Tm 3+ 掺杂硅酸盐氟氧化物玻璃的近中红外发光及其增强机理
发布时间：2021-09-05 23:05
近中红外发光玻璃是激光、通信、环境监控等重要应用领域的关键材料。对于玻璃基质材料的选择、近中红外发光的增强方法及去羟基技术的探索,依旧充满着挑战。硅酸盐氟氧化物玻璃兼具低声子能量,良好的力热化学稳定性,以及成本低廉且容易被拉制成光纤等优势,是实现近中红外发光的良好基质玻璃材料。本论文介绍了在氟氧化物硅酸盐玻璃中实现近中红外发光的方法,讨论了影响近中红外发光的因素以及增强方式。实验内容主要围绕掺Tm3+硅酸盐氟氧化物玻璃（SiO2-PbF2-PbO-TmF3）的制备及其发光的增强而展开,研究内容主要包括两个部分:（1）以50SiO2-45PbF2-（5-x）PbO-2.5TmF3-xPb（NO3）2（x=0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0）为组分展开实验,探究了在微量的硝酸铅取代氧化铅后,引入的硝酸根离子以化学法除去了基质中的羟基,从而实现了增强近中红外发光的目的。研究结果表明:当用微...
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体量子点光致发光原理[32]
恢忠圆ＡР牧献魑??剩?⒉羧肷倭肯⊥猎?刈魑?δ?物质的新型材料。稀土元素是指元素周期表上的镧系元素再加上过渡族的两种金属元素钪(Sc)和钇(Y)，共17种元素，在稀土发光领域称之为广义的稀土元素而狭义的稀土元素仅指15个镧系元素，如图1-2所示，因为处于同一系元素，它们的化学性质表现出了许多共性。镧系的15个元素之中，包括了7种铈组稀土钕(Nd)、钷(Pm)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钐(Sm)，以及9钟钇组稀土元素，它们分别是钆(Gd)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、钇(Y)[38]。图1-217种稀土元素[38]稀土元素种类较多，且有着相似的性质，在自然界中的化合物通常表现为正三价，如Ho2O3、TmF3等。其发光的原理源自于4f层电子的跃迁，稀土元素具有特殊的的电子层结构，即处在5s、5p轨道处的电子层，保护着4f电子层。也因此，当电子在4f→4f跃迁时会被5s电子层所屏蔽，使稀土元素具有极窄的吸收峰和发射峰，即使是选取不同的基质作为研究对象，发射峰的位置和吸收带宽也不会受到很大的干扰，这一特点也是稀土离子作为激光器增益介质中的功能物质的一大优势。而掺稀土发光材料的发光原理是对外受激辐射产生的，即在外部激发光源的激发下，稀土元素自身的电子在f-f组态或f-d组态之间发生了跃迁，以光能的形式对外释放能量的过程。本文所选择的是能级下转换的发光方式，即以短波作为激发光源通过辐射跃迁得到长波，如图1-3所示，为钬离子(Ho3+)、铒离子(Er3+)和铥离子(Tm3+)典型的下转换能级跃迁示意图。从图中可以看出，在980nm激光激发下，其中Ho3+：5I6→5I7和Er3+：4I11/2→4I13/2的辐射跃迁分别
湘潭大学硕士学位论文6对应了2.85μm和2.7μm的红外发射。而在808nm激光激发下，Tm3+：3H4→3H5的辐射跃迁则对应了2.3μm的红外发射。图1-3Ho3+,Er3+和Tm3+的典型能级跃迁示意图[39]1.3影响稀土近中红外发光的因素1.3.1羟基(OH-)的影响以玻璃作为基质的稀土发光材料的一些光学性质，如红外荧光发射强度等通常会受到玻璃所含杂质的影响。在这些杂质中，羟基(OH-)的伸缩振动是主要因素，微量的羟基就会对近中红外光产生极强的淬灭效应[40]。图1-4可以看出，羟基在近红外区域（1.5μm、1.8μm），中红外区域（2.8μm，3.8μm）处红外几乎不可透过，会产生强的吸收宽带，对应于Tm3+：3F4→3H6辐射跃迁（1.8μm），3H5→3F4辐射跃迁（3.8μm）和Ho3+的3I6→5I7辐射跃迁(2.85μm)，羟基的存在是影响1-5μm近中红外发光的重要因素之一，基质中的羟基会显著降低稀土发光玻璃的发光效率，为获得较强的近中红外激光输出，实验中应尽量避免羟基的引入并除去基质中存在的羟基[41]。想要去除基质中的羟基首先要考虑引入羟基的因素。首先，实验药品内部会有吸附水与结合水存在，此类水分可通过在适当的温度下对药品进行干燥处理去除；而对于干燥温度的选择既要考虑到水分去除的程度，又要尽量避免在较高温度下药品可能存在的分解与变质，需结合实际条件制定出合理的除水工艺。空气中存在的水分可能会吸附到器皿及药物上。因此，合成制备的气氛需在相对干燥
【参考文献】：
期刊论文
[1]银纳米晶对铒镱共掺的TeO2-WO3-La2O3微晶玻璃发光性能的影响（英文）[J]. 陈淑文,林健,张文俊. 无机化学学报. 2018(07)
[2]Tm3+掺杂锗碲酸盐玻璃的近2μm光谱性质[J]. 高松,王欣,范小康,李科峰,廖梅松,胡丽丽. 物理学报. 2014(24)
[3]Ho3+/Yb3+共掺杂玻璃陶瓷50SiO2-50PbF2的上转换及中红外发光特性[J]. 张晓光,任国仲,杨槐. 光谱学与光谱分析. 2014(08)
[4]Influence of silver nanoparticles on Er3+up-conversion in CaF2precipitated oxyfluoride glass-ceramics[J]. 马晨硕,邱建备,周大成,杨正文,宋志国. Chinese Optics Letters. 2014(08)
[5]Ag纳米晶对Tm/Yb共掺碲酸盐玻璃上转换发光性能的影响[J]. 张文俊,林健,孙光耀,贾玉洁,钱帅,任军江,戎亮. 发光学报. 2013(05)
[6]Efficient 2.7-μm emission in Er3+-doped bismuth germanate glass pumped by 980-nm laser diode[J]. 赵国营,田颖,范慧艳,张军杰,胡丽丽. Chinese Optics Letters. 2012(09)
[7]无机多元素现代仪器分析技术[J]. 李冰,周剑雄,詹秀春. 地质学报. 2011(11)
[8]3～5μm中红外激光对抗武器系统[J]. 钟鸣,任钢. 四川兵工学报. 2007(01)
[9]2μm全固态激光器的研究进展[J]. 赵媛媛,侯霞,陈卫标. 激光与光电子学进展. 2006(06)
[10]用激光红外干扰系统保护军用和民航机[J]. 任国光,黄裕年. 激光与红外. 2006(01)
硕士论文
[1]稀土掺杂氟化物微晶玻璃的设计及其荧光性质研究[D]. 程韶君.南京邮电大学 2015
本文编号：3386254
【文章来源】：湘潭大学湖南省
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
半导体量子点光致发光原理[32]
恢忠圆ＡР牧献魑??剩?⒉羧肷倭肯⊥猎?刈魑?δ?物质的新型材料。稀土元素是指元素周期表上的镧系元素再加上过渡族的两种金属元素钪(Sc)和钇(Y)，共17种元素，在稀土发光领域称之为广义的稀土元素而狭义的稀土元素仅指15个镧系元素，如图1-2所示，因为处于同一系元素，它们的化学性质表现出了许多共性。镧系的15个元素之中，包括了7种铈组稀土钕(Nd)、钷(Pm)、镧(La)、铈(Ce)、铕(Eu)、镨(Pr)、钐(Sm)，以及9钟钇组稀土元素，它们分别是钆(Gd)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、钇(Y)[38]。图1-217种稀土元素[38]稀土元素种类较多，且有着相似的性质，在自然界中的化合物通常表现为正三价，如Ho2O3、TmF3等。其发光的原理源自于4f层电子的跃迁，稀土元素具有特殊的的电子层结构，即处在5s、5p轨道处的电子层，保护着4f电子层。也因此，当电子在4f→4f跃迁时会被5s电子层所屏蔽，使稀土元素具有极窄的吸收峰和发射峰，即使是选取不同的基质作为研究对象，发射峰的位置和吸收带宽也不会受到很大的干扰，这一特点也是稀土离子作为激光器增益介质中的功能物质的一大优势。而掺稀土发光材料的发光原理是对外受激辐射产生的，即在外部激发光源的激发下，稀土元素自身的电子在f-f组态或f-d组态之间发生了跃迁，以光能的形式对外释放能量的过程。本文所选择的是能级下转换的发光方式，即以短波作为激发光源通过辐射跃迁得到长波，如图1-3所示，为钬离子(Ho3+)、铒离子(Er3+)和铥离子(Tm3+)典型的下转换能级跃迁示意图。从图中可以看出，在980nm激光激发下，其中Ho3+：5I6→5I7和Er3+：4I11/2→4I13/2的辐射跃迁分别
湘潭大学硕士学位论文6对应了2.85μm和2.7μm的红外发射。而在808nm激光激发下，Tm3+：3H4→3H5的辐射跃迁则对应了2.3μm的红外发射。图1-3Ho3+,Er3+和Tm3+的典型能级跃迁示意图[39]1.3影响稀土近中红外发光的因素1.3.1羟基(OH-)的影响以玻璃作为基质的稀土发光材料的一些光学性质，如红外荧光发射强度等通常会受到玻璃所含杂质的影响。在这些杂质中，羟基(OH-)的伸缩振动是主要因素，微量的羟基就会对近中红外光产生极强的淬灭效应[40]。图1-4可以看出，羟基在近红外区域（1.5μm、1.8μm），中红外区域（2.8μm，3.8μm）处红外几乎不可透过，会产生强的吸收宽带，对应于Tm3+：3F4→3H6辐射跃迁（1.8μm），3H5→3F4辐射跃迁（3.8μm）和Ho3+的3I6→5I7辐射跃迁(2.85μm)，羟基的存在是影响1-5μm近中红外发光的重要因素之一，基质中的羟基会显著降低稀土发光玻璃的发光效率，为获得较强的近中红外激光输出，实验中应尽量避免羟基的引入并除去基质中存在的羟基[41]。想要去除基质中的羟基首先要考虑引入羟基的因素。首先，实验药品内部会有吸附水与结合水存在，此类水分可通过在适当的温度下对药品进行干燥处理去除；而对于干燥温度的选择既要考虑到水分去除的程度，又要尽量避免在较高温度下药品可能存在的分解与变质，需结合实际条件制定出合理的除水工艺。空气中存在的水分可能会吸附到器皿及药物上。因此，合成制备的气氛需在相对干燥
【参考文献】：
期刊论文
[1]银纳米晶对铒镱共掺的TeO2-WO3-La2O3微晶玻璃发光性能的影响（英文）[J]. 陈淑文,林健,张文俊. 无机化学学报. 2018(07)
[2]Tm3+掺杂锗碲酸盐玻璃的近2μm光谱性质[J]. 高松,王欣,范小康,李科峰,廖梅松,胡丽丽. 物理学报. 2014(24)
[3]Ho3+/Yb3+共掺杂玻璃陶瓷50SiO2-50PbF2的上转换及中红外发光特性[J]. 张晓光,任国仲,杨槐. 光谱学与光谱分析. 2014(08)
[4]Influence of silver nanoparticles on Er3+up-conversion in CaF2precipitated oxyfluoride glass-ceramics[J]. 马晨硕,邱建备,周大成,杨正文,宋志国. Chinese Optics Letters. 2014(08)
[5]Ag纳米晶对Tm/Yb共掺碲酸盐玻璃上转换发光性能的影响[J]. 张文俊,林健,孙光耀,贾玉洁,钱帅,任军江,戎亮. 发光学报. 2013(05)
[6]Efficient 2.7-μm emission in Er3+-doped bismuth germanate glass pumped by 980-nm laser diode[J]. 赵国营,田颖,范慧艳,张军杰,胡丽丽. Chinese Optics Letters. 2012(09)
[7]无机多元素现代仪器分析技术[J]. 李冰,周剑雄,詹秀春. 地质学报. 2011(11)
[8]3～5μm中红外激光对抗武器系统[J]. 钟鸣,任钢. 四川兵工学报. 2007(01)
[9]2μm全固态激光器的研究进展[J]. 赵媛媛,侯霞,陈卫标. 激光与光电子学进展. 2006(06)
[10]用激光红外干扰系统保护军用和民航机[J]. 任国光,黄裕年. 激光与红外. 2006(01)
硕士论文
[1]稀土掺杂氟化物微晶玻璃的设计及其荧光性质研究[D]. 程韶君.南京邮电大学 2015
本文编号：3386254
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