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Re（Pr,Eu,Dy）：CaF2晶体光谱与可见光激光性能研究

2020-12-02阅读(180)

Re（Pr,Eu,Dy）：CaF2晶体光谱与可见光激光性能研究

论文摘要

稀土离子的光谱特性强烈依赖于稀土离子的局域格位结构,已有的研究表明在稀土离子掺杂的碱土金属氟化物晶体中可以实现“局域格位结构设计和调控”。通过共掺入晶格调剂离子R3+（R=Y、La、Gd、Sc等）,改变Nd3+离子格位结构的对称性、增加局域晶场畸变、调节格位结构的多样性,解决了晶体发射截面小、量子效率低的关键问题。本论文在此基础上,开展了Pr,Eu及Dy离子在CaF2晶体中局域格位结构和发光性能的研究。Pr、Eu及Dy离子是典型的可见波段稀土发光离子,发射可以从蓝光覆盖到深红光波段。本文在Re（Pr,Eu,Dy）:CaF2晶体中共掺Y3+或Gd3+作为调剂离子,通过XRD衍射、吸收及发射光谱测试、荧光寿命测试、荧光量子效率测试等测试方法,发现Y3+或Gd3+离子可以改变稀土离子格位结构的对称性,调节格位结构的多样性,一方面解决了掺Pr3+离子晶体量子效率低的问题,实现了Pr:CaF2晶体红光激光输出;另一方面利用格位结构的多样性,通过改变Eu离子浓度及或改变激发光的波长,在Eu:CaF2晶体中实现了从蓝紫色到橙红色的大范围显示色域调控;通过改变调剂离子浓度,在Dy:CaF2晶体中获得了连续可调的白光发射。具体研究工作包括以下几个方面:采用坩埚下降法和温度梯度法生长了0.6%Pr,x%R:CaF2（x=0.6,1.2,3.0,6.0,R=Y,Gd）系列晶体。在0.6%Pr:CaF2晶体中共掺Y3+或Gd3+离子,显著提升了Pr:CaF2晶体的发光性能,发现两种离子对Pr3+离子发光调控作用各不相同:Y3+离子对于蓝光和橙光的增强显著,0.6%Pr,1.2%Y:CaF2样品蓝光荧光峰发光强度相比单掺样品提高36倍,与此同时橙光峰发射强度提高156倍;而Gd3+离子对红光的增强更为突出,当Gd3+离子掺杂浓度为6.0%时,红光荧光峰发光强度相比单掺样品提高16倍。实验结果表明Y3+或Gd3+离子不仅起到缓冲离子的作用,增强晶体的发光性能,还使得Pr3+离子局域格位结构发生不同的变化。利用Gd3+离子的调剂作用,我们在0.6%Pr,1.2%Gd:CaF2晶体中首次实现了642 nm红光激光输出。采用坩埚下降法生长了x%Eu:CaF2（x=0.6,1.2,3.0,6.0）和3.0%Eu,x%Gd:CaF2（x=3.0,6.0,12.0）系列晶体。在Eu:CaF2晶体中研究发现,随Eu离子浓度增加,Eu2+离子浓度降低,而Eu3+离子升高。此外,Eu2+和Eu3+离子在CaF2晶体中具有宽带的吸收和发射,通过改变Eu离子浓度,在398 nm激发下可以获得大范围的显示色域,样品显色从蓝色变化至橙色;采用不同的激发波长（320-330 nm）,可以调节Eu2+和Eu3+离子的发光强度比例,获得从暖白光到蓝紫光的大范围显示色域;研究了Gd3+离子浓度变化对Eu3+离子格位结构种类及对称性的影响。结果表明共掺Gd3+离子降低了Eu3+离子局域格位的对称性,提高了Eu3+离子发射强度,当Gd3+离子浓度为6.0%时,样品Eu3+离子发光强度为单掺Eu3+离子时的1.5倍。Eu2+离子发光强度则随着Gd3+离子浓度的升高而持续减弱。采用坩埚下降法和温度梯度法,成功的生长了x%Dy:CaF2（x=0.6,1.0,3.0,6.0）和0.6%Dy,x%Gd:CaF2（x=0.3,0.6,1.2,3.0）系列晶体。在Dy:CaF2晶体中研究发现,当Dy3+离子浓度高于0.6%时,晶体即发生荧光猝灭。在0.6%Dy:CaF2晶体中共掺Gd3+离子,显著提升了Dy:CaF2晶体的发光性能,当Gd3+离子浓度为3.0%时,样品573 nm黄光峰发射强度为0.6%Dy:CaF2的28倍。在273 nm激发下,我们研究了Gd3+与Dy3+离子间的能量传递过程。利用这一能量传递过程,通过改变Gd3+离子浓度,获得了样品的可调谐白光发光。当Gd3+离子浓度从0增至3.0%时,样品显色坐标从（0.54,0.40）移动至（0.38,0.42）。以上结果表明,Y3+或Gd3+离子作为调剂离子,可以有效的作用于Pr、Eu和Dy离子,通过对激活离子局域结构的调控,实现了稀土离子掺杂CaF2晶体光谱和激光性能的调控。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 引言
  •   1.1 固体激光器概述
  •   1.2 可见光激光研究进展
  •     1.2.1 可见光激光应用概述
  •     1.2.2 可见光激光获得方式
  •   1.3 稀土离子掺杂可见光激光晶体
  • 3+)掺杂激光晶体'>    1.3.1 镨离子(Pr3+)掺杂激光晶体
  • 3+)掺杂激光晶体'>    1.3.2 铕离子(Eu3+)掺杂激光晶体
  • 3+)掺杂激光晶体'>    1.3.3 镝离子(Dy3+)掺杂激光晶体
  •   1.4 基质材料选择
  •   1.5 研究思路及研究内容
  •     1.5.1 研究思路
  •     1.5.2 研究内容
  • 第2章 晶体生长与性能表征
  •   2.1 晶体制备及加工
  •     2.1.1 坩埚下降法（Bridgman method）
  •     2.1.2 温度梯度法（Temperature Gradient method）
  •     2.1.3 晶体加工
  •   2.2 测试表征
  •     2.2.0 密度测试
  •     2.2.1 电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）
  •     2.2.2 X射线衍射（X-ray powder diffraction）
  •     2.2.3 X射线光电子能谱分析
  •     2.2.4 吸收光谱测试
  •     2.2.5 发射光谱测试
  •     2.2.6 激发光谱测试
  •     2.2.7 荧光寿命测试
  •     2.2.8 晶体显色色度坐标计算
  •     2.2.9 荧光量子效率测试
  •     2.2.10 激光实验
  • 2激光晶体的研究'>第3章 Pr,R （R=Y,Gd）:CaF2激光晶体的研究
  •   3.1 X射线衍射
  • 2 系列样品X射线衍射'>    3.1.1 Pr:CaF2系列样品X射线衍射
  • 2（R=Y或 Gd）系列样品X射线衍射'>    3.1.2 Pr,R:CaF2（R=Y或 Gd）系列样品X射线衍射
  • 2 系列晶体光谱性能'>  3.2 Pr:CaF2系列晶体光谱性能
  •     3.2.1 吸收光谱
  •     3.2.2 发射光谱
  • 2 系列晶体光谱性能'>  3.3 Pr,R （R=Y,Gd）:CaF2系列晶体光谱性能
  •     3.3.1 吸收光谱
  •     3.3.2 发射光谱
  •     3.3.3 荧光寿命
  •     3.3.4 荧光量子效率
  •   3.4 激光实验
  •   3.5 本章小结
  • 2激光晶体的研究'>第4章 Eu,Gd:CaF2激光晶体的研究
  •   4.1 X射线衍射
  •   4.2 XPS测试
  • 2 系列晶体光谱性能'>  4.3 Eu:CaF2系列晶体光谱性能
  •     4.3.1 Eu离子浓度对样品发光性能的影响
  •     4.3.2 激发波长对样品发光性能的影响
  • 2 晶体温度猝灭分析'>    4.3.3 Eu:CaF2晶体温度猝灭分析
  • 2 系列晶体光谱性能'>  4.4 Eu,Gd:CaF2系列晶体光谱性能
  • 3+离子发光中心研究'>  4.5 Eu3+离子发光中心研究
  •   4.6 本章小结
  • 2激光晶体的研究'>第5章 Dy,Gd:CaF2激光晶体的研究
  •   5.1 X射线衍射
  • 2 系列晶体光谱性能'>  5.2 Dy:CaF2系列晶体光谱性能
  •     5.2.1 发射光谱
  •     5.2.2 荧光寿命
  • 2 系列晶体光谱性能'>  5.3 Dy,Gd:CaF2系列晶体光谱性能
  •     5.3.1 激发光谱
  •     5.3.2 发射光谱
  •     5.3.3 荧光寿命
  • 3+与Dy3+离子间能量传递效应研究'>  5.4 Gd3+与Dy3+离子间能量传递效应研究
  •   5.5 本章小结
  • 第6章 结论与展望
  •   6.1 结论
  •   6.2 创新点
  •   6.3 展望
  • 参考文献
  • 致谢
  • 作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 于浩

    导师: 苏良碧

    关键词: 稀土离子,氟化钙,光谱特性,可见光激光,可调谐显色

    来源: 中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

    专业: 物理学,化学

    单位: 中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)

    分类号: O734

    DOI: 10.27970/d.cnki.gksgs.2019.000041

    总页数: 132

    文件大小: 12923K

    下载量: 140

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