杜 木,程世紅,張 麗

(遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院,遼寧大連116029)

鐿銪共摻硅酸鹽玻璃光致發(fā)光譜及上轉(zhuǎn)換分析

杜 木,程世紅,張 麗

(遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院,遼寧大連116029)

用燒結(jié)法制備了鐿銪共摻硅酸鹽玻璃系列樣品.測(cè)量了樣品在978 nm半導(dǎo)體激光器泵浦時(shí)光致發(fā)光譜,討論了上轉(zhuǎn)換機(jī)制.結(jié)果表明:隨著鐿、銪離子濃度的增加,銪在694 nm紅光波段光譜強(qiáng)度增強(qiáng).鐿銪離子之間能量傳遞主要通過合作上轉(zhuǎn)換完成.

鐿銪共摻硅酸鹽玻璃;光致發(fā)光譜;合作上轉(zhuǎn)換

1 引 言

稀土元素是指化學(xué)周期表中第ⅢB族的15個(gè)鑭系元素,鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥,以及物理化學(xué)性質(zhì)與它們非常相似的鈧和釔,計(jì)17個(gè).稀土元素有著獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì),在發(fā)光材料、永磁材料、陶瓷材料、超磁致伸縮材料、巨磁阻材料、光致冷材料和磁光存儲(chǔ)材料等新材料領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用,被稱為“21世紀(jì)的材料”[1-2].例如在光學(xué)領(lǐng)域,摻鈥激光器[3]、摻鉺光纖放大器[4]和摻釹靈敏高溫傳感器[5]等為科技發(fā)展做出重要貢獻(xiàn).

本文主要介紹了稀土元素鐿銪共摻硅酸鹽玻璃系列樣品的制備工藝、光致發(fā)光譜測(cè)量和上轉(zhuǎn)換機(jī)制分析.由于Eu3+的5D0→7FJ(J=0～6)的能級(jí)間距遠(yuǎn)大于5DJ+1→5DJ(J=0～3)的間距,因此5DJ間以多聲子弛豫過程為主,而5D0→7FJ躍遷是主要的輻射行為,是一種較好的發(fā)光材料[6-7].并且,5D0→7FJ的躍遷特征和Eu3+附近局域環(huán)境存在很強(qiáng)的關(guān)聯(lián),故Eu3+又可作為探針研究微觀結(jié)構(gòu).因此,需要對(duì)銪深入研究,讓大學(xué)生了解和學(xué)習(xí)稀土摻雜材料的制備、光譜測(cè)量以及發(fā)光機(jī)理分析等相關(guān)知識(shí),培養(yǎng)他們的創(chuàng)新精神和獨(dú)立工作能力.研究結(jié)果表明:銪692 nm光譜強(qiáng)度隨鐿和銪離子的濃度增加而明顯增強(qiáng);鐿銪之間能量傳遞主要是合作上轉(zhuǎn)換效應(yīng)導(dǎo)致的Eu3+上轉(zhuǎn)換發(fā)射.

2 樣品制備

用高溫固相燒結(jié)法制備了Yb3+∶Eu3+共摻硅酸鹽玻璃系列樣品.玻璃基質(zhì)的主要成分為m(SiO2)∶m(B2O3)∶m(Na2O)∶m(BaO)= 65.6∶14.5∶16.8∶3.1,并摻雜了0.1%, 0.3%,0.5%濃度的Yb3+(Yb2O3);對(duì)應(yīng)每種摻鐿系列又分別摻入0.1%,0.3%,0.5%濃度的Eu3+(Eu2O3).將按物質(zhì)的量比稱重的化學(xué)試劑原材料在研缽中研磨成細(xì)粉,攪拌均勻,裝入50 mL剛玉坩堝并敦實(shí),放入硅鉬高溫爐1 450℃下加熱30 min,在600℃時(shí)退火2 h,然后自然冷卻到室溫.切割、拋光后獲得φ30 mm×3 mm大小的體塊Yb3+∶Eu3+共摻硅酸鹽玻璃,共9個(gè)樣品.由于碳酸鈉和硼酸高溫下易揮發(fā),各自多加15%和20%[8].

3 鐿銪共摻硅酸鹽玻璃光致發(fā)光譜

鐿銪共摻硅酸鹽玻璃上轉(zhuǎn)換光致發(fā)光譜測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示.泵浦源為980 nm,2.0 W半導(dǎo)體激光器.泵浦激光束由會(huì)聚透鏡L1聚焦,以適當(dāng)角度照射樣品端面.熒光譜由透鏡L2收集后,經(jīng)327 Hz光學(xué)斬波器調(diào)制,進(jìn)入單光柵單色儀入射狹縫.單色儀出射狹縫耦合光電倍增管探測(cè)光譜強(qiáng)度.電信號(hào)被鎖相放大增強(qiáng)后,送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和處理.測(cè)量在室溫下進(jìn)行.

圖2是摻鐿濃度同為0.1%,摻銪濃度分別為0.1%,0.3%,0.5%的3個(gè)鐿銪共摻硅酸鹽玻璃樣品在978 nm半導(dǎo)體激光器泵浦下紅光波段的光致發(fā)光譜.可以看出,3個(gè)波形基本相似,峰值波長(zhǎng)為694 nm,且隨摻銪濃度提高,細(xì)微地向長(zhǎng)波方向紅移.從圖2可知,光譜強(qiáng)度隨摻銪濃度的增加而明顯增強(qiáng).

圖1 光致發(fā)光譜檢測(cè)光路

圖2 摻鐿0.1%不同摻銪濃度的鐿銪共摻硅酸鹽玻璃樣品光致發(fā)光譜

圖3是摻鐿濃度同為0.3%,摻銪濃度分別為0.1%,0.3%,0.5%的3個(gè)鐿銪共摻硅酸鹽玻璃樣品,仍然由978 nm激光器泵浦的光致發(fā)光譜.與圖2比較可以看到,波形相似,峰值波長(zhǎng)相同,但光譜強(qiáng)度不僅隨摻銪濃度提高而增強(qiáng),并且隨著摻鐿濃度,光譜強(qiáng)度也有明顯改善.然而,當(dāng)摻鐿雜濃度進(jìn)一步提高時(shí),如摻鐿濃度同為0.5%,摻銪濃度仍為0.1%,0.3%,0.5%,光譜增強(qiáng)明顯減緩,有飽和的趨勢(shì),如圖4所示.因此鐿銪摻雜濃度應(yīng)存在一個(gè)優(yōu)化的比例.

圖3 摻鐿0.3%不同摻銪濃度的鐿銪共摻硅酸鹽玻璃樣品光致發(fā)光譜

圖4 摻鐿0.5%不同摻銪濃度的鐿銪共摻硅酸鹽玻璃樣品光致發(fā)光譜

4 鐿銪共摻硅酸鹽玻璃上轉(zhuǎn)換分析

從圖2～4可知,光致發(fā)光譜的峰值波長(zhǎng)均為694 nm左右,屬于上轉(zhuǎn)換發(fā)光,即長(zhǎng)波長(zhǎng)(低光子能量)光源照射樣品而獲得的短波長(zhǎng)(高光子能量)光輻射.

圖5是Yb3+和Eu3+的能級(jí)簡(jiǎn)圖、上轉(zhuǎn)換機(jī)制及躍遷過程.Yb3+對(duì)980 nm附近波段的吸收截面很大,當(dāng)978 nm半導(dǎo)體激光器照射到鐿銪共摻硅酸鹽玻璃樣品時(shí),鐿離子吸收了絕大部分泵浦能量,從基態(tài)2F7/2到達(dá)2F5/2激發(fā)態(tài),即

圖5 鐿銪離子能級(jí)及躍遷簡(jiǎn)圖

同時(shí),處于2F5/2能態(tài)Stark劈裂的下能級(jí)鐿離子,通過吸收聲子的能量,躍遷至2F5/2能態(tài)Stark劈裂的上能級(jí)[9].此刻,2個(gè)處于2F5/2能態(tài)Stark劈裂上能級(jí)的鐿離子回到基態(tài)2F7/2時(shí),共同將能量傳遞給1個(gè)處于基態(tài)7F0的銪離子,產(chǎn)生合作上轉(zhuǎn)換(CUC)效應(yīng),使銪離子躍遷到5D2激發(fā)態(tài),即

5D2能級(jí)上的銪離子無輻射躍遷至5D0能級(jí),再回到低能態(tài)7F4,發(fā)射出強(qiáng)的694 nm紅光.

因此,鐿濃度適當(dāng)增加,可提高泵浦效率;銪濃度適當(dāng)增加,可提高合作上轉(zhuǎn)換效率.這2種方式都可以增強(qiáng)銪離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度.但鐿離子濃度太高,在一定的泵浦功率下,將出現(xiàn)飽和現(xiàn)象;銪濃度過高可能出現(xiàn)銪向鐿的下轉(zhuǎn)換能量傳遞.限于篇幅,不再深入討論.

5 結(jié) 論

使用高溫?zé)Y(jié)法制備了鐿銪共摻硅酸鹽玻璃系列樣品.在978 nm半導(dǎo)體激光器泵浦下,測(cè)量了樣品的光致發(fā)光譜,討論分析了上轉(zhuǎn)換機(jī)制.三價(jià)銪離子694 nm波段光譜強(qiáng)度隨鐿銪摻雜濃度提高而增強(qiáng),但隨鐿銪濃度增加升幅減緩.鐿銪之間的能量傳遞主要通過合作上轉(zhuǎn)換效應(yīng),導(dǎo)致三價(jià)銪離子發(fā)射強(qiáng)的上轉(zhuǎn)換紅光.

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Photoluminescence spectra and up-conversion analysis of Yb3+∶Eu3+co-doped silicate glasses

DU Mu,CHENG Shi-hong,ZHANG Li
(College of Physics and Electronic Technology,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)

A series of Yb3+∶Eu3+co-doped silicate glasses have been prepared by high-temperature melting.The photoluminescence(PL)spectra of the samples are measured(excited with a 978 nm semiconductor laser),and up-conversion mechanism is discussed.The results show that the PL intensity of Eu3+ions at 694 nm enhances with increasing Yb3+,Eu3+concentration.The energy transfer between Yb3+and Eu3+ions is achieved mainly through the cooperative up-conversion.

Yb3+∶Eu3+co-doped silicate glass;photoluminescence spectrum;cooperative upconversion

O493.3;O614.33

A

1005-4642(2010)02-0008-03

[責(zé)任編輯:任德香]

2009-08-05;修改日期:2009-12-16

遼寧省科技廳項(xiàng)目(No.20062137)

杜 木(1962-),男,遼寧大連人,遼寧師范大學(xué)物理與電子技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)師,學(xué)士,主要從事電子測(cè)量和稀土發(fā)光研究.