稀土掺杂钼酸钆上转换发光材料的荧光增强及颜色调控

• 作 者: 郝好月
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 稀土掺杂材料 上转换发光 钼酸钆 荧光增强 荧光颜色调控

稀土掺杂上转换发光材料具有将多个低能量光子转换成高能量光子的非线性光学性质,这使得其在多个领域存在较高的应用价值,包括太阳能电池、生物成像、温度传感、3D成像等。然而,稀土掺杂上转换发光材料较低的上转换效率,很大程度上限制了它的应用和发展。同时,稀土掺杂上转换发光材料辐射出的荧光颜色难以调控,限制了其在彩色成像方面的应用。因此,本文利用多层结构、金纳米岛局域表面等离子体共振和双光束共激发实现了稀土掺杂钼酸钆荧光的增强;利用稀土离子间的能量传递、交叉弛豫和非稳态上转换过程实现了稀土掺杂钼酸钆荧光颜色的调控。本文主要研究内容如下:基于Yb³⁺离子在980 nm附近较大的吸收截面,我们研究了在双层结构和三明治结构的包覆层中掺杂Yb³⁺离子对荧光强度的影响。结合不同层中稀土离子间的能量迁移和表面猝灭的抑制,我们对双层结构和三明治结构薄膜荧光增强的现象进行了解释,并分析了包覆层中掺杂Yb³⁺离子的浓度对荧光强度的影响。此外,我们通过对比三明治结构和高激光功率对多光子上转换荧光的增强效果,讨论了三明治结构薄膜在高分辨成像方向的应用,并利用高阶激发态能量传递解释了三明治结构荧光薄膜在短波段的显著增强。基于吸收峰在533 nm附近的金纳米岛的局域表面等离子体共振（LSPR）,我们利用静电自主装和旋涂法制备了金纳米岛修饰的Er³⁺/Yb³⁺掺杂钼酸钆薄膜,实现了其辐射绿光强度的明显提高。我们通过对含金纳米岛和不含金纳米岛的薄膜绿光荧光寿命的改变,分析了金纳米岛与Er³⁺离子之间的耦合对绿光辐射跃迁速率以及荧光强度的影响。另一方面,稀土离子掺杂的上转换发光材料在光学测温方向的应用也受到了广泛的关注。因此,我们研究了金纳米岛修饰的荧光薄膜的荧光峰值比（FIR）和荧光寿命随温度的变化关系,并讨论较了这两种光学测温方式适用的温度范围。利用双光束的能量与Er³⁺离子的能级差匹配,我们研究了双光束激发对上转换荧光强度和颜色的影响。首先,我们研究了在980 nm和808 nm两束激光共同激发情况下Er³⁺/Yb³⁺掺杂的钼酸钆粉末的绿光双峰荧光强度的改变。根据Er³⁺离子的特定能级差与980 nm和808 nm两束激光能量匹配,我们分析了绿光双峰的增强因子随两束激光功率变化而改变的原因。除此之外,我们研究了Er³⁺/Yb³⁺掺杂的氧化钆粉末在980 nm和1550 nm两束激光共同激发情况下荧光颜色的改变。并通过在不同激发条件下红绿光所需要的光子数,研究了不同激发条件下的合作上转换过程。基于稀土离子间的能量传递(Ho³⁺-Eu³⁺)、交叉弛豫(Ho³⁺-Ce³⁺),我们研究了改变Eu³⁺、Ce³⁺在Ho³⁺/Yb³⁺掺杂钼酸钆粉末中的掺杂浓度对样品荧光颜色的影响。此外,我们讨论了980 nm脉冲激光的宽度和重复频率对Ho³⁺/Tm³⁺/Yb³⁺掺杂钼酸钆粉末荧光颜色影响。结合样品辐射红光(Ho³⁺)、绿光(Ho³⁺)和蓝光(Tm³⁺)的上转换过程和辐射荧光强度随时间的变化,我们对不同脉宽和不同脉冲重复频率980 nm激光激发的情况下Ho-Tm-Yb掺杂体系的非稳态上转换过程进行了分析。