飞秒激光场下稀土离子上转换发光调控
发布时间：2021-07-08 05:59
稀土离子以其特有的电子结构和发光特性被广泛应用于各种发光材料。稀土离子的发光主要是通过其内部4f电子在不同能级之间跃迁产生,具有荧光特性好、发光色度纯、物化性质稳定、能量转换效率高等特点,因此被广泛应用于激光光源、光纤通讯、彩色显示、医学成像、生物标签等领域。在稀土离子掺杂材料发光性能的研究中,大多数工作采用连续激光作为激发光源。随着超短脉冲激光技术的发展,飞秒激光脉冲逐步成为新的激发光源。飞秒激光具有脉冲时间短、峰值功率高和光谱范围宽等优点,作为稀土离子掺杂发光材料的激发光源具有独特的优势。本论文主要研究通过调制飞秒激光的偏振、相位等参数,来控制掺杂稀土离子的吸收激发、离子间能量转移等影响其发光性能的物理过程,从而实现对材料发光强度的调控和发光色彩的调谐。主要的研究工作如下:1、研究了在中等强度800nm飞秒激光场激发下,激光偏振对掺杂Sm3+玻璃样品上转换发光强度的影响。研究表明,激光偏振对发光强度的调制效率随着激光功率的增加而逐渐降低。我们利用基于四阶微扰理论的多光子吸收模型进行了相应的理论计算。计算结果表明,随着激光功率的增加,双光子吸收激发路径与四光子吸...
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
稀土离子能级图[7]
第一章绪论3目前，各类稀土离子在晶体中的能级结构已被大量测定，并归纳汇总于图1.1中。能级信息能够为所测发光峰对应的跃迁过程的分析提供便利，为后续工作提供参考与指导。图1.2中标出了紫外到近红外光谱区域所对应的稀土离子主要上转换发光峰分布图，并标注了相应的离子种类与能级跃迁信息。由此可见，虽然4f组态中形成了众多能级，但是每种稀土离子只有部分能级跃迁过程可以实现有效发光。强度较大的几个特征发光峰的波长位置构成了每种稀土元素的独特标签。图1.2紫外到近红外区域典型的稀土离子发光峰[8]。1.2.2稀土离子的发光机制按照激发光子与释放光子能量的大小关系，可以将稀土离子的发光方式分为三类：下转移发光过程、量子裁剪过程，以及最为常见的上转换发光过程[9]，如图1.3所示。在下转移发光过程中，位于基态E0的稀土离子被泵浦到较高激发态E2，然后通过无辐射弛豫到较低激发态E1，回到基态、释放出荧光。在这个过程中激发光子能量大于发射光子能量。图1.3(b)中的量子裁剪过程是一种特殊的下转移发光过程，离子吸收一个光子，并辐射出两个或多个低能光子。它需要上能级E2的粒子布居数较大，辐射低能光子对应的上能级离子浓度也相对较大。此过程的量子效率超过100%，因此在太阳能电池中具有较大的应用前景[10]。
第一章绪论4图1.3稀土离子发光方式：(a)下转移过程，(b)量子裁剪，(c)上转换过程。图1.4稀土掺杂材料中最为典型的五种上转换发光机制：(a)激发态吸收，(b)能量转移上转换，(c)光子雪崩，(d)合作上转换发光，(e)能量迁移上转换。上转换发光过程指的是将两个或多个低能光子转换成一个高能光子的非线性光学过程，其中上转换指的是频率或能量，该过程是稀土离子发光的主要过程。因此，实验中通常使用光子能量较低的980nm或808nm波长的连续激光激发稀土离子掺杂材料，以实现从近红外光到可见光、紫外光的转换。上转换发光过程的主要发光机制包括以下五种，如图1.4所示：(a)激发态吸收(ESA)：激发的形式是单个粒子对泵浦光子的连续吸收。处于基态的离子被泵浦到激发态。为确保处于激发态的离子能够吸收光子，跃迁到更高的激发态，就需要中间能级相对稳定，并且拥有足够的粒子布居数。增强ESA
【参考文献】：
期刊论文
[1]Controlling multiphoton excited energy transfer from Tm3+ to Yb3+ ions by a phase-shaped femtosecond laser field[J]. YE ZHENG,LIANZHONG DENG,JIANPING LI,TIANQING JIA,JIANRONG QIU,ZHENRONG SUN,SHIAN ZHANG. Photonics Research. 2019(04)
[2]Up-conversion luminescence polarization control in Er3+-doped NaYF4 nanocrystals[J]. 张晖,姚云华,张诗按,卢晨晖,孙真荣. Chinese Physics B. 2016(02)
[3]飞秒激光脉冲整形技术及其应用[J]. 姚云华,卢晨晖,徐淑武,丁晶新,贾天卿,张诗按,孙真荣. 物理学报. 2014(18)
[4]用SPIDER法测量飞秒激光脉冲的光谱相位[J]. 王鹏,王兆华,魏志义,郑加安,孙敬华,张杰. 物理学报. 2004(09)
本文编号：3271001
【文章来源】：华东师范大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
稀土离子能级图[7]
第一章绪论3目前，各类稀土离子在晶体中的能级结构已被大量测定，并归纳汇总于图1.1中。能级信息能够为所测发光峰对应的跃迁过程的分析提供便利，为后续工作提供参考与指导。图1.2中标出了紫外到近红外光谱区域所对应的稀土离子主要上转换发光峰分布图，并标注了相应的离子种类与能级跃迁信息。由此可见，虽然4f组态中形成了众多能级，但是每种稀土离子只有部分能级跃迁过程可以实现有效发光。强度较大的几个特征发光峰的波长位置构成了每种稀土元素的独特标签。图1.2紫外到近红外区域典型的稀土离子发光峰[8]。1.2.2稀土离子的发光机制按照激发光子与释放光子能量的大小关系，可以将稀土离子的发光方式分为三类：下转移发光过程、量子裁剪过程，以及最为常见的上转换发光过程[9]，如图1.3所示。在下转移发光过程中，位于基态E0的稀土离子被泵浦到较高激发态E2，然后通过无辐射弛豫到较低激发态E1，回到基态、释放出荧光。在这个过程中激发光子能量大于发射光子能量。图1.3(b)中的量子裁剪过程是一种特殊的下转移发光过程，离子吸收一个光子，并辐射出两个或多个低能光子。它需要上能级E2的粒子布居数较大，辐射低能光子对应的上能级离子浓度也相对较大。此过程的量子效率超过100%，因此在太阳能电池中具有较大的应用前景[10]。
第一章绪论4图1.3稀土离子发光方式：(a)下转移过程，(b)量子裁剪，(c)上转换过程。图1.4稀土掺杂材料中最为典型的五种上转换发光机制：(a)激发态吸收，(b)能量转移上转换，(c)光子雪崩，(d)合作上转换发光，(e)能量迁移上转换。上转换发光过程指的是将两个或多个低能光子转换成一个高能光子的非线性光学过程，其中上转换指的是频率或能量，该过程是稀土离子发光的主要过程。因此，实验中通常使用光子能量较低的980nm或808nm波长的连续激光激发稀土离子掺杂材料，以实现从近红外光到可见光、紫外光的转换。上转换发光过程的主要发光机制包括以下五种，如图1.4所示：(a)激发态吸收(ESA)：激发的形式是单个粒子对泵浦光子的连续吸收。处于基态的离子被泵浦到激发态。为确保处于激发态的离子能够吸收光子，跃迁到更高的激发态，就需要中间能级相对稳定，并且拥有足够的粒子布居数。增强ESA
【参考文献】：
期刊论文
[1]Controlling multiphoton excited energy transfer from Tm3+ to Yb3+ ions by a phase-shaped femtosecond laser field[J]. YE ZHENG,LIANZHONG DENG,JIANPING LI,TIANQING JIA,JIANRONG QIU,ZHENRONG SUN,SHIAN ZHANG. Photonics Research. 2019(04)
[2]Up-conversion luminescence polarization control in Er3+-doped NaYF4 nanocrystals[J]. 张晖,姚云华,张诗按,卢晨晖,孙真荣. Chinese Physics B. 2016(02)
[3]飞秒激光脉冲整形技术及其应用[J]. 姚云华,卢晨晖,徐淑武,丁晶新,贾天卿,张诗按,孙真荣. 物理学报. 2014(18)
[4]用SPIDER法测量飞秒激光脉冲的光谱相位[J]. 王鹏,王兆华,魏志义,郑加安,孙敬华,张杰. 物理学报. 2004(09)
本文编号：3271001
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