發(fā)布時間：2020-11-13 07:31

　　 稀土離子摻雜的光學(xué)材料具有良好的光、電、磁等特性,由于其在石油化工、生物成像、熒光檢測、三維立體顯示和軍事國防等領(lǐng)域都有非常重要的應(yīng)用價值,受到了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。在科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域,溫度都是一個非常重要的參數(shù),近幾年,由于稀土離子摻雜的光學(xué)材料具有高靈敏度,高精度,響應(yīng)時間快等優(yōu)點,使得其在光學(xué)溫度傳感應(yīng)用方面受到了極大的關(guān)注。本文針對稀土離子摻雜的光學(xué)材料發(fā)光效率低,激光熱效應(yīng)干擾嚴(yán)重及光信號傳輸損耗大等缺點展開研究。通過高溫固相反應(yīng)技術(shù)成功制備了一系列堿金屬(Li~+,Na~+,K~+)離子摻雜的CaMoO_4:Er~(3+)/Yb~(3+)熒光粉。采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡和拉曼光譜等技術(shù)對樣品結(jié)晶、形貌等特性進(jìn)行了分析。在980 nm激光激發(fā)下,詳細(xì)研究了堿金屬離子摻雜及濃度的改變對CaMoO_4:Er~(3+)/Yb~(3+)熒光粉上轉(zhuǎn)換熒光發(fā)射的影響。并且,利用熒光強(qiáng)度比技術(shù)系統(tǒng)地研究了基于Er~(3+)離子兩個熱耦合能級2H11/2和4S3/2的光學(xué)溫度傳感特性。Li~+,Na~+,K~+摻雜的CaMoO_4:Er~(3+)/Yb~(3+)熒光粉的綠色發(fā)光強(qiáng)度比未摻雜堿金屬離子的樣品分別高9.13,18.71,9.01倍。在303-773 K溫度范圍內(nèi),研究了所制備材料的溫度傳感特性,并計算了它們的靈敏度值。未摻雜堿金屬離子的樣品的最大靈敏度為582 K時的1.677%K~(-1),Li~+,Na~+,K~+摻雜的CaMoO_4:Er~(3+)/Yb~(3+)熒光粉的最大靈敏度分別為432 K時的1.226%K~(-1),565 K時的1.3%K~(-1),和649 K時的1.041%K-1。通過高溫固相反應(yīng)技術(shù)制備了一系列NaY(WO_4)_2:Er~(3+)/Ho~(3+)/Yb~(3+)熒光粉樣品。采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡和拉曼光譜等技術(shù)對樣品結(jié)晶、形貌等特性進(jìn)行分析。以980 nm激光為泵浦光源,分析了樣品的近紅外熒光特性,并且通過結(jié)合其上轉(zhuǎn)換熒光光譜,分析了該樣品的發(fā)光機(jī)制。此外,分析了Ho~(3+)離子在1200 nm和Er~(3+)離子在1530 nm波段熒光的溫度依賴性,發(fā)現(xiàn)1200 nm波段的熒光強(qiáng)度隨著溫度升高而減弱,而1530 nm波段的熒光隨著溫度的升高而增強(qiáng)。同時,研究了不同濃度Er~(3+)離子和不同濃度Ho~(3+)離子摻雜樣品的近紅外熒光溫度特性,并結(jié)合熒光強(qiáng)度比技術(shù)分析了Er~(3+):~4I_(13/2)和Ho~(3+):~5I_6能級的光學(xué)溫度傳感特性,發(fā)現(xiàn)在303-773 K溫度范圍內(nèi),對于2 mol%Ho~(3+)/1 mol%Er~(3+)/10 mol%Yb~(3+)三摻雜的NaY(WO_4)_2熒光粉在773K溫度下具有最大測溫靈敏度218.9×10~(-3) K~(-1)。由于1200 nm和1530 nm波段的光在光纖內(nèi)損耗系數(shù)小,因此可以將其用于設(shè)計光纖溫度傳感器。
【學(xué)位單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TQ422;TP212.11
【部分圖文】：

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-圖1-1三價稀土離子的能級圖圖1-1為三價稀土元素離子的能級圖。從圖上可知，稀土元素離子具有豐富的發(fā)射能級。稀土元素離子4fN殼層電子的性質(zhì)決定了它們的發(fā)光特性。通過對電子殼層排布規(guī)律分析可知，4fN殼層未填滿的稀土元素在失電子后，其離子的4fN電子層將會收縮到5s25p6電子層之內(nèi)，這就使得填滿的5s25p6電子層密實地保護(hù)著4fN殼層電

燕山大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-6-子吸收，當(dāng)處于E3能級上的稀土離子向基態(tài)能級輻射躍遷時，稀土離子就會發(fā)射一個能量為ω的光子，且滿足ω>ω1，ω2。若存在更高的激發(fā)態(tài)能級E4，E5，只要激發(fā)光子能量與稀土離子能級差滿足能量匹配的要求，則E3能級上的該離子就有可能向更高的能級躍遷而形成三光子、四光子吸收。由此可知，只要該激發(fā)態(tài)能級上粒子數(shù)足夠多，就能夠發(fā)射出高頻率的熒光，實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光。由于ESA過程是單個離子的吸收過程，因此，該過程不會受材料當(dāng)中稀土離子濃度大小的影響。圖1-2ESA過程示意圖(2)能量轉(zhuǎn)移能量轉(zhuǎn)移(ET，EnergyTransfer)過程一般有多種離子參與，由于能量轉(zhuǎn)移方式存在差異，ET過程又可以分為以下幾種形式:第一種，連續(xù)能量轉(zhuǎn)移(SET，SuccessiveEnergyTransfer)。SET過程的主要原理如圖1-3a)所示，處于基態(tài)能級E1上的離子Ion1在吸收能量為ω1的光子后被激發(fā)至激發(fā)態(tài)能級E2，此時離子Ion1與處于基態(tài)能級的另外一種離子Ion2因滿足能量匹配的要求而發(fā)生相互作用，離子Ion1通過將能量傳遞給離子Ion2使得離子Ion2躍遷至激發(fā)態(tài)能級E2，而離子Ion1則通過無輻射馳豫的方式回到基態(tài)能級E1。此時，處于激發(fā)態(tài)能級E2上的離子Ion2還有可能通過再一次的能量傳遞而躍遷至更高的激發(fā)態(tài)能級E3。這種能量轉(zhuǎn)移的方式就被稱為連續(xù)能量轉(zhuǎn)移。第二種，交叉馳豫(CR，CrossRelaxation)過程。CR過程既可以發(fā)生在相同類型的離子之間也可以發(fā)生在不同類型的離子之間。它的原理如圖1-3b)所示，處于激發(fā)態(tài)能級E4的離子Ion1將能量傳遞給處于基態(tài)能級E1的另一個離子Ion2，離子Ion2就會躍遷至激發(fā)態(tài)能級E2，而離子Ion1則無輻射馳豫至較低能級E3。第三種，合作上轉(zhuǎn)換(CU，CooperativeUpconversion)過程。CU過程一般發(fā)生在同種類型的

第1章緒論-7-能級E1躍遷至更高的激發(fā)態(tài)能級E3，而Ion1和Ion2離子則通過無輻射馳豫回到基態(tài)能級E1。需要注意的是，由于ET過程是稀土離子之間的相互作用，因此，它非常依賴于所摻雜的稀土離子的濃度，需要保證稀土離子的摻雜濃度足夠高才能使ET過程發(fā)生。此外，該過程需要聲子的參與，因為在能量轉(zhuǎn)移過程中會存在能量的失配，聲子能夠補(bǔ)償其中失配的能量。圖1-3a)SET，b)CR和c)CU過程示意圖(3)光子雪崩光子雪崩(PA，PhotonAvalanche)過程引起的上轉(zhuǎn)換發(fā)光是1979年由Chivian等人首次提出的。光子雪崩是激發(fā)態(tài)吸收和交叉弛豫相互作用的結(jié)果，它的主要原理如圖1-4所示，當(dāng)泵浦激光能量ω與離子的E2和E3能級之間的能量間隔相匹配時，處于E2能級上的一個離子在吸收該能量后被激發(fā)到E3能級，這樣處于激發(fā)態(tài)能級E3上的離子就會與處于基態(tài)能級E1上的離子發(fā)生CR過程，從而使得離子都被積累到E2能級上，使得E2能級上的粒子數(shù)猶如雪崩一樣迅速地增加，因此該過程被稱為“光子雪崩”過程。圖1-4PA過程示意圖
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本文編號：2881923