黃 丹
(吉林建筑大學城建學院,吉林長春 130000)
連續(xù)激光激發(fā)稀土材料的上轉(zhuǎn)換發(fā)光
黃 丹
(吉林建筑大學城建學院,吉林長春 130000)
本文用實驗的方法對稀土發(fā)光材料Pr3+∶ZBLAN玻璃進行上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究。利用532 nm連續(xù)激光激發(fā)4種不同Pr3+離子濃度的Pr3+∶ZBLAN玻璃材料,首先測定了其250~510 nm的上轉(zhuǎn)換熒光光譜,觀察到可見到近紫外區(qū)域的上轉(zhuǎn)換發(fā)光。通過測量不同激發(fā)功率和上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度的依賴關系,確定了上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制為ESA和ETU的協(xié)同作用。最后對其能級躍遷過程進行詳細的討論。為連續(xù)激光激發(fā)Pr3+∶ZBLAN玻璃的上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究開展了先例,研究結果對于該類材料的進一步研究具有重要的理論與應用價值。
稀土材料;532 nm連續(xù)激光器;上轉(zhuǎn)換發(fā)光
眾所周知,上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是實現(xiàn)短波長全固態(tài)激光器的重要手段之一,因此人們對紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究也越來越感興趣[1-5]。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料中的重金屬氟化物玻璃,具有從紫外到紅外的高透明性、低的聲子能量和較高的發(fā)光效率,所以這種材料在上轉(zhuǎn)換激光器和光纖放大器中得到了廣泛的應用[6]。在氟化物玻璃中,ZBLAN玻璃是一種性能優(yōu)越、相對容易制備的玻璃材料,所以我們選擇了ZBLAN玻璃作為基質(zhì)材料。在稀土離子中,Pr3+是重要的光學激活劑,它在激光激發(fā)下能得到紫外、可見和紅外區(qū)域的發(fā)光,因此我們選擇Pr3+離子作為激活離子。目前實現(xiàn)紫外上轉(zhuǎn)換的方法有很多,有通過多光子ESA上轉(zhuǎn)換過程來實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換紫外發(fā)光,這種方法很難實現(xiàn);也有通過多種上轉(zhuǎn)換機理的協(xié)同作用來實現(xiàn)紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光,尤其是ESA和ETU的協(xié)同作用,這種方法是一種重要而普遍的方法。例如:Wang等人用488 nm的Ar+激光器激發(fā)Pr3+∶Y2SiO5晶體時,通過多光子ESA的上轉(zhuǎn)換機制實現(xiàn)了紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光[2];Chen等人在Tm3+/Yb3+共摻氟化物玻璃中通過ETU和CR的協(xié)同作用觀察到了六光子的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程[3];Qin等人在用980 nm激光器激發(fā)Gd3+/Tm3+/Yb3+共摻的納米晶體中,通過ESA、CR和ETU的協(xié)同作用有效地實現(xiàn)了紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光[4]等。可以看出由多種上轉(zhuǎn)換機制的協(xié)同作用所實現(xiàn)的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光的效率較高。雖然已有很多有關紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究,但是到目前為止,對于532 nm CW激光激發(fā)Pr3+∶ZBLAN玻璃所產(chǎn)生的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光的現(xiàn)象還沒有研究,本文主要對532 nm CW激光激發(fā)Pr3+∶ZBLAN玻璃產(chǎn)生可見—紫外區(qū)域的上轉(zhuǎn)換發(fā)光進行首次研究,本文通過ESA和ETU的上轉(zhuǎn)換機制協(xié)同作用來產(chǎn)生的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光,這種方法可以提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光的發(fā)光效率。
1.1 實驗過程
首先采用532 nm的單光束CW激光激發(fā)樣品,通過焦距為10 cm的石英透鏡將CW激光收集并打到Pr3+∶ZBLAN玻璃樣品上,樣品發(fā)出熒光,之后在垂直于激光的方向上,用焦距為15 cm的石英透鏡將激光誘導Pr3+∶ZBLAN玻璃的熒光收集到單色儀的入射狹縫中,接著通過與單色儀出射狹縫連接的光電倍增管(PMT)把光信號轉(zhuǎn)換放大成電信號,PMT通過光譜儀(NCL)與計算機相連,最后電信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸入到計算機中,由計算機記錄該樣品的上轉(zhuǎn)換熒光光譜。所有實驗都是在室溫條件下進行的。
1.2 實驗儀器
本實驗中主要使用的儀器設備如下:
(1)激光器:532 nm CW激光器,其最大輸出功率為200 mW。
(2)樣品:四種不同濃度的Pr3+∶ZBLAN玻璃樣品,其Pr3+離子的摻雜濃度分別為0.05、0.5、1以及3 mol%。
(3)單色儀,光電倍增管。
(4)石英透鏡(兩塊):直徑6 cm,焦距15 cm/10 cm。
Yang和Du等人已經(jīng)給出1 mol%的Pr3+∶ZBLAN玻璃的可見以及紫外區(qū)域的吸收光譜圖的數(shù)據(jù)[7-8],圖1中的峰值吸收帶分別對應于基態(tài)3H4能級到激發(fā)態(tài)1S0、3P2、3P1、3P0和1D2能級的吸收躍遷,對于其它濃度(0.05、0.5、3 mol%)樣品的吸收譜與其相似,僅僅是吸收的強度不同,它們的吸收強度分別與Pr3+離子摻雜的濃度成正比。根據(jù)其所測得的吸收光譜,確定在基質(zhì)ZBLAN玻璃中Pr3+離子的一些能級位置,如圖1所示。
圖1 ZBLAN玻璃中Pr3+離子的能級位置圖
實驗中采用532 nm單光束CW激光激發(fā)Pr3+∶ZBLAN玻璃,并記錄了4種不同濃度的Pr3+離子樣品的可見到紫外區(qū)域(250~510 nm)的上轉(zhuǎn)換熒光光譜,如圖2所示。
從圖2中可觀察到可見—紫外區(qū)域的熒光發(fā)射,它們的發(fā)光中心分別位于270 nm、335 nm、398 nm、411 nm、440 nm、455 nm、479 nm和493 nm,這些發(fā)光所對應的能級躍遷分別為1S0→1G4、1S0→1D2、1S0→3P0、1S0→3P2、3P2→3H4、3P1→3H4、3P0→3H4和3P2→3H5??梢钥闯?,532 nm CW激光激發(fā)下的所有熒光發(fā)射都來自于1S0和3PJ(J=1、2、3)能級的向下躍遷。不同濃度的Pr3+離子所對應的發(fā)光中心都相同但發(fā)光強度不同,隨著Pr3+離子濃度的增加上轉(zhuǎn)換熒光強度逐漸增強,到1 mol%最強,然而對于濃度達到3 mol%的樣品的熒光強度急劇減弱,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于激活離子的濃度猝滅現(xiàn)象。因此,在Pr3+∶ZBLAN玻璃中,Pr3+離子濃度的優(yōu)選對于其上轉(zhuǎn)換發(fā)光強度以及其上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率具有重要意義。
圖2 532 nm CW激光激發(fā)Pr3+:ZBLAN玻璃的熒光光譜
為了理解上轉(zhuǎn)換過程的發(fā)光機理,通過激發(fā)光路中插入不同中性密度濾光片來改變其激發(fā)光功率,從而得到不同激發(fā)功率和上轉(zhuǎn)換熒光強度的雙對數(shù)曲線關系,如圖3所示。
圖3 532 nm CW上轉(zhuǎn)換熒光光譜與泵浦功率的依賴關系圖
從圖3中可以觀察到能級1S0、3P2、3P1、3P0的熒光強度與泵浦激光功率的依賴關系。在雙對數(shù)坐標中,1S0、3P2、3P1、3P0的曲線的斜率分別為1.90、1.68、1.89、1.88。由此可知,可見到紫外區(qū)域的熒光是由雙光子過程產(chǎn)生的。
在ZBLAN玻璃中Pr3+離子的能級位置圖(圖1)展示了532 nm CW激光激發(fā)Pr3+∶ZBLAN玻璃的能級躍遷圖,如圖4所示。1S0和3PJ能級的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制可由ESA、ETU以及光子雪崩過程實現(xiàn),然而在本實驗中并沒有觀察到光子雪崩現(xiàn)象,因此可以排除此現(xiàn)象。所以對于1S0和3PJ能級產(chǎn)生的可見到紫外區(qū)域的上轉(zhuǎn)換發(fā)光是由ESA和ETU的協(xié)同作用實現(xiàn)的。
圖4 532 nm CW激光激發(fā)Pr3+:ZBLAN玻璃的能級躍遷圖
Pr3+離子首先通過GSA過程由基態(tài)3H4能級被激發(fā)到1D2能級,然后被激發(fā)到1D2能級,Pr3+離子通過ETU過程被激發(fā)到3P2能級,這個能量傳遞過程為1D2+1D2→1G4+3P2+聲子。同時另一種被激發(fā)到3P2能級的可能性是由于從3H5到3P2的ESA過程,這個過程要求GSA過程匹配得很好。因此3P2能級產(chǎn)生了峰值波長位于440 nm和493 nm的可見上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射;同時位于3P2能級的光子通過無輻射馳豫躍遷到3P1和3P0能級,結果導致了峰值為455 nm和479 nm的上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射。之后被激發(fā)到3P2能級的一對Pr3+離子,其中一個Pr3+離子失去能量躍遷到更低的能級3H4,同時另一個Pr3+離子獲得能量并通過聲子輔助的作用躍遷到1S0能級,這個過程是3P2+3P2+聲子→3H4+1S0。從而實現(xiàn)了1S0能級發(fā)出的峰值為270 nm、335 nm、398 nm、411 nm的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光。因此,對于532 nm CW激光激發(fā)Pr3+:ZBLAN玻璃的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機制是由ESA和ETU的協(xié)同作用實現(xiàn)的。
本文采用實驗的方法,分析了532 nm CW激光激發(fā)Pr3+∶ZBLAN玻璃的上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程。首先,在532 nm CW激光激發(fā)下,測量了4種不同濃度(0.05、0.5、1、3 mol%)Pr3+∶ZBLAN玻璃的上轉(zhuǎn)換熒光光譜,觀察到了可見—紫外區(qū)域的上轉(zhuǎn)換發(fā)光,對于不同濃度的Pr3+∶ZBLAN玻璃樣品發(fā)光位置都相同,但其熒光強度不同,隨著Pr3+離子濃度的增加,上轉(zhuǎn)換熒光強度逐漸增強直到1 mol%為止,然而當濃度達到3 mol%時熒光強度急劇減弱,造成這種現(xiàn)象的原因是濃度猝滅現(xiàn)象。之后,為了更好地理解上轉(zhuǎn)換發(fā)光機理,我們測量了不同激光功率激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換熒光光譜,通過Origin軟件的線性擬合得到532 nm CW激光激發(fā)Pr3+∶ZBLAN玻璃的上轉(zhuǎn)換熒光強度與泵浦功率的關系圖,根據(jù)擬合出的雙對數(shù)曲線的斜率n值,得出了對于1S0、3P0、3P1和3P2能級產(chǎn)生的熒光發(fā)射屬于兩光子上轉(zhuǎn)換過程;確定了532 nm CW激光激發(fā)Pr3+∶ZBLAN玻璃的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機理,其上轉(zhuǎn)換發(fā)光機理為ESA和ETU共同作用的過程,主要的能量傳遞過程包括兩個:1D2+1D2→1G4+3P2+聲子和3P2+3P2+聲子→3H4+1S0。最后對其能級躍遷過程進行了詳細的討論與分析。由于時間有限,沒有將這種連續(xù)激光激發(fā)樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光拓展到其他稀土發(fā)光材料中,今后可以將這種實驗方法應用到其他稀土樣品中。
[1]徐時清,馬洪萍,張在宣.三維立體顯示用稀土摻雜氧鹵碲酸鹽玻璃[J].稀土金屬材料與工程,2005(7):1173-1176.
[2]Wang X S,Qin J R,Song J,et al.Simultaneous three-photon absorption induced ultraviolet upconversion in Pr3+∶Y2SiO5crystal by femtosecond laser irradiation[J].Opt.Commun,2008(281):299-302.
[3]Chen X,Song Z.Exploring light propagating in photonic crystals with Fourier optics[J].J.Opt.Soc.Am.B, 2007(24):2964-2971.
[4]Qin W P,Cao C Y,Wang L L,et al. Ultraviolet upconversion fluorescence from6DJof Gd3+induced by 980 nm excitation [J].Opt.Lett,2008(33):2167-2169.
[5]Nicola S,Descrolx E,Joubert M F,et al.Potentiality of Pr3+-and Pr3++ Ce3+-doped crystals for tunable UV upconversion lasers[J].Opt.Mater,2003(22):139-146.
[6]徐東勇,臧競存.上轉(zhuǎn)換激光和上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的研究進展[J].人工晶體學報,2001(30):203-210.
[7]Yang H G,Dai Z W,Li J F,et al.Characteristic of the1S0level in Pr3+∶ZBLAN glass by two-step excitation[J]. J.Non-Cryst.Solids,2010(356):1819-1822.
[8]Du S,Jiang L,Yang H G,et al.Energy transfer and frequency upconversion in Pr3+-doped ZBLAN glass[J].J.Non-Cryst. Solids,2006(352):5469-5474.
Up-conversionLuminescenceofRareEarthMaterialsUnderContinuousLaserExcitations
HUANG Dan
(City College of Jilin University Architecture,Changchun Jilin 130000,China)
In this paper, the experimental study of the rare earth luminescent material Pr3+∶ ZBLAN glass on the conversion of luminescence research. The up-conversion spectra of 250~510 nm were first measured by using Pr3+∶ZBLAN glass materials with different Pr3+ion concentrations at 532 nm. The up-conversion luminescence was observed in the near ultraviolet region. The synergetic effect of the up-conversion luminescence mechanism on ESA and ETU was determined by measuring the dependence of different excitation power and up-conversion luminescence intensity. Finally, the process of energy level transition is discussed in detail. In this paper, the forward laser luminescence of Pr3+∶ZBLAN glass is studied. The results of this paper are of great theoretical value and application value for the further study of this kind of materials.
rare earth materials;532 nm continuous lasers;up-conversion luminescence
O433.1
A
2095-7602(2017)10-0006-05
2017-04-17
黃 丹(1989- ),女,助教,碩士研究生,從事材料發(fā)光研究。