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稀土掺杂氟化物多波长红外显示材料的研究

摘要：本文简单介绍了稀土发光原理、上转换发光材料的大致发展史、红外上转

换发光材料的应用以及当前研究现状。以PbF2为基质材料，ErF3为激活剂，YbF3

为敏化剂，采用高温固相反应法制备了PbF2:Yb上转换发光材料。重点讨论了

制备过程中，制备工艺中的烧结时间、烧结温度对红外激光显示材料发光效果的

影响。研究了Er3+/Yb3+发光系统在1064nm激光激发下的荧光光谱和上转换发

光的性质。实验表明，在1064nm激光激发下，材料可以发射出绿色和红色荧光，

是一种新型的红外激光显示材料。

关键字：1064nm上转换红外激光显示Er3+/Yb3+

KeyWords:1064nmUp-conversionInfraredlaserdisplayedmaterialsEr3+/Yb3+

第一章绪论

1.1稀土元素的光谱理论简介

1.1.1稀土元素简介

稀土元素是指周期表中IIIB族，原子序数为21的钪（S）：39的钇（Y）和

原子序数57至71的镧系中的镧（La）、铈（Tue）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、

钐（S）、铕（Tue）、钆（Wed）、铽（Ftp）、镝（Wed）、钬（Ho）、铒（Tue）、

铥（Ftp）、镱（Yb）、镥（Lu），共17个元素[1]。

1.1.2稀土离子能级：

稀土离子具有4f电子壳层，但在原子和自由离子的状态由于宇称禁戒，不

能发生f-f电子跃迁[37]。利用群论方法，采用U7R7G2R3群链的分支规则

可以方便地给出4ftp组态的全部正确的光谱项，通常用大写的英文字母表示光

谱项的总轨道角动量的量子数的数目，在光谱学中，用符号2S+1L表示光谱项。

1.1.3晶体场理论

晶体场理论认为，当稀土离子掺入到晶体中，受到周围晶格离子的影响时，

其能级不同自由离子的情况。这个影响主要来自周围离子产生的静电场，通常称

为晶体场[2]。晶体场使离子的能级劈裂和跃迁几率发生变化。稀土离子在固体

中形成典型的分立发光中心。在分立发光中心中，参与发光跃迁的电子是形成中

心离子本身的电子，电子的跃迁发生在离子本身的能级之间。中心的发光性质主

要取决于离子本身，而基质晶格的影响是次要的。

1.1.4基质晶格的影响

基质晶格对f→d跃迁的光谱位置有着强烈的影响，另外其对f→f跃迁的影

响表现在三个方面：（1）可改变三价稀土离子在晶体场所处位置的对称性，使不

同跃迁的谱强度发生明显的变化；（2）可影响某些能级的分裂；（3）某些基质的

阴离子团可吸收激发能量并传递给稀土离子而使其发光，即基质中的阴离子团起

敏化中心的作用。

1.2上转换发光材料的发展概况

发光是物体内部以某种方式吸收的能量转换为光辐射的过程。发光学的内容

包括物体发光的条件、过程和规律，发光材料与器件的设计原理、制备方法和应

用，以及光和物质的相互作用等基本物理现象。发光物理及其材料科学在信息、

能源、材料、航天航空、生命科学和环境科学技术中的应用必将促进光电子产业

的迅猛发展，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技的发展起着举

足轻重的推动作用。一般来说，要制备高效的上转换材料，首先要寻找合适的基

质材料，当前研究的上转换材料多达上百种，有玻璃、陶瓷、多晶粉末和单晶。

其化合物可分为：（1）氟化物；（2）氧化物；（3）卤氧化物；（4）硫氧化物；（5）

硫化物等。

迄今为止，上转换发光研究取得了很大的进展，人们已在氟化物玻璃、氟氧

化物玻璃及多种晶体中得到了不同掺杂稀土离子的蓝绿上转换荧光。

1.3上转换发光的基本理论

通过多光子机制把长波辐射转换成短波辐射称为上转换，其特点是吸收光子

的能量低于发射光子的能量。稀土离子上转换发光是基于稀土离子4f电子能级

间的跃迁产生的。由于4f外壳层电子对4f电子的屏蔽作用，使得4f电子态间的

跃迁受基质的影响很小，每种稀土离子都有其确定的能级位置，不同稀土离子的

上转换发光过程不同。目前可以把上转过程归结于三种形式：激发态吸收、光子

雪崩和能量传递上转换。

1.3.1激发态吸收

激发态吸收（ExcitedStatedAbsorption简写为ESA）是上转换发光中的最基

本过程，