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1、稀土Er3+、Yb3+、Ho3+共掺碲酸盐的上转换发光特性,物理与机电工程学院 物理学 兰晓东 指导老师：郭丽花,前言 理论基础 实验 结果讨论,激光材料是指激光工作物质，是激光器的核心部件。根据工作物质的状态不同，可以分为：气体、液体、固体、半导体以及自由电子激光器几种类型。目前固体激光器应用最为广泛。固体激光材料分为晶体、玻璃和光纤等激光材料。其中激光晶体占主导地位，它主要是由晶体基质和激活离子两者构成。,1.1晶体材料概述,1前言,1.1.1 基质材料,用做固体激光工作物质的基质材料一般不构成激光能级，但能为激活离子提供合适的晶体场，使激活离子产生合适的发射。基质晶体是一个掺杂离子的支架
2、，它使发光离子的相互作用不至于太强，保证了激光发射的线状谱特征，并对激活离子光谱线的位移、分裂、加宽，能量转移以及激光发射不可少的辐射和无辐射过程起着重要作用。,1.1.2掺杂离子,把适量的某种元素或元素化合物加到合适的基质内，该元素就能在基质内形成有用的振荡能级，进而通过受激辐射跃迁获得激光。被掺入的元素在基质中通常以离子的形态存在，称为激活离子。,激光晶体的激活离子主要有四类：过渡金属激活离子、三价稀土激活离子、二价稀土激活离子和锕系离子。锕系元素多为人工合成的放射性元素，应用很少。最常见的是稀土离子。稀土元素是化学性质非常相似的一组元素，从元素周期表的57号到71号，共十四个元素。这类元
3、素的离子中4f不是最外层，它们受到5S25P6电子的屏蔽。因此他们的光谱和自由离子情况很相似。,常用的掺杂离子以Nd、Ho、Tm、Er、Cr、Yb居多。,1.2激光晶体的研究动向,目前实现的激光波长主要是红和红外波段，极缺蓝和绿激光波段。全固态蓝光激光器因其在激光生物医学、激光高密度数据存储、激光光谱学、激光水下成像与通讯等领域广泛应用，世界各地都掀起了研究热潮。而绿激光器具有体积小、波长短、光子能量高、寿命长、转换效率高、水中传播距离远、相对人眼敏感等众多优点，可用于激光医学、信息存储、激光娱乐、建筑等多方面也引起了大家的关注。所以有许多科学家在研究探索能直接发出蓝绿波长的激光器。,1.3
4、Er3+、Yb3+、Ho3+共掺碲酸盐的特点简介,Er3+离子以其丰富的能级和多个亚稳态而倍受关注，在很多基质中的荧光已有广泛的研究和应用。掺Er3+的激光晶体有两个1550nm和2900nm波段的荧光输出，其中1550nm波段的荧光对人眼安全，而2900nm波段荧光人体组织对其有强烈的吸收。在通信方面，。,由于Er3+离子对泵浦光的弱吸收会导致很高的激光振荡阈质，为提高激光效率，掺入激活离子Er3+的同时掺入敏化离子Yb3+。敏化离子可以吸收更多的光泵能量并转移给激活离子，扩大和强化激活离子的吸收光谱，使原来不能被激活离子吸收光泵能量通过敏化离子的作用得到利用2-4。,Yb3+离子吸收带位于
5、0.91.1m波段，是与InGaAs LD泵浦源（980nm）有效耦合，而且有宽的吸收线宽（FWHM），使其无需严格的温度控制即可获得相位匹配的泵浦波长。掺Yb3+离子复合钨酸盐体系的激光晶体对调谐的微片激光器的发展具有重要意义，已经引起广泛的重视。,1879年，瑞典人克利夫发现了鈥元素，并以瑞典首都斯德哥尔摩命名为鈥。鈥的应用领域目前还有待于进一步开发，用量并不是很大。 目前鈥的主要用途有：1 用作金属卤素灯添加剂，金属卤素灯是一种气体放电灯，它是在高压汞灯基础上发展起来的，其特点是在灯泡里充有各种不同的稀土卤化物。目前主要使用的事稀土碘化物，在气体放电时发出不同的谱线光色。在鈥灯中采用的工
6、作物质是碘化鈥，在电弧区可以获得较高的金属原子溶度，从而大大提高了辐射效能2 掺鈥的忆铝榴石可发射2000nm激光，人体组织对2000nm激光吸收率高，几乎比Nd：YAG高3个数量级。所以用Ho：YAG激光器进行医疗手术时不但可以提高手术效率和精度，而且可使热损伤区域减至更小。,鈥晶体产生的自由光束可消除脂肪而不会产生过大的热量，从而减少对健康组织产生的热损伤，据报道美国用鈥激光治疗青光眼，可以减少患者手术的痛苦。我国2000nm激光晶体的水平已达到国际水平。应大力开发生产这种激光晶体。在磁致伸缩合金Terfenol-D中，也可以加入少量的鈥，从而降低合金饱和磁化所需的外场、3用掺鈥的光纤制作的光纤激光器、光纤放大器、光纤传感器等等光通讯器件在光通讯迅猛的今天将发挥更重要的作用。 本文三个晶轴Np、Ng、Nm轴方向的上转换荧光，结合相关的理论对其进行分析和比较。,2.理论基础,稀土离子中常见的发光机制主要有三种13。,激发态吸收14 能量转移15 “光子雪崩”过程16,3.实验部分,上转换发光实验是在FLS920全功能稳态/瞬态荧光光谱仪上完成的图3-2为Er3+、Yb3+、Ho3+共掺碲酸盐晶体在980nmLD抽运下的上转换荧光光谱，测得的上转换荧光光谱如图3-2。,4.结果分析,4.1Er3+、Yb3+、Ho3+晶体上转换发光机理,谢谢,
