Gd3+-Yb3+-Er3+掺杂12CaO·7Al2O3荧光粉上转换发光与能量传递机制的研究

论文摘要

短波长便携式固体激光器的研发与制备一直是科学研究的前沿。短波长的激光可以被广泛的应用于高密存储、高分辨打印、水下通讯等领域。研究表明经稀土掺杂实现的上转换发光材料能够将波长较长的光辐射转换为短波长的光辐射，稀土离子可以被多光子过程激发至激发态是因为稀土离子具有丰富的、长寿命的中间能级，因此，上转换是一种实现短波长固体激光器的有效手段。Gd3+的基态能级与第一激发态能级间距为32000 cm-1，可以作为紫外上转换的发光中心，但较宽的带隙很难被可见光或者是近红外辐射直接激发至激发态。Er3+和Tm3+有着丰富的中间能级，在氟化物基质中常作为Gd3+的敏化剂，能将吸收的980 nm光子能量传递给基态的Gd3+。然而氟化物基质的化学稳定性较差、机械强度较低的特点，给实际应用带来了很大的困难。因此，需要发展一种性质稳定且光学性质优异的新型基质材料。12CaO·7Al2O3是钙-铝酸盐中重要的组成部分，机械性能出众。所以化学性质稳定、声子能量较低的（C12A7）有潜力成为新型基质材料被应用于上转换技术中。利用溶胶凝胶法制备了Gd3+-Yb3+-Er3+共掺杂的C12A7粉末样品。C12A7:Gd3+/Yb3+/Er3+上转换粉体材料在980 nm的激光激励下得到了丰富的上转换发射光谱, X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）的测试结果表明所制样品为C12A7单相粉末，其粒径尺寸范围是350-500 nm。在980 nm激光的激励下，观测到了归属于Gd3+的6P7/2→8S7/2波长为312 nm的紫外上转换。同时观察到了位于324 nm，365 nm, 380 nm，410 nm，480 nm，550 nm和660 nm的归属于Er3+的4G9/2→4I13/2，2G9/2→4I15/2，4G11/2→4I15/2，2H9/2→4I15/2，4F3/2/4F5/2→4I15/2，2H11/2→4I15/2，4S3/2→4I15/2，4F9/2→4I15/2的辐射跃迁。Yb3+→Er3+→Gd3+的能量传递过程（ET）是产生Gd3+紫外发射的主要机制, Gd3+→Er3+的反向能量传递过程（BET）使得的位于365 nm，410 nm和480 nm的发射强度增强。借助于激发光谱与发射光谱的表征结果可以确认312 nm的紫外发射来自于处于激发态6P7/2的Gd3+向基态辐射跃迁的结果。上转换发光变功率的测试结果表明，以上的发光过程分别对应着五光子上过程、四光子过程、三光子过程和双光子过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 稀土的基本知识
• 1.2 C12A7 的基本性质
• 1.2.1 C12A7 研究的历史沿革
• 1.2.2 C12A7 的结构
• 1.2.3 C12A7 的应用潜力
• 1.3 本论文选题依据及拟解决问题
• 第二章 上转换基本知识和样品制备的浅析与表征方法
• 2.1 上转换发光原理
• 2.2 C12A7 粉体样品的制备与表征
• 2.2.1 浅析C12A7 粉体样品的制备
• 2.2.2 样品的表征方法
• 3+-Yb³⁺-Er³⁺掺杂C12A7 粉体样品制备'>第三章 Gd³⁺-Yb³⁺-Er³⁺掺杂C12A7 粉体样品制备
• 3.1 引言
• 3.2 实验试剂与实验设备
• 3.2.1 实验试剂
• 3.2.2 实验设备
• 3.3 C12A7 粉末的种类与制备
• 3.3.1 C12A7 粉末样品的种类
• 3.3.2 C12A7 粉末的制备
• 3+/Yb³⁺/Er³⁺粉末的结构表征'>3.3.3 C12A7:Gd³⁺/Yb³⁺/Er³⁺粉末的结构表征
• 3.4 本章小结
• 3+-Yb³⁺-Er³⁺掺杂C12A7 上转换和能量传递研究'>第四章 Gd³⁺-Yb³⁺-Er³⁺掺杂C12A7 上转换和能量传递研究
• 3+/Yb³⁺/Er³⁺粉末的上转换发射光谱分析'>4.1 C12A7:Gd³⁺/Yb³⁺/Er³⁺粉末的上转换发射光谱分析
• 3+/Yb³⁺/Er³⁺粉末的激发光谱与发射光谱分析'>4.2 C12A7:Gd³⁺/Yb³⁺/Er³⁺粉末的激发光谱与发射光谱分析
• ³⁺/Yb³⁺/Er³⁺粉末的能量传递分析'>4.3 C12A7: Gd³⁺/Yb³⁺/Er³⁺粉末的能量传递分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢