稀土掺杂上转换光波导传输及定向发射研究

【摘要】：微纳米光波导能够在亚波长尺度下引导光的传输。利用局部吸收紫外激发光的半导体、聚合物以及自组装有机分子的发光波导,能够实现荧光的传输和定向发射,已经被广泛报道。相比于紫外激发,近红外激发光具有生物穿透性强和破坏性小等优势。稀土掺杂上转换发光材料,具有发射线宽窄、谱线丰富、荧光寿命长以及生物毒性低等优点,已在细胞成像、显示、激光器、荧光生物探针以及防伪编码标签等领域广泛应用。基于稀土掺杂上转换发光材料的发光波导,能够利用近红外光激发,并产生荧光的传输和定向发射。发光波导的高效激发和远场空间发射角的调控,对于其在生物领域以及光通信领域的应用起着重要的作用。本论文设计了一种端头斜切的一维稀土微米管作为上转换发光波导,特殊的斜切结构能够实现激发光的高效耦合,极大的提高了激发光的激发效率以及光波导的发射强度。本论文的主要研究内容包括:1.利用柠檬酸钠辅助水热法制备了一种端头斜切的NaYF4:Yb3+/Er3+(20/2%)微米管。通过改变柠檬酸钠和稀土硝酸盐的添加顺序能够调节NaYF4:Yb3+/Er3+微米管的长度。2.研究了不同激发模式下单个微米管的定向传输特性。研究结果表明,微米管能够限制荧光在其内部传输。在端头激发模式下,能够实现激光和荧光的同时耦合传输,并且在微米管末端有较强的荧光发射。在相同激发模式下,荧光的绿色发射带比红色发射带更容易耦合进波导中进行传输。在端头激发模式下,改变微米管端头的斜切方向,能够调控激光在微米管中的耦合程度,这与我们的几何光学模拟结果相符。3.利用自主搭建的傅里叶成像系统,研究了不同激发模式以及发射端形貌对远场荧光的空间发射角的影响。通过近红外激发,微米管能够引导具有较宽光谱范围、较窄发射带的荧光在末端发射,并且发射的荧光具有方向性。结果表明空间发射角强度分布主要受到微米管发射端的形貌影响。该项研究将在多通道光通信领域拥有潜在的应用。