的氟氯化物玻璃样品结构具有更高的稳定性,在Er3+:4I13/24I15/24I11/24I13/2的能级跃迁和能量传递过程中具有较大吸收和发射截面(σabs=9.46×10-21cm2em=1.04×10-20cm2)。制备了Nd3+/Yb3+共掺杂ZBLAN氟溴化物玻璃样品。分析研究了样品在793和980 nm激发下的发光特性。据我们所知,Nd3+和Yb3+之间存在有效的相互能量转移过程。在793 nm激发下证明了Nd3+:2H11/24F7/2(3.9μm)的发光通过从Nd3+:2H11/2能级到Yb3+:2F5/2能级的有效能量转移而降低。同时,证明了在980nm激发下从Yb3+:2F5/2能级到Nd3+:2H11/2能级的有效能量转移增强了Nd3+:2H11/24F7/2(3.9μm)的发光。据此,分析了Nd3+2H11/2水平的荧光衰减特性。通过引入Br-,玻璃基质的声子态密度出现降低的趋势。计算了Nd3+/Yb3+共掺杂氟溴化物样品的吸收和发射截面(σabs=3.87×10-20 cm2em=4.25×10-20 cm2)。此外,研究和分析了样品的变温图谱,发现858和864 nm的峰强在20K-320K温度范围内随着温度的逐渐降低而增强,1056 nm处的峰强随着温度的变化几乎不变,对于温度的改变有很好的稳定性。表明Nd3+/Yb3+共掺杂ZBLAN氟溴化物玻璃是潜在的中红外激光材料。
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