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稀土Er3+/Yb3+/Tm3+共掺碲酸盐的上转换发光研究 物理与机电工程学院 物理学 林渊津 指导老师：郭丽花 前言 理论基础 实验 结果讨论 激光材料是指激光工作物质，是激光器的核心部件。根据工作物质的状态不同，可以分为：气体、液体、固体、半导体以及自由电子激光器几种类型。目前固体激光器应用最为广泛。固体激光材料分为晶体、玻璃和光纤等激光材料。其中激光晶体占主导地位，它主要是由晶体基质和激活离子两者构成。 1.1晶体材料概述 1前言 晶体的物理性能主要取决于基质材料，而它的光谱特性主要由激活离子内的能级结构所决定。由于激活离子与基质材料之间存在相互作用，基质材料对晶体的光谱性能，激活离子对晶体的物理化学性质都有一定的影响。作为激光器核心的工作物质，它的质量和优劣将直接影响到器件的性能。 1.1.1 基质材料 用做固体激光工作物质的基质材料一般不构成激光能级，但能为激活离子提供合适的晶体场，使激活离子产生合适的发射。基质晶体是一个掺杂离子的支架，它使发光离子的相互作用不至于太强，保证了激光发射的线状谱特征，并对激活离子光谱线的位移、分裂、加宽，能量转移以及激光发射不可少的辐射和无辐射过程起着重要作用。 1.1.2掺杂离子 把适量的某种元素或元素化合物加到合适的基质内，该元素就能在基质内形成有用的振荡能级，进而通过受激辐射跃迁获得激光。被掺入的元素在基质中通常以离子的形态存在，所以称为激活离子。 激光晶体的激活离子主要有四类：过渡金属激活离子、三价稀土激活离子、二价稀土激活离子和锕系离子。锕系元素多为人工合成的放射性元素，应用很少。最常见的是稀土离子。稀土元素是化学性质非常相似的一组元素，从元素周期表的57号到71号，共十四个元素。这类元素的离子中4f不是最外层，它们受到5S25P6电子的屏蔽。因此他们的光谱和自由离子情况很相似。 常用的掺杂离子以Ho、Tm、Er、Yb居多。 1.2激光材料的研究动向 目前实现的激光波长主要是红和红外波段，极缺蓝和绿激光波段。全固态蓝光激光器因其在激光生物医学、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光水下成像与通讯等领域广泛应用，世界各地都掀起了研究热潮。而绿激光器具有体积小、波长短、光子能量高、寿命长、转换效率高、水中传播距离远、相对人眼敏感等众多优点，可用于激光医学、信息存储、激光娱乐、建筑等多方面也引起了大家的关注。所以有许多科学家在研究探索能直接发出蓝绿波长的激光器。 主要有两种方式： 一是利用倍频出光。 二是利用稀土离子的上转换。 1.3 Er3+/Yb3+/Tm3+共掺碲酸盐的特点 铒是一种柔软的、有延展性的，银色光泽的稀土元素。在所有的稀土离子中人们对Er3+离子的上装换发光现象研究得最多，这主要是由Er3+的下列特点所决定的：①Er3+离子的能级十分丰富并且能级分布均匀，这样的能级特点对于单光束泵浦上转换发光非常有利；②Er3+离子的绿色跃迁几率最大；③Er3+的绿色荧光具有较高淬灭浓度，有报道淬灭浓度可达25%mol；④具有较多的上转换发光泵浦途径，在1064nm，1540nm，808nm，980nm和650nm的激发下都可以观察到绿色上转换发光。 三价稀土离子Yb3+具有最简单的能级结构，两个能态2F5/2和2F7/2，避免了激光发射中激发态吸收、上转换、浓度猝灭等不利作用。Yb3+离子吸收带位于0.9～1.1μm波段，是与InGaAs LD泵浦源（980nm）有效耦合，而且有宽的吸收线宽（FWHM），使其无需严格的温度控制即可获得相位匹配的泵浦波长。掺Yb3+离子复合钨酸盐体系的激光晶体对调谐的微片激光器的发展具有重要意义，已经引起广泛的重视。 1842年莫桑德尔从钇土中分离出铒土和铽土后，不少化学家利用光谱分析鉴定，确定它们不是纯净的一种元素的氧化物，这就鼓励了化学家们继续去分离它们。在从氧化饵分离出氧化镱和氧化钪以后，1879年克利夫又分离出两个新元素的氧化物。其中一个被命名为thulium，以纪念克利夫的祖国所在地斯堪的纳维亚半岛（Thulia），元素符号曾为Tu，今用 Tm3+。 2.理论基础 稀土离子中常见的发光机制主要有三种 激发态吸收 能量转移 “光子雪崩”过程 3.实验部分 上转换发光实验是在FLS920全功能稳态/瞬态荧光光谱仪上完成的图3为Er3+/Yb3+/Yb3+离子在980nmLD抽运下的上转换发光光谱。 　 图 3 980nm激发下Er3+/Yb3+/Tm3+晶体的上转换发光光谱 　　　　 4.结果分析 图 4-1 Er3+/Tm3+/Yb3+离子的能级图以及能级间的跃迁