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稀土掺杂材料的光特性及其应用研究

李元耀  
【摘要】:将光学高科技应用于防伪及激光防护领域一直是国际上的热点,基于稀土掺杂的特殊光吸收与频率变换材料就极具代表性。随着我国市场经济及各项技术的发展,各种假冒伪劣现象层出不穷,这对防伪技术的发展带来了机遇与挑战。稀土掺杂材料因其具有其他材料无法比拟的光学特性,在光学、工业加工、通信、传感等领域都已有广泛的应用,若能把此种材料与光学防伪相结合,制成特殊光谱防伪材料,并配套出一种新型的防伪检测仪器,将会对我国经济发展及稳定具有十分重要的意义。另一方面,随着现代化激光武器与激光侦测技术的普遍应用,信息战已是决定战场甚至战争胜负的关键。在现代和未来战场的发现、瞄准、锁定和摧毁四大环节中,信息战举足轻重。对前三个环节的应对即反发现、反瞄准、反锁定是防摧毁的先决条件。因此,掌握新型的激光防护材料已经迫在眉睫。稀土掺杂材料在其丰富的跃迁能级作用下,能吸收多种波长的激光能量,大幅度降低激光反射率,因而是一种十分具有发展潜力的激光防护材料。 本文首先介绍了稀土掺杂材料的主要合成方法,着重介绍了高温固相合成与微波合成新方法。根据微波与介质相互作用的关系,通过石墨与微波的良耦合性质,利用微波能量实现了小介电常数的稀土掺杂材料简便快捷地合成,克服了其他方法合成时间长、对设备要求高等缺点,并设计了一套具有混合加热、保温、隔热、改善加热均匀性等多重作用的微波耦合合成装置。 通过高温固相反应法分别合成了Er~(3+)/Yb~(3+)共掺和掺Nd~(3+)的频率下转换防伪涂料,分析了涂料的结构、发光原理并用自制的新型光谱防伪系统检验了其防伪特性。结果表明该涂料激发光和发射光均在人眼不可见的近红外区,比其它防伪涂料更具隐蔽性,而且具有多重防伪能力,使用方便,是十分实用的新型防伪产品。 在微波合成新方法中,将微波法应用于防伪材料的研究,首次用微波法合成了CaF_2:Er~(3+)/Yb~(3+)粉末,通过XRD测试证实Er~(3+)/Yb~(3+)已经进入基质晶体,并用有质动力理论解释了其形成原理。分析了材料的上转换发光谱以及红光发射较强的原因,最后讨论了该材料以及此种制备方法在防伪领域的应用潜力。 在微波合成新方法中,将微波法应用于激光防护材料的研究,首次用微波法合成了稀土掺杂的激光防护涂料,讨论了其反射率与热处理时间及掺杂浓度的关系,确定了最佳合成条件,并用反射光谱、温度、激光测距等实验证明该涂料能很好的对目标实现激光伪装防护。


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