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局域对称结构及环境温度对稀土掺杂透明纳米玻璃陶瓷体系荧光辐射的影响

张翔宇  
【摘要】: LaF_3晶体是一种理想的可掺杂稀土离子的低声子材料。然而,较差的化学稳定性和较低的机械强度限制了实际应用。镶嵌有LaF_3纳米晶体的透明氧氟化物玻璃陶瓷,它不仅有氟化物晶体良好的光学特性,还具有氧化物玻璃优良的机械性能和化学稳定性,成为极具竞争力的稀土离子基质材料,特别是在纤维放大器、上转换激光器、三维显示等光电应用方面。本文通过共振和非共振激发Tm~(3+)离子的~1D_2能级,对镶嵌有LaF_3:Tm~(3+)纳米晶体的透明玻璃陶瓷的激发光谱、发射荧光光谱及时间分辨光谱进行了研究,本文的主要工作分为以下三部分: 第一部分非共振激发条件下镶嵌有LaF_3:Tm~(3+)纳米晶体的透明玻璃陶瓷的光谱学特性 通过直接激发Tm~(3+)的~1D_2能级,对掺杂在镶嵌有纳米晶体的透明玻璃陶瓷中Tm~(3+)离子的荧光光谱性质进行了系统的研究。探讨了源自于掺杂在纳米晶体晶相格位中的Tm~(3+)离子所发射的荧光光谱。依据时间域和频率域的实验研究结果,对光谱中各谱带所对应的跃迁能级进行了分析标识。荧光辐射的动力学结果显示,玻璃陶瓷中的掺杂离子的荧光弛豫由玻璃相中的掺杂离子的快速弛豫和纳米晶体晶相中掺杂离子的慢速弛豫两部分构成。 第二部分共振激发条件下镶嵌有LaF_3:Tm~(3+)纳米晶体的透明玻璃陶瓷和Tm~(3+)掺杂氧化物玻璃基质的光谱学性质研究 通过低温选择激发玻璃陶瓷中的LaF_3:Tm~(3+)的~1D_2能级,讨论了纳米颗粒粒径的大小对两种局域环境Tm~(3+)离子发光性能的影响。当晶粒较大时,氧化物玻璃对处于纳米晶体局域环境的稀土离子的影响减弱,纳米晶体对处于氧化物玻璃局域环境的稀土离子的影响增强;晶粒较小时,氧化物玻璃和晶粒接触面的增加便会降低处于纳米晶体局域环境的稀土离子的发光效率,但纳米晶体对处于氧化物玻璃局域环境的稀土离子的影响减弱。晶粒越大,周围介质对处于纳米晶体局域环境的稀土离子的发光影响越小,发光性能越好,但容易产生失透。玻璃基质中SiO_2的含量能影响两种局域环境的Tm~(3+)离子发光效率,随着玻璃基质SiO_2的含量的减少,Tm~(3+)离子发光效率升高。 第三部分声子能量调控提高Tm~(3+)掺杂体系的频率上转换发光 应用激光光谱学技术,研究了Tm~(3+)离子掺杂透明氟氧化物玻璃陶瓷体系中声子调控对红色激光泵浦荧光辐射性质的影响。观测到了基质对称结构和样品环境温度与体系声子能量之间的联系,以及声子能量变化对于荧光辐射产生的影响。发现改变SiO_2的含量能有效调控基质的声子能量,进而影响蓝色上转换效率。另外,由于温度与声子能量之间的联系,改变样品环境温度可明显改变低声子基质材料中离子~3H_4能级的布居速率,提高蓝色上转换效率。


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