铥钬镱掺杂钠铝碲酸盐陶瓷的多彩上转换荧光发射

【摘要】：近年来，在稀土离子掺杂的晶体、玻璃、陶瓷等材料中都有上转换发光现象的报道。频率上转换可以将近红外光通过非线性多光子过程转变成各种颜色的可见光，是产生可见色彩光的广泛关注之一。上转换材料凭借这一特征可作为红外光的显示材料应用在夜视系统材料、发光二极管、红外量子计数器以及其他激光材料等，使长波灵敏度差的红外探测器的功能得到进一步发挥，在国民经济和国防建设领域具有较大的应用潜力。Tm~(3+)的跃迁波长主要位于蓝光和近红外光谱区，Ho~(3+)的跃迁波长主要位于红光和绿光光谱区，通过掺杂不同浓度的Tm~(3+)和Ho~(3+)，并对上转换机制下产生的三原色荧光进行适当调谐，可以得到多彩上转换荧光变换，最终得到近白光。Yb~(3+)能级结构简单，可避免交叉弛豫，是Tm~(3+)、Ho~(3+)的理想敏化剂。 目前，稀土可见上转换荧光的研究主要集中在透明的玻璃材料，但其性能的提高及新材料的获得依然是科学前沿，真正商业实用的激光材料品种少。新型钠铝碲酸盐陶瓷是一种具备低声子能量、高光吸收率的不透明上转换基质材料。它不仅结合了碲酸盐高机械强度和氧化铝高稳定性的特点，只有700cm-1左右的声子能量，而且其较高的自吸收系数也有利于稀土上转换发光效率的提高，因此，钠铝碲酸盐陶瓷可成为很好的发光基质材料。 基于以上考虑，实验以钠铝碲酸盐陶瓷(sodium-aluminum-tellurite ceramics，NAT)为基体，研究了Tm~(3+)/Yb~(3+)，Ho~(3+)/Yb~(3+)双掺和Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)三掺样品在974nm激光激发下的上转换荧光性质，讨论了上转换荧光强度与激发功率的关系，计算了Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)掺杂样品上转换荧光的色坐标，并定性分析了荧光色坐标与激发功率的关系，取得以下成果与进展： 1.用固相熔融法制备了Tm~(3+)/Yb~(3+)双掺钠铝碲酸盐陶瓷(Na2O－Al2O3－TeO2)样品。在974nm激光激发下，观察到Tm~(3+)/Yb~(3+)掺杂样品发出蓝光，红光上转换和近红外光，蓝光的峰值强度是红光的近10倍，因此肉眼感觉到的荧光发射为蓝色。根据蓝、红和近红外荧光强度与激光功率的关系，判断出Tm~(3+)/Yb~(3+)共掺钠铝碲酸盐陶瓷中蓝光和红光发射为三光子过程，近红外光发射为双光子过程。 2.制备了Ho~(3+)/Yb~(3+)双掺钠铝碲酸盐陶瓷样品。Ho~(3+)/Yb~(3+)掺杂样品在974nm激光激发下观察到绿光，红光上转换和近红外光，其中红色荧光相对强度是绿光的两倍以上。由于人眼对绿色发光最敏感，因此感觉到的发光颜色是黄绿色。根据红、绿和近红外荧光强度与激光功率的关系，判断Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺钠铝碲酸盐陶瓷的上转换荧光发射均为双光子过程。 3.制备了三种不同浓度配比的Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺钠铝碲酸盐陶瓷样品，分别测试了样品的上转换发光光谱，并分析了上转换发光机理。结果发现：在不同激发功率的974nm激光激发下Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺钠铝碲酸盐陶瓷随着Ho~(3+)、Yb~(3+)离子掺杂含量和泵浦功率的增加，样品的上转换发光强度得到了一定程度的提高。 4.在Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺杂体系中，计算了Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)三掺样品上转换荧光的色坐标，并分析了荧光色坐标与激发功率的关系。由于Tm~(3+)的477nm上转换蓝光发射属三光子过程，蓝光发光强度随激发功率增加而增长的速率大于绿光和红光。因此，通过功率调谐可以调整样品的上转换蓝光、绿光和红光强度比例，实现上转换近白光发射。 研究结果表明，在Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺钠铝碲酸盐陶瓷中，通过功率调谐可以调整样品的上转换蓝光、绿光和红光强度比例，实现了色彩丰富的上转换荧光，证实了Tm~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)共掺钠铝碲酸盐陶瓷是一种高效上转换材料，为上转换荧光的潜在应用提供了新亮点。