梁延杰，劉景偉，閆 劭，陳東訊，王笑軍

（1.山東大學(xué)材料液固演變與加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東濟(jì)南 250061；2.Department of Physics，Georgia Southern University，Statesboro，GA 30460，USA）

1 引 言

紫外線是地球表面太陽(yáng)光的重要組成部分，與地球上人類和動(dòng)植物的生命活動(dòng)息息相關(guān)。雖然紫外光不能被人類的眼睛所感知，但在殺菌消毒、水與空氣凈化、皮膚病光療、癌癥光動(dòng)力治療、保密通訊以及光學(xué)定位與追蹤等領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的應(yīng)用前景[1-8]。目前在紫外光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域常見(jiàn)的人工光源是氣體放電類型燈具，但這類光源具有外形體積大、使用壽命短以及使用過(guò)程中燈泡溫度高等缺點(diǎn)[9]。近年來(lái)出現(xiàn)的紫外LED在某些方面改進(jìn)了氣體放電類型紫外光源的不足，展現(xiàn)出很好的應(yīng)用前景[10]。但是，考慮到目前紫外LED芯片復(fù)雜的制備工藝、高生產(chǎn)成本以及低外量子效率，開(kāi)發(fā)新型紫外光源將非常有助于紫外光技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料是一類能夠?qū)㈤L(zhǎng)波長(zhǎng)近紅外光或可見(jiàn)光轉(zhuǎn)換為短波長(zhǎng)紫外光的物質(zhì)，其低能光子吸收高能光子發(fā)射的特性在固態(tài)激光器、殺菌消毒和光醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了實(shí)際應(yīng)用[11]。紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的典型組成是摻雜稀土離子的無(wú)機(jī)鹽類化合物，主要包括摻雜Tm3+、Er3+和Yb3+等激活劑離子的固態(tài)晶體材料和納米粒子[12]。在過(guò)去幾年，紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的開(kāi)發(fā)和研究主要集中在通過(guò)高能量密度近紅外激光激發(fā)實(shí)現(xiàn)紫外上轉(zhuǎn)換光發(fā)射。例如，吉林大學(xué)秦偉平教授課題組在近紅外光激發(fā)下高階多光子上轉(zhuǎn)換過(guò)程及其強(qiáng)紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光這一領(lǐng)域做出了重要貢獻(xiàn)，提出了稀土離子團(tuán)簇合作敏化上轉(zhuǎn)換物理機(jī)制。通過(guò)多光子過(guò)程，合作敏化可以間接激發(fā)多種稀土離子（Gd3+、Tm3+、Er3+、Yb3+），進(jìn)而將近紅外光轉(zhuǎn)化為不同波長(zhǎng)的高能紫外光[13-18]。中國(guó)香港城市大學(xué)王鋒教授課題組報(bào)道了系列稀土離子激活的核殼結(jié)構(gòu)紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米粒子，通過(guò)稀土離子之間的能量傳遞和能量遷移過(guò)程，在近紅外激光（1 532 nm、980 nm或808 nm）激發(fā)下，分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)Er3+的4G11/2→4I15/2能級(jí)躍遷（382 nm）、Tm3+的1I6→3H6（290 nm）和1I6→3F4能級(jí)躍 遷（350 nm）、Gd3+的6P7/2→8S7/2能 級(jí) 躍 遷（311 nm）以及Ce3+的4f5d→2F7/2，2F5/2能級(jí)躍遷的紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光[19-22]。中國(guó)香港理工大學(xué)Siu Fung Yu教授課題組基于Yb3+-Tm3+離子對(duì)的多光子上轉(zhuǎn)換過(guò)程，利用980 nm近紅外光激發(fā)實(shí)現(xiàn)了紫外激光發(fā)射[23-24]。

然而，近紅外光激發(fā)紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光過(guò)程是通過(guò)連續(xù)吸收三個(gè)或三個(gè)以上的近紅外光子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在多光子紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光過(guò)程中，稀土離子中間能級(jí)會(huì)發(fā)生輻射躍遷或非輻射能量損失，從而導(dǎo)致材料的上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率非常低[11]。而可見(jiàn)光激發(fā)的雙光子紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光過(guò)程通常僅涉及一個(gè)中間能級(jí)，可以有效提高上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率。目前在Ho3+和Er3+摻雜發(fā)光材料中，通過(guò)激發(fā)態(tài)吸收和能量傳遞過(guò)程實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光激發(fā)下的紫外上轉(zhuǎn)換光發(fā)射已有相關(guān)報(bào)道[25-26]。除了利用Ho3+和Er3+的4f→4f能級(jí)躍遷產(chǎn)生紫外光發(fā)射，Pr3+也可以通過(guò)4f5d激發(fā)態(tài)能級(jí)產(chǎn)生高效寬帶深紫外發(fā)光且4f→4f5d躍遷由于宇稱允許而表現(xiàn)出更強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收特性[27]。例如，Sun等在2006年就報(bào)道了488 nm藍(lán)光激光激發(fā)下Y2SiO5∶Pr3+單晶中的C區(qū)紫外（UVC,200～280 nm）發(fā)光現(xiàn)象[28]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用Pr3+的3PJ（J=0，1，2）激發(fā)態(tài)能級(jí)作為中間能級(jí)，成功地在一系列氧化物和氟氧化物基質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了源自Pr3+4f5d高能激發(fā)態(tài)的深紫外光發(fā)射[29-35]。而且，通過(guò)Pr3+與Gd3+之間的高效能量傳遞還可以在藍(lán)光激發(fā)下實(shí)現(xiàn)Gd3+在313 nm左右的窄帶B區(qū)紫外（UVB,280～320 nm）光發(fā)射，在皮膚病光療等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值[36-38]。例如，東北師范大學(xué)劉峰課題組基于Lu2Pr0.01Gd0.99Al2Ga3O12上轉(zhuǎn)換熒光粉作為光轉(zhuǎn)換材料，提出了熒光粉轉(zhuǎn)換紫外光源設(shè)計(jì)[9]。該紫外光源在450 nm激光輻照下產(chǎn)生峰值位于313 nm的窄帶UVB光發(fā)射，可用于室內(nèi)明亮環(huán)境下的示蹤和指示。然而，高能量密度藍(lán)光激光作為激發(fā)源通常是Pr3+摻雜材料能夠產(chǎn)生深紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光的前提。如何使用低成本、容易獲得的藍(lán)光LED直接激發(fā)實(shí)現(xiàn)Pr3+深紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光并進(jìn)行熒光轉(zhuǎn)換型紫外光源的設(shè)計(jì)，仍然值得期待。

本文提出利用LiYSiO4作為基質(zhì)材料，通過(guò)Pr3+單摻和Pr3+-Gd3+共摻雜，分別實(shí)現(xiàn)了藍(lán)光激發(fā)下的UVC和窄帶UVB波段上轉(zhuǎn)換發(fā)光，并且通過(guò)藍(lán)光LED與LiYSiO4∶Pr3+深紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料組合設(shè)計(jì)了熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源，展示了該深紫外光源在室外光學(xué)定位與追蹤領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材料合成

一定化學(xué)計(jì)量比的Li2CO3、Y2O3、Gd2O3、Pr6O11和SiO2粉末在瑪瑙研缽中研磨使其充分混合，混合好的粉末樣品在馬弗爐中800℃預(yù)燒5 h。預(yù)燒后的粉末經(jīng)過(guò)重新研磨后，在1 100℃下燒結(jié)8 h得到LiYSiO4∶Pr3+和Li（Y,Gd)SiO4∶Pr3+深紫外上轉(zhuǎn)換熒光粉。同時(shí)，利用粉末壓片機(jī)將一定量預(yù)燒后的樣品壓成直徑約為11 mm、厚度約為1 mm的圓片。然后，將壓制成型后的圓片在1 100℃下燒 結(jié)8 h得 到LiYSiO4∶Pr3+和Li（Y,Gd)SiO4∶Pr3+深紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光陶瓷。

2.2 材料表征

本研究使用日本理學(xué)公司DMAX-2500PC粉末X射線衍射儀對(duì)制備樣品的物相組成和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。使用英國(guó)愛(ài)丁堡儀器公司FLS1000熒光光譜儀進(jìn)行上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜測(cè)試，以450 nm半導(dǎo)體激光器（MDL-Ⅲ-450-500 mW，長(zhǎng)春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司）作為激發(fā)光源，并且不使用聚焦透鏡進(jìn)行聚焦。450 nm激光器距離樣品2 m時(shí)，激發(fā)光斑大小約為0.4 cm2；距離為5 m時(shí)，激發(fā)光斑大小約為0.8 cm2。使用具有日盲紫外和可見(jiàn)光雙光譜通道的日盲紫外成像儀（WNZW-01，蘇州微納激光光子技術(shù)有限公司）來(lái)直觀形象地探測(cè)室內(nèi)和室外明亮環(huán)境條件下的UVC發(fā)光信號(hào)。日盲紫外成像儀最后拍攝得到的圖像是兩個(gè)光譜通道的疊加像，其中的紅色區(qū)域代表UVC發(fā)光信號(hào)，其面積越大，表示UVC發(fā)光越強(qiáng)，詳細(xì)成像原理可參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[31,39]。使用具有UVB光和可見(jiàn)光雙光譜通道的室內(nèi)型紫外相機(jī)（DayCor?Scalar，以色列OFIL公司）探測(cè)室內(nèi)明亮環(huán)境條件下的窄帶UVB發(fā)光信號(hào)。最后得到的圖像是兩個(gè)光譜通道成像信號(hào)的疊加，其中紫色區(qū)域代表UVB發(fā)光信號(hào)，其面積越大，表示UVB發(fā)光越強(qiáng)。

2.3 熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源的構(gòu)筑

將LiYSiO4∶Pr3+熒光粉均勻分散在聚二甲基硅氧烷（PDMS）中，制備了半透明的光轉(zhuǎn)換薄膜，其中熒光粉與PDMS的質(zhì)量比約為1∶1。將光轉(zhuǎn)換薄膜與450 nm藍(lán)光LED芯片（LEDGUHON，10 W，445～450 nm）組合構(gòu)筑便攜式熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源。

3 結(jié)果與討論

3.1 物相組成與結(jié)構(gòu)

圖1（a）為L(zhǎng)iYSiO4的晶體結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，LiYSiO4晶體具有橄欖石結(jié)構(gòu)，空間群為Pnma[40]。Li+和Y3+分別與6個(gè)O2-配位形成[LiO6]和[YO6]八 面 體，Si原 子 與4個(gè)O原 子 配 位 形成[SiO4]四面體。考慮到Y(jié)3+（r=0.09 nm，CN=6)和Pr3+（r=0.099 nm，CN=6)的離子半徑相近且化合價(jià)相同，Pr3+離子傾向于占據(jù)基質(zhì)晶格中Y3+離子的格 位。圖1（b）為L(zhǎng)iYSiO4∶Pr3+的X射 線衍射譜。由于LiTmSiO4和LiYSiO4的晶格參數(shù)差異較小，選用LiTmSiO4的標(biāo)準(zhǔn)卡片作為參考。從圖中可以看出，不同Pr3+摻雜濃度樣品的衍射峰均與標(biāo)準(zhǔn)卡片相一致，表明所制備的LiYSiO4∶Pr3+材料為純相且不同濃度的Pr3+離子摻雜并未對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。

圖1 （a）LiYSiO4的晶體結(jié)構(gòu)圖；（b）LiYSiO4∶x%Pr（x=0.5，1，3，5）的X射線衍射譜。Fig.1（a）Crystal structure of LiYSiO4 crystal.（b）XRD patterns of LiYSiO4∶x%Pr（x=0.5，1，3，5）phosphors.

3.2 深紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能分析

圖2（a）是LiYSiO4∶1%Pr3+樣 品 在 不 同 功 率450 nm藍(lán)光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜。隨著450 nm藍(lán)光激發(fā)功率（P）的增加，樣品的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度（I）增強(qiáng)，而樣品的發(fā)射光譜譜形和發(fā)射峰基本保持不變。其中，UVC區(qū)的寬帶發(fā)射（峰值位于280 nm）源自Pr3+的4f5d→3HJ（J=4，5，6）能級(jí)躍遷，而280～370 nm范圍內(nèi)的紫外光發(fā)射（峰值位于310 nm）主要來(lái)自于Pr3+的4f5d→3FJ（J=2，3，4）能級(jí)躍遷[41-42]。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下（圖2（b）），通過(guò)線性擬合可以得到一條斜率為1.91的直線。擬合結(jié)果表明,在450 nm藍(lán)光激發(fā)下，Pr3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光為雙光子過(guò)程，即處于基態(tài)3H4能級(jí)的Pr3+吸收一個(gè)450 nm藍(lán)光光子的能量躍遷到3PJ亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，然后通過(guò)激發(fā)態(tài)吸收或能量傳遞過(guò)程再吸收一個(gè)450 nm藍(lán)光光子，最終被激發(fā)到4f5d高能激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的Pr3+經(jīng)過(guò)無(wú)輻射躍遷弛豫到最低的4f5d發(fā)射態(tài)，然后躍遷回基態(tài)，并發(fā)射一個(gè)高能量的UVC光子。

圖2 （a）LiYSiO4∶1%Pr3+在不同功率450 nm藍(lán)光激光激發(fā)下的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜；（b）在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，LiYSiO4∶1%Pr3+的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度隨450 nm激光激發(fā)功率的變化曲線。Fig.2（a）Power dependence of upconversion luminescence spectra of LiYSiO4∶1%Pr3+upon 450 nm laser excitation.（b）Double logarithmic plot of UVC emission intensity at 280 nm（I）versus the excitation power of 450 nm laser（P）.

圖3（a）是不同Pr3+摻雜濃度樣品的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光照片。在500 mW 450 nm藍(lán)光激光激發(fā)下，LiYSiO4∶x%Pr3+（x=0.5，1，3，5)樣品均展現(xiàn)出強(qiáng)烈的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光，其中Pr摻雜濃度為1%的樣品具有最強(qiáng)的UVC發(fā)光信號(hào)。而當(dāng)450 nm藍(lán)光激光關(guān)閉后，則觀察不到任何的UVC發(fā)光。圖3（b）是LiYSiO4∶1%Pr3+樣品在不同藍(lán)光激發(fā)功率下的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光圖像。樣品的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度隨著藍(lán)光激光激發(fā)功率的增加而增大，與圖2（a）中的發(fā)射光譜結(jié)果一致。

圖3 （a）450 nm藍(lán)光（500 mW）激發(fā)下，使用日盲紫外成像儀拍攝得到的LiYSiO4∶x%Pr（x=0.5，1，3，5）的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光圖像；（b）LiYSiO4∶1%Pr3+在不同功率（30～500 mW）藍(lán)光激光激發(fā)下的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光圖像。Fig.3（a）UVC upconversion luminescence images of LiYSiO4∶x%Pr3+（x=0.5，1，3，5）phosphors.（b）UVC upconversion luminescence images of LiYSiO4∶1%Pr3+phosphor under different excitation powers.

在實(shí)現(xiàn)Pr3+的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光的基礎(chǔ)上，我們還通過(guò)共摻雜Gd3+，利用Pr3+→Gd3+高效能量傳遞，在Li（Y,Gd)SiO4∶Pr3+材料中實(shí)現(xiàn)了450 nm藍(lán)光激發(fā)下的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光，發(fā)光峰值位于313 nm處，源 于Gd3+的6P7/2→8S7/2能 級(jí) 躍 遷。圖4（a）是LiY1-yGdySiO4∶1%Pr3+（y=0.02，0.05，0.1，0.2)樣品在450 nm藍(lán)光激光激發(fā)下的發(fā)射光譜。在450 nm藍(lán) 光 激 發(fā) 下，LiY1-yGdySiO4∶1%Pr3+樣 品 的發(fā)射光譜都呈現(xiàn)出峰值位于313 nm處的銳線發(fā)射，并且其發(fā)光強(qiáng)度與Gd3+摻雜濃度具有直接關(guān)系。隨著Gd3+摻雜濃度的增加，窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度先增加后減小，在Gd3+摻雜濃度為0.05時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)Pr3+→Gd3+的能量傳遞效率最高，如圖4（a）中插圖所示。圖4（b）是在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下繪制的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度與450 nm藍(lán)光激光激發(fā)光功率的關(guān)系。從圖中可以看到，擬合曲線完美符合線性關(guān)系并得到擬合函數(shù)I∝P1.84，說(shuō)明Gd3+的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光符合雙光子激發(fā)過(guò)程。圖4（c）是LiY1-yGdySiO4∶1%Pr3+樣品的雙光子上轉(zhuǎn)換激發(fā)過(guò)程和Pr3+→Gd3+能量傳遞過(guò)程示意圖。在450 nm藍(lán)光激光輻照下，首先使位于3H4基態(tài)的電子躍遷到3PJ中間能級(jí)，處于3PJ激發(fā)態(tài)能級(jí)的電子會(huì)再吸收一個(gè)450 nm藍(lán)光光子的能量躍遷至Pr3+的4f5d能級(jí)，由于4f5d高能態(tài)與Gd3+的6PJ能級(jí)之間具有很好的能量匹配，處于Pr3+離子4f5d能級(jí)的激發(fā)態(tài)電子可以高效地傳遞給Gd3+并產(chǎn)生6P7/2→8S7/2特征躍遷發(fā)射。

圖4 （a）LiY1-yGdySiO4∶1%Pr3+（y=0.02，0.05，0.1，0.2）的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜，插圖是不同Gd3+摻雜濃度下，樣品的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度；（b）在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，LiY0.95Gd0.05SiO4∶1%Pr3+的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度隨450 nm激光激發(fā)功率的變化曲線；（c）Pr3+→Gd3+能量傳遞過(guò)程示意圖。Fig.4（a）Narrowband UVB upconversion luminescence spectra of LiY1-yGdySiO4∶1%Pr3+phosphors（y=0.02，0.05，0.1，0.2）under the excitation of 450 nm blue laser.（b）Double logarithmic diagram of narrowband UVB upconversion luminescence intensity versus excitation power of 450 nm laser.（c）Schematic illustration of Pr3+→Gd3+energy transfer process.

3.3 光學(xué)定位與追蹤應(yīng)用

由于地球臭氧層對(duì)太陽(yáng)輻射出紫外線的強(qiáng)吸收作用，UVC頻帶的紫外光被臭氧層完全吸收而不會(huì)到達(dá)地表位置。同時(shí)，到達(dá)地球表面的紫外線中UVB光只占不到2%，剩余的主要是波長(zhǎng)范圍在320～400 nm之間的UVA光。此 外，UVB光由于建筑物墻壁和窗玻璃的阻擋，在室內(nèi)正常環(huán)境中也不存在。借助于室內(nèi)正常環(huán)境光線條件下無(wú)UVB光信號(hào)干擾的特點(diǎn)，具有UVB發(fā)光性能的材料可以在室內(nèi)被紫外相機(jī)特異性識(shí)別且不受室內(nèi)環(huán)境光的影響，從而在室內(nèi)光學(xué)定位與追蹤領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力[8]。圖5展示了使用室內(nèi)型紫外相機(jī)拍攝的LiY0.95Gd0.05SiO4∶1%Pr3+樣品在不同室內(nèi)場(chǎng)景下的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光圖像。在450 nm藍(lán)光激光照射下，樣品都可以產(chǎn)生很強(qiáng)的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光并可以被室內(nèi)型紫外相機(jī)清晰、準(zhǔn)確地捕捉，從而進(jìn)行室內(nèi)關(guān)鍵目標(biāo)的監(jiān)測(cè)與定位。同時(shí)，利用藍(lán)光激光光源的高度準(zhǔn)直光束可以保證遠(yuǎn)距離定位的穩(wěn)定性和可行性。

圖5 LiY0.95Gd0.05SiO4∶1%Pr3+樣品的室內(nèi)光學(xué)定位與追蹤應(yīng)用。使用具有UVB光和可見(jiàn)光雙光譜通道的室內(nèi)型紫外相機(jī)拍攝粘貼在不同目標(biāo)物上的LiY0.95Gd0.05SiO4∶1%Pr3+陶瓷片的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光，激發(fā)光源為450 nm藍(lán)光激光。（a）拍攝距離約為2 m；（b）拍攝距離約為5 m；（c）拍攝距離約為5 m。材料的窄帶UVB上轉(zhuǎn)換發(fā)光信號(hào)用紫色區(qū)域表示。Fig.5 Indoor optical locating and tracking application of LiY0.95Gd0.05SiO4∶1%Pr3+phosphor.The narrowband UVB upconversion luminescence from the phosphor discs adhered on different target objects were taken by an Ofli DayCor?Scalar camera，which can take bi-spectral UVB（for 308-321 nm）-visible images.The excitation source is 450 nm blue laser.The imaging distance is about 2 m（a），5 m（（b）-（c）），respectively.The narrowband UVB upconversion luminescence signal is demonstrated as purple patterns.

結(jié) 合LiYSiO4∶Pr3+在450 nm藍(lán) 光 激 發(fā) 下 的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性和地球表面無(wú)UVC光信號(hào)干擾的特點(diǎn)，可以利用LiYSiO4∶Pr3+上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料與藍(lán)光LED芯片組合構(gòu)筑熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源，在室外環(huán)境下進(jìn)行目標(biāo)的跟蹤和識(shí)別應(yīng)用。為了證明我們所構(gòu)筑的便攜式UVC光源的光學(xué)定位與追蹤能力，利用日盲紫外成像儀在室外不同場(chǎng)景下進(jìn)行了UVC成像實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。圖6（a）展示了我們所構(gòu)筑的便攜式熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源（a1）以及在接通電源后使用可見(jiàn)光通道和雙光譜通道（可見(jiàn)光通道和UVC通道）拍攝得到的發(fā)光圖像（a2和a3）。該UVC光源是使用450 nm藍(lán)光芯片（10 W）與含有LiYSiO4∶1%Pr3+熒光粉的PDMS發(fā)光薄膜組合而成，整套裝置可以利用小型移動(dòng)電源進(jìn)行供電驅(qū)動(dòng)。借助該新型便攜式UVC光源以及地球表面無(wú)UVC光信號(hào)干擾的特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)室外遠(yuǎn)距離的高信噪比光學(xué)定位與追蹤應(yīng)用，如圖6（b）、（c）所示。在50 m以上的遠(yuǎn)距離條件下，該UVC光源所產(chǎn)生的UVC光可以被日盲紫外成像儀準(zhǔn)確地捕捉，且不會(huì)受到室外任何環(huán)境光線的影響。與之相比，通過(guò)正常數(shù)碼相機(jī)或者人眼，由于距離太遠(yuǎn)而無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別和追蹤目標(biāo)（b1和c1）。該便攜式UVC上轉(zhuǎn)換光源克服了傳統(tǒng)紫外汞燈含有重金屬元素和不易攜帶的缺點(diǎn)以及紫外LED芯片制造工藝復(fù)雜的不足，有望在室外光學(xué)定位與追蹤以及殺菌消毒等領(lǐng)域有所應(yīng)用。

圖6 便攜式熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源的室外光學(xué)定位與追蹤應(yīng)用，材料的UVC上轉(zhuǎn)換發(fā)光信號(hào)用紅色區(qū)域表示。（a）使用普通數(shù)碼相機(jī)拍攝的便攜式熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源（a1），使用日盲紫外成像儀拍攝的UVC光源在接通電源后的發(fā)光照片（a2和a3），拍攝距離約為5 m；（b）～（c）使用普通數(shù)碼相機(jī)和日盲紫外成像儀分別拍攝的熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源在室外不同場(chǎng)景下的發(fā)光照片，拍攝距離約為50 m。Fig.6 Solar-blind optical locating and tracking application of the fabricated phosphor-converted UVC light source.The UVC upconversion luminescence signal is demonstrated as red patterns.（a）The fabricated phosphor-converted UVC light source taken by a digital camera（a1）.The luminescence images of the phosphor-converted UVC light source taken by the solar blind UV camera when the power is switched on（a2 and a3）.The imaging distance is about 5 m.（b）-（c）The luminescence images of the phosphor-converted UVC light source in different outdoor environments taken by digital camera and solar blind UV camera，respectively.The imaging distance is about 50 m.

4 結(jié) 論

本文采用高溫固相反應(yīng)法合成了LiYSiO4∶Pr3+和Li（Y,Gd)SiO4∶Pr3+深紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。XRD結(jié)果表明稀土離子的摻雜不會(huì)改變樣品的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成。在450 nm藍(lán)光激光激發(fā)下，LiYSiO4∶Pr3+可 以 產(chǎn) 生 很 強(qiáng) 的UVC上 轉(zhuǎn) 換 發(fā)光，發(fā)光峰值位于280 nm，源于Pr3+的4f5d→3H4能級(jí)躍遷。利用Pr3+→Gd3+高效能量傳遞，Li（Y,Gd)SiO4∶Pr3+在450 nm藍(lán) 光 激 發(fā) 下 顯 示 出 窄 帶UVB上轉(zhuǎn)換光發(fā)射，發(fā)射峰值位于313 nm，源于Gd3+的6P7/2→8S7/2特征能級(jí)躍遷。利用室內(nèi)正常環(huán)境光線中無(wú)UVB光的特點(diǎn)，使用450 nm藍(lán)光激光作為激發(fā)源，展示了Li（Y,Gd)SiO4∶Pr3+在室內(nèi)明亮環(huán)境下的光學(xué)標(biāo)記應(yīng)用。同時(shí)，分別使用LiYSiO4∶Pr3+作為光頻轉(zhuǎn)換層和商用藍(lán)光LED作為激發(fā)源，構(gòu)筑了熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源，并借助地球表面無(wú)任何UVC光信號(hào)干擾的特點(diǎn)，展示了該便攜式熒光轉(zhuǎn)換型UVC光源在室外光學(xué)定位與追蹤領(lǐng)域的應(yīng)用。本文研究成果可為高性能深紫外上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的設(shè)計(jì)制備提供理論依據(jù)，對(duì)熒光轉(zhuǎn)換型深紫外光源的發(fā)展及其在光學(xué)定位與追蹤和皮膚病光療等領(lǐng)域的應(yīng)用也具有重要價(jià)值。

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