皇冠状稀土掺杂上转换波导的发射和传输研究

发布时间：2020-07-13 00:00

【摘要】：光波导是利用全反射原理引导光传输的介质波导,由于其传输速率高、容量大、损耗低以及抗干扰能力强,已为通信领域带来了翻天覆地的变化。微纳米波导可以将光限制在很小的微腔内并可以形成高度局域的光场,近些年来随着微纳技术的发展,使得光波导器件在芯片上的集成成为可能。高品质光波导的重要性不言而喻,基于有机分子和半导体等光波导器件的激发光大都位于紫外区域,远程传输性能较低、生物穿透能力弱、同时材料稳定性差等缺点都限制了光波导的进一步发展和应用。稀土掺杂发光材料具有谱线锐、谱带丰富、寿命长等优异的发光性能,而且近红外波段的激发源有望解决传统光波导材料遇到的问题。相对于一维结构,三维光波导具有更多可调节的激发与发射模式,并有利于波导效应深入研究和分析。本论文将开展稀土掺杂发光三维波导的研究,主要的研究内容如下:(1)通过水热法合成了皇冠状NaYF4:Yb3+/Er3+微米波导,在近红外光的激发下,研究其空间发射的特性。利用共聚焦显微系统下搭建的傅里叶成像系统,我们得到角空间发射的傅里叶图像,通过对其傅里叶图像的分析得到了三维空间内荧光信号的空间发射角度并确定了其发射的定向性,通过改变激发模式,研究了角发射模式的多样性。(2)通过几何光学模拟的方法系统分析了荧光发射图像形成过程中波导效应的作用方式。发现了激发光源的穿透深度、聚焦位置都会对其波导模式产生影响,并通过模拟得到了具体的荧光波导传输发射模式,最后将荧光发射和傅里叶图像的模拟结果与实验结果进行对比,深化了对稀土掺杂微纳光波导上转换荧光发射的理解。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN252
【图文】：

１．１．１稀土元素的电子、能级结构和光谱项逡逑稀土元素包括了元素周期表中第ＩＩＩＢ族中钪、钇和镧系１５种元素共计１７种逡逑元素。如图１．１所示为稀土元素在元素周期表中的位置：逡逑Ｍ邋？］逦｜２邋Ｈｃｊ逡逑丨氯逦丨氮逡逑３邋Ｕ邋４邋Ｂｅ逦５Ｂ６Ｃ７Ｎ８Ｏ９ＦＩ０Ｎｃ逡逑Ｉ逦ｇ逦１１逦ｊｇ逦１逦１逦＾逦＾逦１逦１１逦＾逦Ｉ逦ｆＨ逦ＩＩ逦ｍ逦１逡逑ＩＩ逦Ｎａ邋１２邋Ｍｇ逦１３邋Ａ１邋１４邋Ｓｉ邋ＩＳ邋Ｐ邋１６邋Ｓ邋１７邋Ｇ邋１８邋Ａｒ逡逑钠逦｜｜逦Ｉ逦八逦１逦＾逦１，逦ｇ逦１逦＾逦［Ｉ逦＾逦［Ｉ逡逑１９邋Ｋ邋２０邋Ｃａ邋ｆ＼邋Ｓ＾｜＞２邋Ｔｉ邋２３邋Ｖ邋｜２４邋Ｃｒ邋１１２５邋Ｖｌｎ邋２６邋Ｆｃ邋１１２７邋Ｃｏ邋１１２８邋ｓＴＩ邋２９邋Ｃｕ邋卜０邋Ｚｎ邋丨－Ｍ邋Ｇａ邋｜｜；２邋Ｇｃ邋｜｜．”邋Ａｓ邋｜丨３４邋Ｓｃ邋卜５邋Ｂｒ邋丨卜邋Ｋｒ邋｜逡逑１邋ｉｆ邋１１逦＾邋｜Ｊ邋ｕ邋１１邋ｔａ邋１

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逦邋！邋＞ｌｒ逦Ｅ邋丨逡逑图１．３上转换示意图：（ａ）激发态吸收示意（ｂ）能量传递上转换示意（ｃ）光子雪崩逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ：邋（ａ）邋Ｅｘｃｉｔｅｄ邋ｓｔａｔｅ邋ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ；邋（ｂ）邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ逡逑ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ邋ｐｒｏｃｅｓｓ；邋（ｃ）邋ｐｈｏｔｏｎ邋ａｖａｌａｎｃｅ邋ｐｒｏｃｅｓｓ逡逑图１．３邋（ａ）为激发态吸收上转换，为上转换发光过程中最基本的途径，具体逡逑的跃迁过程是处于基态的发光中心离子吸收一个光子后到达处于亚稳态的高能级，逡逑然后在入射光子能量与亚稳态以及更高激发态能级相匹配，亚稳态就会再次吸收逡逑一个光子到达更高的能级，随后高能级激发态发射出一个光子跃迁到基态，从而逡逑实现了低能光子激发实现高能光子发射的反斯托克斯发光。当然处于高能级的发逡逑光中心也可以继续吸收符合能级能量匹配的第三个光子达到更高的能级，但是激逡逑发效率会更低而且需要亚稳态能级的寿命足够长。激发态吸收过程也是上转换发逡逑光研究过程中最常见的过程，通常需具备三个条件：高激发功率；能级匹配；中逡逑间态能级寿命长。图１．３邋（ｂ）为能量传递上转换过程，具体过程是：在发光中心逡逑引入敏化剂离子

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