铥、铒、镱掺杂钨酸钇钠晶体的能量传递机制和上转换发光的研究

摘要

上转换发光现象一直被人们认为是实现紧凑型全固态短波长固体激光器的途径之一，因此对稀土掺杂材料的上转换发光的研究也越来越受到人们的关注。在对稀土离子的上转换发光以及能量传递过程的研究中，有关于稀土离子的一些重要的光学参数的计算是必不可少的。强度参数、荧光分支比、能级寿命等参数不仅可以表征晶体的光学特性，又可以对我们提出的一些可能存在的跃迁通道给予辅助证明。J-O理论是目前为止有关计算稀土离子掺杂材料的光学参数理论中最精确的一个，得到了研究者们的普遍认可，用它计算出的参数与实验测量的误差在15％以内。 发射光谱、激发光谱和上转换发光谱的测量与分析是我们研究稀土离子上转换发光以及离子间能量传递过程的最基本也是最直接的依据。发射光谱表征了稀土离子各能级的发光特性，对它的分析为我们研究上转换发光中的能量传递过程提供了思路；激发光谱与发射光谱相对应，可以用来检验我们对各能级发光特性和能量传递过程的分析正确与否；上转换发光谱可以直观地告诉我们发光离子可以在哪些波段形成上转换发光，由它得来的发光强度与泵浦光强的双对数关系还可以帮助我们判断形成上转换发光的阶数。 在对稀土掺杂材料发光性质的研究中有关于吸收截面和发射截面的计算与测量是研究的重点之一。吸收和发射截面反映了光子在与离子相互作用时，随着光子的增加，离子的上下两个能级之间粒子布居数的分布状况和两个能级之间跃迁几率的大小。它们的大小直接反映了激光器增益的大小，因此吸收和发射截面的测量与计算对激光器件的设计和使用具有重要的参考价值。 本文中我们首先根据J—O理论给出的公式编写程序，对掺铥钨酸钇钠晶体(Tm：NYW)、掺铒钨酸钇钠晶体(Er：NYW)、铒铥共掺钨酸钇钠晶体(Tm/Er：NYW)中的重要光学参数进行计算。分析了掺杂离子的不同对强度参数，能级寿命等光学参数的影响。利用荧光光谱仪分别对Tm：NYW、Er：NYW和Tm/Er：NYW晶体的发射光谱和激发光谱进行测量，详细地分析了Tm<'3+>、Er<'3+>以及两种离子之间存在的能量传递过程并提出了一些新的能量跃迁通道。通过改装荧光光谱仪对Tm：NYW、Er：NYW和Tm/Er：NYW晶体在801nmLD和975nmLD泵浦下的上转换发光谱进行了测量，结合它们的吸收光谱，发射光谱，激发光谱对各个上转换发光中存在的能量传递过程进行了分析和研究。证明了在801nm LD泵浦下Er/Tm：NYW晶体的上转换发光中Tm<'3+>对Er<'3+>的绿色上转换发光起到了敏化作用。而在975nm LD泵浦下Er/Tm：NYw晶体的上转换发光中Er<'3+>作为敏化离子对Tm<'3+>的红色上转换发光起到了敏化作用。其次我们测量了四种不同掺杂浓度的铥镱共掺钨酸钇钠晶体(Tm/Yb：NYW)的吸收光谱，通过比较它们的强度参数发现随着Tm<'3+>的掺杂浓度增大，晶体中晶场的共价性也随之增强。通过分析Tm/Yb：NYW晶体发射光谱和激发光谱中的能量传递过程证明了Tm<'3+>与Yb<'3+>之间的反向能量传递不易发生。这一结论告诉我们以975nm LD泵浦Tm/Yb：NYW晶体实现上转换蓝光输出的时候不会因为Tm<'3+>的反向能量传递作用影响Yb<'3+>对Tm<'3+>的敏化效率，从而更有利于上转换发光效率的提高。详细分析了Tm/Yb：NYW晶体中明亮地蓝色上转换发光的形成机制以及其中存在的能量传递过程，并讨论了声子能量的大小对上转换发光的影响。通过对比不同掺杂浓度下的Tm/Yb：NYW晶体蓝色上转换发光的强度，得出了当Tm/Yb：NYW晶体中Tm<'3+>的掺杂浓度为1wt.％时最有利于形成蓝色上转换发光的结论。 分别利用McCumber理论和F-L方法计算出了Er：NYW晶体中Er<'3+>的受激发射截面8.67×10<'-21>cm<'2>和9.22×10<'-21>cm<'2>，并且分析了由这两种理论得到的受激发射截面谱线的异同。在利用McCumber方法计算受激发射截面时，从玻尔兹曼分布定律出发推导了E<,ZL>，的计算公式，提高了对受激发射截面的计算精度。利用J-O理论对Er<'3+>主要能级的积分激发态吸收截面进行了计算。结合透过率随泵浦光强变化的曲线与速率方程理论提出了新的计算激发态吸收截面的方法，通过编程拟合出了<'4>I<,13/2>能级的激发态吸收截面：0.44×10<'-21>cm<'2>；<'4>I<,11/2>能级的激发态吸收截面：6.9×10<'-21>cm<'2>；<'4>I<,13/2>能级的荧光寿命：3.5ms；<'4>S<,3/2>能级的荧光寿命：2.28ms；<'4>I<,11/2>→<'4>I<,13/2>能级的无辐射几率W<,nr>：2.04×10<'5>s<'-1>。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

第一节掺稀土离子材料的上转换发光的研究现状

1.1.1稀土元素的光学性质

1.1.2上转换发光材料的种类

1.1.3上转换发光的形成机制

1.1.4上转换发光在光电领域的应用

第二节能量传递过程的研究概况

1.2.1共振能量传递

1.2.2交叉弛豫传递

1.2.3声子辅助传递

第三节受激发射截面和激发态吸收截面的研究概况

1.3.1受激发射截面

1.3.2激发态吸收截面

第四节钨酸钇钠晶体的上转换发光性能

第五节本文研究内容

参考文献

第二章稀土离子上转换发光的相关理论

第一节稀土元素的电子组态

第二节J-O理论

2.2.1能级跃迁的一般理论表达

2.2.2 J-O理论模型及其应用

2.2.3 J-O理论计算流程

第三节上转换发光阶数的判别

参考文献

第三章掺铥、掺铒、铒铥共掺钨酸钇钠晶体的上转换发光及能量传递过程

第一节引言

第二节吸收光谱与光学参数理论计算

3.2.1 Tm:NYW晶体的吸收光谱与光学参数

3.2.2Er:NYW晶体的吸收光谱与光学参数

3.2.3 Er/Tm:NYW晶体的吸收光谱与光学参数

第三节发射光谱和激发光谱

3.3.1测量发射光谱和激发光谱的实验装置

3.3.2 Tm:NYW晶体的发射光谱和激发光谱

3.3.3Er:NYW晶体的发射光谱和激发光谱

3.3.4Er/Tm:NYW晶体的发射光谱和激发光谱

第四节上转换发光

3.4.1上转换发光的实验装置

3.4.2 801nm LD泵浦下的上转换发光

3.4.3 975nm LD泵浦下的上转换发光

第五节本章小结

参考文献

第四章不同掺杂浓度下铥镱共掺钨酸钇钠晶体的上转换发光及能量传递过程

第一节引言

第二节Tm/Yb:NYW晶体的吸收光谱与光学参数的计算

第三节发射光谱和激发光谱

第四节高强度蓝色上转换发光的形成机制

第五节Tm3+掺杂浓度对蓝色上转换发光的影响

第六节本章小结

参考文献

第五章掺铒钨酸钇钠晶体的发射截面和激发态吸收截面的测量与计算

第一节引言

第二节基态吸收截面的测量与计算

第三节发射截面的测量与计算

5.3.1McCumber方法计算受激发射截面

5.3.2 F-L方法计算受激发射截面

第四节激发态吸收截面的计算

5.4.1计算激发态吸收截面的一些常用方法

5.4.2利用J-O理论计算积分激发态吸收截面

5.4.3透过率法计算激发态吸收截面

第五节本章小结

参考文献

第六章全文总结

已研究的内容

得到的结论

致谢

个人简历在学期间发表的学术论文与研究成果