（光学专业论文）稀土掺杂kyw晶体的光谱及上转换特性.pdf

再 a p p l i c a t i o no fl a s e ra m p l i f i e rd e v i c e s ，u p c o n v e r s i o nd e v i c e se r e a sf o l l o w sa r et h em a i n c o n t e n t si nt h ep a p e n 1 b a s e do nj u d d - o f e l t ( j 一0 ) t h e o r y , t h ej - oi n t e n s i t yp a r a m e t e r sw e r ec a l c u l a t e d u s i n gt h ee m i s s i o ns p e c t r u mo fe ，+ ：k y wc r y s t a l t h ej - oi n t e n s i t yp a r a m e t e r sh a v e b e e nu s e dt oc a l c u l a t et h er a d i a t i v et r a n s i t i o n p r o b a b i l i t i e so ft h ee ，i o n s t h e u p c o n v e r s i o nl u m i n e s c e n c ec h a r a c t e r i s t i c so fe r 3 + ：k y wc r y s t a le x c i t i n ga t9 8 0n l n w e r es t u d i e d b a s eo nt h er a t ee q u a t i o nt h e o r ya n dt h ee n e r g yl e v e ls t r u c t u r eo fe f t + i o n s s y s t e m ，am o d e lf o rm ed y n a m i c so ff r e q u e n c yu p c o n v e r s i o ni ne r 3 + ：k y wc r y s t a lw a s p r o p o s e d t h eu p c o n v e r s i o nc o e f f i c i e n t s ( c 2 2a n dc 3 3 ) w e r ee s t i m a t e db yn u m e r i c a l l y s o l v i n gt h er a t ee q u a t i o n sa n df i t t i n gs i m u l a t e dc u r v et ot h ee x p e r i m e n t a lf l u o r e s c e n c e d e c a yc u r v eo f15 5 0 n n la n d9 8 0n l le m i s s i o n 2 a b s o r p t i o na n de m i s s i o ns p e c t r ao fe r 3 + f v b 3 + ：k y wc r y s t a lf o r t h et h r e ep r i n c i p a l o p t i c a la x e sw e r ei n v e s t i g a t e da tr o o mt e m p e r a t u r e t h ea b s o r p t i o na n de m i s s i o nb a n d i n t e n s i t i e sd i s t i n c t l yr e v e a lt h ea n i s o t r o p yo fe r 3 + 厂妨3 + ：k y wc r y s t a l t h ee l e c t r i cd i p o l e o s c i l l a t o rs t r e n g t h so fv a r i o u sb a n d sa n di n t e n s i t yp a r a m e t e r s 赋( t = 2 ，4 ，6 ) w e r e c a l c u l a t e df o rt h et h r e ep r i n c i p a lo p t i c a la x e so ft h ec r y s t a lb yt h em o d i f i e dj u d d - o f e l t t h e o r y t h ei n t e g r a t e da b s o r p t i o nc r o s s s e c t i o n sa t9 8 0 n mw e r ea n a l y z e df o rt h et h r e e p r i n c i p a lo p t i c a la x e s t h er e s u l t si n d i c a t et h ea n i s o t r o p yo ft h ea b s o r p t i o na n de m i s s i o n s p e c t r ao ft h ec r y s t a l ，t h en pa x i si st h eb e s tp u m p e da x i sw h e nt h e 口十y b 3 + ：k y w c r y s t a la c t sa sal a s e rc r y s t a l 3 。t h eu p c o n v e r s i o ns p e c t r u ma n dt h ef l u o r e s c e n c ed e c a yc b r v eo fe r 3 k ：k y w c r y s t a lw e r em e a s u r e d t h eu p c o n v e r s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h ee n e r g yt r a n s f e rp r o c e s so f e r j - y b 卅：k y wc r y s t a lw e r es t u d i e d am o d e lf o r t h e d y n a m i c so f 舒e q u e n c y i i i l l o p h l 爹 “ 随着信息科学技术的发展 光子学，已然成为信息技术的 示、信息处理和光通讯等领域的广泛应用而倍受重视，成为光子学中的一个重要课 题。以稀土离子掺杂材料为主的频率上转换和上转换机制的研究已取得了长足的进 展。钨酸钇钾晶体( k y w ) 属于单晶系，空间群为c 2 e ，并且晶体具有的低对称和无 序结构，促使晶体中稀土离子的吸收峰较宽，有利于吸收泵浦光，是一种良好的激 光基质材料。本文主要研究e r 3 + 单掺和e r 3 - 帆3 + 共掺钨酸钇钾晶体k y ( w 0 4 ) 2 ( k y w ) 的光谱及上转换特性，对稀土掺杂钨酸钇钾晶体k y w 晶体在上转换器件和激光放 大器件等方面的应用具有十分重要的意义。具体研究内容有： 绪论中我们概述了上转换发光的机理、研究状况及其应用，同时介绍了稀土离 子掺杂k y w 晶体的基本特性和研究概况。 第一章，测量和分析了e d + ：k y w 晶体的吸收光谱、荧光光谱和上转换光谱。 根据j u d d o f e l t 理论，研究了e r 3 + ：k y w 晶体的光辐射特性，计算得到三个强度参 量分别为如= 7 0 9 x 1 0 乏o c i n 2 ，s 2 4 = 2 3 2 x 1 0 锄c m 2 ，0 6 = 1 0 5 x 1 0 - 2 0 c m 2 。研究了e 离子 掺杂k y w 晶体在9 8 0 n m 激发下的上转换荧光特性，利用速率方程理论建立了描述 e r 3 + 离子在各能级间跃迁的上转换动力学的模型。通过求解速率方程并拟合1 5 5 0n l l l 和9 8 0 呦荧光衰减实验曲线，获得上转换系数c 2 2 和c 3 3 分别为1 3 2 x1 0 。1 7 c m 3 s 和c 3 3 - - - 2 1 4 5x 1 0 。1 7e m 3 s 。 第二章，测量和分析了e r 3 + 厂n 3 + ：k y w 晶体三个折射率主轴方向上的吸收光谱 和荧光光谱，用修正的j u d d o f e l t 理论计算e r 3 + 厂y b 3 + ：k y w 晶体中e r 3 + 离子在三个 折射率主轴方向上强度参量q 。( 仁2 ，4 ，6 ) 矛f i 各吸收谱带的电偶极跃迁振子强度，同 时计算了w + 离子在三个轴向上9 8 0 n m 波长处的积分吸收截面，最后分析 e r 3 + 厂y b ”：k y w 激光晶体的最佳泵浦轴向。结果表明：e r 3 + 厂y b 3 + ：k y w 晶体吸收 光谱和荧光光谱存在各向异性，n p 轴为e ，+ 厂y b 3 十：k y w 激光晶体的最佳泵浦轴向。 第三章，研究了e r 3 + 厂y b 3 + 共掺k y w 晶体在9 8 0 n m 激发下的上转换荧光特性和 能量传递过程。基于速率方程及e 一离子和y b 3 + 离子能级分布，建立了上转换动力 学过程的模型。通过求解速率方程和拟合1 5 5 0 眦和9 8 0 姗荧光衰减实验曲线， i v 气 簟 簟 嘈 p _ “ 福建师范大学硕士学位论文 求得上转换系数c 2 2 和c 3 3 和能量传递系数p 分别为1 2 7 x 1 0 舶c m 3 s 1 、1 9 1 6 3 1 9 x l o 。1 7 c m 3 s 。 第四章，是本文的结尾部分，对本文的主要工作做了总结。 v - 。一 气 ， p 一 一 k f ， 白 第一节引言：。 - 1 1 - 第二节j u d d o f e l t 理论。1 1 第三节实验测量及分析一1 4 第四节上转换速率方程的建立及计算1 7 第五节本章结论- 2 3 - 第二章e r 钾b 3 + ：k y w 晶体光谱的各向异性分析2 5 。 第一节引言一2 5 - 第二节j u d d o f e l t 理论的修正- 2 5 一 第三节e ，y b 3 + ：k y w 晶体的光谱分析：- 2 7 一 第四节本章结论。- 3 2 一 第三章e r 3 - 脬b 3 + ：k y ( w 0 4 ) 2 晶体的上转换发光特性- 3 3 一 第一节引言3 3 - 第二节实验测量及分析一3 3 - 第三节理论与结果分析- 3 5 - 第四节本章结论- 4 0 - 第四章结论。一4 3 一 参考文献- 4 5 一 攻读学位期间承担的科研任务与主要成果。- 5 5 一 致谢。- 5 6 一 个人简历。一5 7 一 v i i ， 0 _ 。 学 发 激 上 1 量 线 光过程是指用低频率的光子去照射掺稀土离子的样品，发射出光子的频率高于泵浦 光的光子频率，产生短波辐射的过程，又被称为反斯托克效应【6 】。由于每种稀土离 子的能级位置都是特有的，所以不同的稀土离子，在不同的波长的激发光泵浦下的 上转换过程是不同的，目前稀土离子的上转换过程主要可分为三种类型：激发态吸 收、能量转移和光子雪崩【7 】。 1 1 1 激发态吸收( e x c i t e ds t a t e da b s o r p t i o n ，缩写成e s a ) 激发态吸收过程是b l o e m b e r g e n 等人网于1 9 5 9 年在研究z n s 晶体时发现并提出 的，其原理图如1 - 1 所示。e s a 过程的基本原理是：处于基态e l 能级的离子吸收一 个频率为c o i 的光子，被激发到中间亚稳态e 2 能级，如果亚稳态e 2 能级和更高激发 态e 3 能级的能量间隙与光子的振动能量匹配，则中间亚稳态e 2 能级上的离子再吸 收频率为2 的光子跃迁至更高的激发态e 3 能级，这个高激发态e 3 能级上的离子向 低能态跃迁辐射的光子0 9 c o l ，c 0 2 。它是上转换发光的一个最基本的过程。由于 e s a 是单离子吸收过程，对材料中稀土离子的浓度依赖性不高。可以得知，只要满 足能量匹配要求，激发态e 3 能级上的离子还可能向更高的激发态跃迁，形成三光子 吸收、四光子吸收。 jl l r 0 ) 2 卜 n jlq c o l r 0 ) 1 l ，r r ” 图1 - 1 激发态吸收过程 f i g 1 - 1e x c i t e ds t a t ea b s o r p t i o np r o c e s s 1 1 2 能量转移上转换( e n e r g yt r a n s f e ru p c o n v e r s i o n ，缩写成e t u ) 1 9 6 6 年a u z e l 等【6 】人在研究稀土掺钨酸镱钠玻璃时，发现当基质中掺入) 3 + 离子 时，其上转换发光提高了近两个数量级，这个现象与激发态吸收过程明显不同，由 此“能量转移上转换”这个概念被提出。能量转移上转换是指施主离子以无辐射跃 迁方式弛豫到下一能级或更低的能级，把能量传递给受主离子，使受主离子被激发 到相应的较高能级。该过程可以是同种离子间的作用，也可以是不同种类的离子间 的相互作用，在材料中掺入敏化离子的发光应属不同种类的离子间的相互作用。由 于该上转换过程是靠离子间的能量传递，所以该机制也被称为能量传递上转换 ( e t u ) 。在多数情况下，能量转移过程是建立在离子间的电多极和电偶极相互作用 的基础之上，当施主离子与受主离子能量不匹配时，声子参与了这些能量转移过程 以弥补施主和受主离子能量的失配。在能量转移过程中，能量的传递几率不仅与能 量传递形式有关，而且和离子间的距离也密切相关。根据能量传递的不同方式，可 以分为以下几种形式： ( 1 ) 连续能量转移( s e t ，s u c c e s s i v ee n e r g yt r a n s f e r ) s e t 过程的原理如图1 2 所示，在满足能量匹配的情况下，s e t 主要发生在不同 类型的离子之间，处于激发态的施主离子将能量传递给处于基态的受主离子使其跃 迁至激发态，而施主离子本身则通过无辐射弛豫返回基态。处于激发态能级的受主 离子还可能再次吸收能量，进而往更高的激发态能级跃迁。这种能量转移方式称为 连续能量转移s e t 。最常见的敏化离子有) 3 + 【9 - 1 0 1 。 ( 2 ) 之问，同时处于激发态的两个物理性质相近的离子，施主离子将能量传递给受主离 子使之跃迁到更高能级，而施主离子自身无辐射跃迁的方式驰豫到低能级的过程。 交叉驰豫这个现象已经在大量的实验和理论中得到验h 正 n - 1 6 】。 l j7 1 【) c 0 1 1 i o n l i o n 2 i o n 3 图1 - 3 交叉驰豫过程 f i g 1 - 3 c r o s sr e l a x a t i o np r o c e s s e 3 e l ( 3 ) 合作上转换( c u ，c o o p e r a t i v eu p c o n v e r s i o n ) 合作上转换过程是o v s y a i l 姑n 和n a k a z a w a 分别【1 7 - 1 8 】于1 9 6 6 年和1 9 7 0 年发现的， c u 过程的原理图如图1 4 所示，c u 过程发生在同一类型的离子之间，可以认为合作 上转换是三个同类离子间的作用，两个处于激发态的离子向下无辐射弛豫返回基态， 同时把能量传递给处于基态的离子，使其直接跃迁至更高的激发能级的过程，称为 合作上转换过程。 福建师范大学硕士学位论文 i o ni o n i o n 图1 4 合作上转换过程 f i g 1 4c o o p e r a t i v eu p e o n v e r s i o np r o c e s s 1 1 3 光子雪崩( p a ，p h o t o na v a l a n c h e ) 自1 9 7 9 年c h i v i a n 1 9 等人发现光子雪崩上转换以来，光子雪崩的作用在许多 稀土离子中得到验证，例如e 一、t m 3 + 【2 0 也孤。p ：a 过程是e t 过程和e s a 过程相结 合的过程。光子雪崩的产生需要满足以下三个条件：( 1 ) 中间亚稳态的寿命足够长， 以便积累更多的离子；( 2 ) 存在能够有效发生c r 过程的能级( 3 ) 抽运光的能量跟 中间亚稳态和高能级激发态的能量间隙相匹配。p a 过程的原理如图1 5 所示：首先， 处于基态e l 能级离子的吸收能量使自身跃迁至长寿命的中间亚稳态e 2 ，此时泵浦 光能量对应于离子的中间亚稳态e 2 和激发态e 3 能级的能量间隙，离予通过激发态 吸收从中间亚稳态e 2 跃迁至激发态e 3 能级。激发态e 3 能级与基态e l 能级之间发生 c r 过程，离子均被积累到亚稳态e 2 能级上，这样就形成了e l e 2 付e 3 的反复循 还过程，使得中间亚稳态e 2 能级上的粒子数像雪崩一样急剧增加，因此称之为“光 子雪崩”过程。光子雪崩现象的证据是在泵浦光阀值功率以下，上转换发光为激发 光功率的二次方及至三次方变化，如果激发光功率超过阀值，则上转换信号会异常 增大。 绪论 jl j o 1 2 八 l r ll =步 一 1 + i o ni o n 图1 5 光子雪崩过程 f i g 1 - 5p h o t oa v a l a n c h ep r o c e s s e 3 e 2 e l 1 2 三价稀土离子( e r 3 + 、y b 3 + ) 的光谱理论 1 2 1e ，、y b 3 + 的基本性质 稀土离子由于它们所特有的电子层结构和丰富的能级结构【i 】，使稀土离子成为 制备荧光材料的优良基体，在激光器、光波导、光纤通信、医学、军事等方面得到 广泛的应用【2 - 5 】。稀土离子的有些亚稳态的寿命可达1 0 。2 1 0 石s ，比一般离子的亚稳 态寿命要长得多，高寿命的亚稳态可以提供上转换需要的粒子数。这种长寿命的亚 稳态是由于稀土离子的4 f 结构导致的，因为4 f 结构的4 f - 4 f 电子间的自发跃迁是禁 阻的，所以自发跃迁的几率小，因此亚稳态的寿命就长。到目前为止，人们发现能 产生上转换效果的稀土离子有n d 3 + ，h o ”，p r 3 + ，e ，e u 3 + ，t m 3 + ，t b 3 + ，y b 3 + ， d + 等【2 粥o 】。对于不同的稀土离子，不同的掺杂方式，在不同波长的抽运下，它们 的上转换机制也是不一样的，它们的掺杂方式有单掺，双掺和多掺，其中最为典型 和常见稀土敏化剂离子是y b 离子。 稀土铒元素是莫桑德在1 8 4 3 年发现的，属于镧系元素。由于容易失去两个6 s 和一个4 f 电子，在化合物中，呈最稳定的三价e ，离子，丰富能级结构致使e ，离 子具有丰富的光谱谱线，在适当光源的激发下，可以产生从紫外到红外的广阔光谱 区域。e ，离子的光学性质非常突出，一直受到人们极大的关注： ( 1 ) e r 3 + 在1 7 3 0n m 和1 5 5 0n m 处的激光发射具有特殊意义，1 7 3 0r i m 激光和1 5 5 0 n m 激光对人眼睛是安全的，在大气中具有较好传输性能，对战场的硝烟具有较强 穿透能力，并且保密性好，在军事上已被广泛应用i 并且1 5 5 01 1 n l 荧光对应于4 1 1 3 ，2 一 i 脚塥二， 福建师范大学硕士学位论文 一4 i l s a 能级间的跃迁，是与硅为基体的光纤通讯的低耗窗口相符合，而且在人眼的 安全范围之内，被应用到光纤通迅【3 ”6 】，开辟铒在新领域的应用。 ( 2 ) 丰富的能级结构使得酣+ 离子做为激活离子能在不同的泵浦条件下都可以 运转。掺杂稀土离子e 一玻璃激光材料，是目前输出功率最高和输出脉冲能量最大 的固体激光材料。4 i l l ，2 4 1 1 3 尼能级间的跃迁产生的2 9 0 0n m 激光，在医学方面有着 重要的作用。群+ 的上转换发光主要抽运光的波长有1 4 8 0n r n ，9 8 01 1 i i l 。 稀土镱元素是查尔斯和马利格纳克1 8 7 8 年在”铒”中发现的，由于镱离子具有简 单的二能级结构，常被当作敏化离子。并且具有如下特性： ( 1 ) y b ”两个能级基态( 2 f 7 2 ) 和激发态( 2 f s a ) 的能量间隔大约是1 0 0 0 0 c m l ， 在外场作用下，能级容易产生斯塔克分裂，从形成符合激光运转的准三能级系统。 ( 2 ) 量子效率高，荧光寿命长，激光输出波长与泵浦波长较为接近，这形成较 大的本征激光斜率效率，理论来说量子效率近为9 0 【3 7 】；并无上转换和激发态吸收， 光转换效率高。在高浓度较掺杂的情况下也未出现浓度猝灭现象。 1 2 2j u d d - - o f e l t 理论 b r j u d d 和g s o f c l t 两人不约而同地相继由静态晶场引起具有相反宇称组态 的混杂出发，提出计算稀土离子能级间的跃迁几率的理论，他们的理论在研究稀土 离子的发光强度有异曲同工之处，后人把他们两人的理论合称为j u d d o f e l t 理论( j o 理论) 3 8 - 3 9 。由于荧光寿命、跃迁几率、荧光强度荧光分支比、吸收截面、受激发 射截面等重要的光谱参数在实验上是很难测定的，但可通过j o 理论利用可测量的吸 收光谱中基态到激发态跃迁的吸收峰的有效积分面积，计算出电偶极跃迁和电多极 跃迁的振子强度，然后，利用得到的振子强度来计算确定。j o 理论的正确性得到实 践的证明。j u d d o f e l t 理论的基本原理在第一章中做详细说明。 1 - 3 稀土掺杂i b 材料的折射率，其中r a j n a k ，f i e l d 和c a m a l l 等7 明算出 稀土离子多重态间磁偶极跃迁的振子强度。总的来说，它们比电偶极跃迁的振子强 度约小一个数量级【7 9 】。 实验的电偶极跃迁振子强度岛，可由厶，= 厶+ 厶d 得到，再根据7 3 川1 ： z d - 丽8 刀- 2 丽m c y 趔9 n 如 ( 1 7 ) 一二二一、- fi - ， 3 而( 2 ，+ 1 ) 9 2 。副 “ 如= p 2 q 五i ( 厂一眇句扩q ) 1 2 ( 1 - 8 ) 电偶极跃迁谱线强度可表示为强度参量q 和k 厂一妙i i i 嘭) f 2 约化矩阵元 乘积之和的形式。其中约化矩阵元l ( 厂_ 妙j l 厂嘭) 1 2 基本上只与稀土离子有关而 与周围环境无关，本文采用文献 8 0 】中的值如表1 - 1 所示。f 野是总角动量为，的 钞壳层的n 个电子的波函数。o t ( t - = 2 ，4 ，6 ) 是强度参量，取决于基质材料的配位特性 【8 l 】 o 电偶极跃迁谱线强度可以表示为强度参量q 2 和约化矩阵元 i ( 厂_ 桫工i i i 嘭) f 2 乘积之积的形式，求解运算相当于解下列矩阵方程： ，。= q ：吧) l + q 。咙i + q 。嗡) l t 一。? ：= q ：u 蹴+ q 。吧) 2 + q s 叱) 2 _ = q ：吧己+ q 。咙：+ q s 啦： ( 1 9 ) 其中蚴= l 1 2 ( 2 1 ) t = 2 ，4 ，o 其中l 1 2 为约化矩阵元，该参数基本上只与稀土离 福建师范大学硕士学位论文 子有关而与周围环境无关，本文采用文献【8 0 】中的值。f 野是总角动量为啪镝层 的个电子的波函数。o t ( t = 2 ，4 ，6 ) 是强度参量，取决于基质材料的配位特性。 实验电偶极矩跃迁的谱线强度相联系的积分吸收系数可表示为如下【7 2 - 7 4 】： p 以m = 业3 c 塑h 譬嘉， ( 2 乞) 式中p 以m = 瓦表p q m ( 2 3 ) 式中删表示在波长为兄处的吸收系数，烈句为光密度，三为样品的厚度，d 是单 位体积稀土离子浓度。m 为电子质量， e 、h ，c f f 别表示电子电荷量、普朗克常量和 光速，旯表示吸收谱带的平均波长，威示基态的总角动量量子数，l 为材料的折射 率。 实验振子强度a x p ，可表示为 7 2 - 7 4 ： 厶，2 刍p 以m2 舞o 孑1 3 l d 。m c 2 钔 在上面的计算过程中，我们仅考虑满足跃迁选择定则昼毫越= d ，a j = 0 ，爿的 磁偶极子的作用，而忽略了不满足跃迁选择定则的磁偶极子跃迁振子强度砌，因为 在一般情况下它与电偶极子相比是很小的 7 3 - 8 5 】。 考虑到非立方晶体中局域电场的各向异性n 0 3 。在介质中稀土离子的局域电场的 校正因子为： f ，生1 ：丝监 l j 9 符号下标x 代表不同的折射率主轴方向。式( 2 - 2 ) 修正为： 弘以m = 警譬女， 式中魄为材料不同轴向的折射率。 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 图2 1 是室温下e r 3 + 厂y b ”：k y w 晶体的吸收光谱，依次为沿n g 、n m 、n p 轴向 的吸收光谱。根椐吸收光谱项的理论值，图中标上l 1 0 相对应的光谱带，分别对应 于e ，基态4 i l s ，2 到各个主要激发态能级以及y b 3 + 离子从基态的2 f t , - 2 至i j 2 f 5 陀的吸收跃 迁。从图2 1 中可看出，当通光方向沿不同轴向时，其吸收谱存在着明显的差异。 ，一：、 穹 8 蚤 罂 o q 高 2 五 o w a v e l e n g t h ( n m ) w a v e l e n g t h ( n m )w a v e l e n g t h ( 姗) 图2 一le r 3 + m 3 十：k y w 晶体n g ，n m ，n p 三个轴向的吸收光谱 f i g 2 - 1a b s o r p t i o ns p e c t r ao fe r 3 + y b 3 + ：k y w o ft h et h r e ep r i n c i p a lo p t i c a la x e sn g 、 n m 、n p 福建师范大学硕士学位论文 _ l - l _ - - - _ - - - - - 一 我们应用s e l l m e i e r 方程，计算三个轴向不同波长的折射率，折射率与波长的关 系可表示为1 9 7 ： 聆；= 3 5 5 5 4 4 + f _ 二骜+ 。3 4 。8 刀 名 行三=357271十罔030991+。34。1刀 即；= 3 5 。4 4 1 t罔024431+。3。22名 可得到沿n g 、n m 、n p 三个轴向上不同波长的折射率，如表2 - 1 所示。 表2 - 1 一+ y b 3 + ：k y w 晶体不同波长的折射率 t a b l e 2 - 1r e f r a c t i v ei n d e xo fd i f f e r e n tw a v e l e n g t h so fe r 3 + y b 3 + ：k y wc r y s t a l ( 2 - 7 ) 第二章z r 3 + , r 0 3 + ：k y w 晶体光谱的各向异性分析 根据图2 1 中的吸收光谱以及式( 2 6 ) 和式( 2 3 ) ，再结合式( 2 1 ) 并利用最小二乘 法拟合，可分别求得e r 3 + 厂蚶+ ：k y w 晶体中沿n g 、n m 、n p 三个轴向电偶极跃迁的 强度参量g 旧，4 ，6 ) 。其值如表2 - 2 所列。 表2 - 2e r 3 + 厂y b 3 + ：k y w 晶体三个轴向的强度参量 t a b l e2 - 2s p e c t r a lp a r a m e t e r so ft h et h r e ep r i n c i p a lo p t i c a la x e so f e r 3 7 旧+ ：k y w c r y s t a l q ，( x 1 0 - 2 0 e m 2 )n g n m n p q 2 3 8 6 13 8 6 06 2 5 9 q 。 1 5 0 01 4 8 72 4 4 6 q 6 1 1 9 61 0 2 51 6 9 5 由式( 2 4 ) 可计算得到沿n g 、n m 、n p 三个轴向的振子强度，其值列在 表2 - 3 中。由拟合得到的电偶极跃迁的强度参量g ( 眈，4 ，6 ) 代入振子强度表达式 【7 3 - 8 5 】： 厶= 赢掣，互。啪删m l 厂肌w 协8 ， 由此可算得沿n g 、n m 、n p 三个轴向上的振子强度厶，其值列在表2 - 3 中a 同时给出了振子强度的偏方差v 。用修正后的j u d d - o f e l t 理论计算的振子强度的相 对误差为：n g 轴8 7 ，n m 轴6 o ，n p 轴5 9 ，可以认为得到的三个轴向的强 度参量是可靠的。由表2 - 2 可知，三个轴向的强度参量存在明显的差异。 ， 计 福建师范大学硕士学位论文 表2 3k y w 晶体中e r 3 + 离子在三个轴向振子强度的实验值和理论值 t a b l e2 - 3e x p e r i m e n t a la n dc a l c u l a t e ds t r e n g t h so ft h et h r e ep r i n c i p a lo p t i c a la x e 8o f e r 3 印n 3 + ：k y wc r y s t a l 测量的，( l o 6 ) 计算的厶f 。( x 1 0 巧)鲈= 厂琊。一厶 跃迁 n g n m n p n g n m n p n g n m n p 4 i c 9 2 4i l ￥l 1 9 3 11 6 3 72 6 4 71 8 3 41 5 5 12 4 8 00 0 9 70 0 8 60 1 6 7 4 i 眈 0 6 9 10 6 130 9 6 50 3 9 80 3 7 7 0 5 9 90 2 9 30 2 3 6 0 3 6 6 4 f 9 2 3 1 5 22 7 9 04 4 2 83 1 2 92 8 0 24 4 3 60 0 2 30 0 1 20 0 0 8 4 s 3 20 6 2 80 4 2 90 8 7 90 7 3 40 6 0 40 9 5 6 o 10 60 1 7 50 0 7 7 4 h l l 彪8 8 19 0 2 41 5 1 39 8 4 09 3 7 11 4 6 2 71 0 3 00 3 4 70 5 0 3 4 f 耽 2 4 2 62 2 2 13 1 3 63 0 0 52 5 314 0 0 i- 0 5 7 9 。0 310 8 6 5 4 f 5 2 1 1 5 00 7 6 41 2 9 31 4 0 21 1 5 41 8 2 40 2 5 20 3 90 5 31 ( 2g 4 只2 砒，： 1 0 6 90 6 7 11 1 7 41 2 3 01 0 5 81 6 9 20 1 6 10 3 8 7 0 5 1 8 4 g 1 1 1 2 , 4g 9 ，2 2 1 2 8 21 9 5 9 02 9 3 9 22 0 1 6 11 9 2 1 52 9 9 5 51 1 2 1 0 3 7 5 0 5 6 3 从图2 - 1 中，可以明显看出位于9 8 0h i 1 附近的吸收带很强，由于在9 8 0n m 处 n 3 + 离子吸收截面远大于e ，离子吸收截面，所以这个吸收带可以当作是由y b ”离 子的吸收引起的。积分吸收截面越大，对泵浦光的吸收将越强，也有利于y b 3 + 离子 将能量传递给e ，离子。所以研究y b ”离子在9 8 0i l n a 波长处的吸收截面，即对积分 吸收截面的分析具有重要的意义。 根椐积分吸收截面与吸收系数的关系，积分吸收截面咖可表示为口3 刁q ： 幽= 始= 高f d o m ( 2 - 9 ) 由式( 2 9 ) 可以计算得到沿n g jn m 、n p 三个轴在9 8 0n l l l 波长处的积分吸收 截面分别是5 4 9 x 1 0 啪c l n 2 、5 1 0 x 1 0 。1 9 c m 2 、8 6 2 x 1 0 1 9 c m 2 ，可以看出，当通光方向 沿着n p 轴向时其积分吸收截面大于沿n g 轴向和n m 轴向，因此泵浦光通过n p 轴 第二章e m 3 + ：k y w 晶体光谱的各向异性分析 向时其吸收较好。 上述结果表明y b 3 + 的积分吸收截面、e 一离子的电偶极跃迁的振子强度在不同 折射率主轴方向上有明显不同，这正是e r 3 + 肿3 + ：k y w 晶体吸收光谱各向异性的表 现。由于各轴向上的强度参量有较大的不同，因此，e r 3 - 厂y b 3 + ：k y w 晶体吸收光谱 具有各向异性。 3 3 荧光光谱各向异性分析 图2 2 是由e d i n b u r g hf l s9 2 0 型光谱仪测量9 8 0 姗泵浦下酣+ f y b 3 + ：k y w 晶 体各轴向的荧光光谱，依次为沿n g 、n m 、n p 轴向的荧光光谱。从图中可以很明显 看出，n p 轴向的荧光强度比n g 、n m 轴向要强。三个轴向的荧光光谱的差异，说明 e r 3 + y b 3 + ：k y w 晶体荧光光谱具有各向异性；通光轴向为n p 轴时，其荧光强度最强。 ， 穹 8 蚤 詈 。 苔 h 1 0 0 0 1 2 0 01 4 0 01 6 0 0i 0 0 0 1 2 0 0 1 4 0 01 6 0 0i 0 0 01 2 0 01 4 0 01 6 0 0 w a v e l e n g t h ( n m )w a v e l e n g t h ( n m )w a v e l e n g t h ( n m ) 图2 - 29 8 0 衄激发下e r 3 + 厂蚶+ ：k y w 晶体n g ，n m ，n p 三个轴向的荧光光谱 f i g 2 - 2e m i s s i o ns p e c t r ao fe r 3 + y b 3 + ：k y w o ft h et h r e ep r i n c i p a lo p t i c a la x e sn g ，n m ， n pp u m p e db y9 8 0n l n f 游、 福建师范大学硕士学位论文 第四节本章结论 本章在室温条件下测量和分析e r 3 + 厂y b ”：k y ( w 0 4 ) 2 晶体三个折射率主轴方向 上的吸收光谱和荧光光谱，其吸收光谱和荧光光谱谱带强度明显呈现各向异性。用 修正的j u d d 。o f e l t 理论分析e r 3 7 n 3 + ：量m v 晶体三个折射率主轴方向上的吸收光 谱，计算e ，离子在三个主轴方向上的强度参量g ，4 ，6 ) 和各光谱带的电偶极 跃迁振子强度，同时计算了y b ”离子在三个轴向上9 8 0n m 波长处的积分吸收截面。 最后，分析了e r 3 + 厂y b 3 + ：k y w 晶体各轴向的荧光光谱。结果表明：e r 3 - 厂y b 3 + ：k y w 晶体的吸收光谱和荧光光谱具有各向异性；相对n g 轴向和n m 轴向，通光方向沿 夺p 轴向时，e r 3 + 离子的振子强度、荧光强度和y b 3 + 离子在9 8 0n m 波长积分吸收截 面都是最大的。因此，e r 3 + 厂n ”：k y w 晶体做为激光晶体材料时，n p 轴向为最佳泵 浦轴向。 第三章 近年来， 应用使得稀土 发光中的应用 限制了其对泵 收效率引起研 8 0 0 1 1 0 0n i n 的发射波长正好与e ，离子吸收相重叠，由此，坩+ 离子能将能量传 递给e ，离子提高e ，离子的吸收效率，所以e r 3 + y b 3 + 共掺被人们广泛运用 1 0 0 , 1 0 2 , 1 0 4 - 1 0 6 。掺杂t m 3 + ，l u 3 + ，g d 3 + ，e 一和y b 3 + 等离子的k y w 晶体中光谱被人 们广泛研究 4 7 - 5 1 , 1 0 7 - 1 0 9 1 。 本文研究了e r 3 + y b 3 + ：k y w 晶体的上转换特性。实验测量了e r 3 v n 3 + ：k y w 晶 体沿n p 轴向上的的吸收光谱、上转换光谱、晶体中e 一离子4 1 1 3 2 叶4 1 1 5 忍能级跃迁 和坩+ 离子2 f 眈一2 f 7 a 能级跃迁的荧光衰减曲线。利用j o 理论，并由其吸收光谱 计算e r 3 + 离子各能级间的辐射跃迁概率。基于速率方程分析上转换过程中e ，+ 厂n 3 + 间的能量传递过程和e r 3 - 厂y b 3 + 能级上粒子布居，提出了e r 3 + 厂y b 3 + 共掺k y w 的上 转换动力学模型。通过求解速率方程并采用拟合荧光衰减实验曲线，得到频率上转 换系数( c 2 2 ( 4 1 l 耽+ 4 1 1 3 尼_ 4 k + 4 1 1 5 国、c 3 3 ( 4 i l l 尼+ 4 i n 2 - - - 4 1 1 5 a + 4 f 化) ) 和能量传递速 率p ( y b ( z f s 2 ) 一e r ( 4 1 11 2 ) ) 。 第二节实验测量及分析 2 1e r a + y b 3 + ：k y w 晶体的吸收光谱 图3 - 1 是常温下由p e r k i ne l m e r 的l a m b d a9 5 0 型u v - v i s - n i r 分光光度计测量 的e r 3 + y b 3 + ：k y w 晶体沿n p 轴向的吸收光谱，利用j u d d o f e l t 理论计算得到三个 强度参量奶，q 4 ，骁分别为6 2 5 9 x 1 0 珈c m 2 ，2 4 4 6 x 1 0 之oc m 2 和i 6 9 5 x 1 0 。2 0c m 2 ( 详 见第二章) 。 福建师范大学硕士学位论文 肠彤e l e n g t l g n m 图3 1e r y b ：k y w 晶体沿n p 轴向的吸收光谱 f i g 3 1a b s o r p t i o ns p e c t r u mo f e r y bc o - d o p e dk y wo f t h ep r i n c i p a lo p f i e na x e sn p 2 2e r 3 + y b 3 + ：k y w 晶体的上转换光谱 图3 - 2 为室温下由e d i n b u r g hf l s9 2 0 型光谱仪测量9 8 0 砌泵浦下e r 3 协3 + ： k y w 晶体沿n p 轴向的上转换荧光图，由图中可知，出现四个主要的上转换荧光峰分 别为5 3 4n m ，5 5 4n n l ，6 6 7n m 和8 0 6h i l l 。其在9 8 0n n l 泵浦下的上转换有如下几个主 要过程：首先，y b 3 + 离子吸收一个光子后，由基态2 f 5 彪能级受激跃迁到4 f 7 忽激发 态。由于，y b 3 + 离子的2 f 5 r 2 能级与e ，离子的4 i l l 陀能级能隙小，激发态) 3 + ( 2 f 眈) 与基态e 一( 4 1 1 5 a ) 通过能量传递，使处于基态4 1 1 5 陀能级的e ，离子跃迁致激发 态4 i l l ，2 能级，其能量传递过程为：( 2 f 5 尼( y b 3 + ) + 4 1 1 5 尼( e r 3 + ) 一2 f 7 2 ( y b 3 + ) + 4