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稀土掺杂氧化物晶体和氟锆酸盐玻璃的上转换及发光特性

杨海贵  
【摘要】: 近年来,随着信息处理、数据存储、视频显示及表面处理等技术的迅猛发展,紧凑型全固态短波长激光器在激光器的研究领域中受到了广泛关注。这种全固态短波长激光器在高密度光学存储、全色激光显示、海底通信、生物医学、环境科学以及光谱学等领域具有广阔的应用前景。作为产生全固态短波长激光器手段之一的上转换技术,由于其结构简单,且不需要高的激发能量稳定性、严格的相位匹配等条件的限制,人们对其研究的兴趣日益增长。目前,国内外已经广泛报道了上转换发光以及上转换激光,但是这些研究主要集中在红外到可见波段。本论文工作主要集中在稀土掺杂氧化物晶体和氟锆酸盐玻璃的可见到紫外以及可见到可见的新波段上转换发光动力学的实验研究。另外,由于发光衰减行为对实现激光发射和优化激光输出效率非常重要,本论文还研究了稀土掺杂氧化物晶体和氟锆酸盐玻璃的发光衰减动力学过程。 本论文共分五个部分,具体内容如下: 第一部分:简单介绍了上转换发光的应用、上转换激光的发展简史、上转换激光材料以及上转换发光的产生机制。 第二部分:首先介绍了与本论文相关的一些稀土光谱理论,包括著名的Judd-Ofelt理论、能量传递理论。然后在实验部分我们介绍了实验中用到的基质材料、能级寿命测量原理及方法、实验中应该注意的事项、实验仪器及光路设置。 第三部分:首先研究了紫色激光激发下Er3+:YAG晶体荧光衰减的动力学过程。然后集中研究了在不同的可见激光激发下Er3+:YAG及Er3+:YAP晶体的紫外、可见上转换发光现象,通过分析时间分辨的上转换衰减曲线及上转换发光强度对激发光强度依赖关系,确定了不同的上转换发光机制。 第四部分:测定了Tm3+:ZBLAN及Tm3+/Tb3+:ZBLAN玻璃中三种不同掺杂浓度下Tm3+离子四个能级的荧光衰减曲线,通过对其进行e指数拟合,给出了能级寿命,分析了掺杂浓度及敏化离子对发光衰减的影响,给出了影响发光衰减的能量传递过程。另外在红色及蓝色激光激发下研究了Tm3+:ZBLAN及Tm3+/Tb3+:ZBLAN玻璃的紫外、可见上转换发光,确定了上转换发光机制。 第五部分:首先测定了Pr3+:ZBLAN玻璃中四种不同掺杂浓度下Pr3+离子两个能级的荧光衰减曲线,通过对其进行e指数拟合,给出了能级寿命,理论分析了掺杂浓度对荧光衰减的影响,并且在黄色激光激发下观察到了红色的上转换发光现象,给予了理论解释。另外,在两种两步激发机制下,在Pr3+:ZBLAN玻璃中观察到了来自Pr3+离子的级联发射,研究了Pr3+离子的1S0能级的发光特性,包括能级寿命、分支比、发射截面等参数的测定和理论计算结果。最后,在Nd:YAG激光器的二次谐波(532 nm)激发下,在Pr3+:Y2SiO5晶体中我们观察到了来自Pr3+离子的5d组态的紫外宽带发射,并用同时双光子吸收机制给予了解释。 本论文的研究结果为实现新波段的上转换发光、上转换激光以及优化激光输出的效率提供了重要的光谱学参数。


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