摻雜Er3+、Yb3+玻璃陶瓷發(fā)光性質及其影響因素*

康　永

(陜西金泰氯堿化工有限公司　陜西 榆林　718100)

?

摻雜Er3+、Yb3+玻璃陶瓷發(fā)光性質及其影響因素*

康永

(陜西金泰氯堿化工有限公司陜西 榆林718100)

摘要稀土離子Er3+、Yb3+摻雜的透明玻璃陶瓷，通過調整組分及熱處理條件，可以實現(xiàn)對玻璃網絡結構和玻璃化能力的調節(jié)，達到析晶可控與稀土在納米晶相中重摻的目的。它兼具晶體和玻璃的一些優(yōu)點，具有高發(fā)光效率、高透過率、高穩(wěn)定性和發(fā)光波段可調等優(yōu)異性能。而且其熱導性和耐熱沖擊性比較好，使之更適合用作大功率激光工作物質。筆者介紹了摻雜Er3+、Yb3+稀土離子的玻璃陶瓷發(fā)光機理，并探討了其影響因素。

關鍵詞玻璃陶瓷稀土離子摻雜發(fā)光機理光譜特性

玻璃陶瓷又稱為微晶玻璃, 是在制得玻璃體后, 通過一系列復雜的熱處理工藝 (包括晶體的形核以及控制其晶粒大小) 而獲得的一種既含有大量微晶又含有一定量的玻璃相的固體材料[1]。與單晶相比，玻璃陶瓷的制備工藝相對簡單，制備周期較短，并且玻璃陶瓷可以同時具有玻璃(成分均勻、透明度高)和陶瓷(致密度高、具有晶體結構)的特點[2]。

近年來，Er3+和Yb3+摻雜的玻璃陶瓷，由于其在1.5 μm微片激光器、光纖激光器與放大器領域的應用而受到了極大的關注[3]。它具有離子溶解度高、吸收截面和發(fā)射截面寬、離子間能量傳遞效率高、熒光壽命長、聲子能量適中、不易產生熒光猝滅、增益大等多種優(yōu)勢，很適合作為高增益光纖激光器與放大器的光纖材料。

同時，玻璃陶瓷存在化學和機械穩(wěn)定性好、熱導性和軟化溫度好等優(yōu)點，因而在相關研究領域很受歡迎。因此，從性能、制備工藝和成本的角度考慮，探索制備透明度高和光學性能良好的玻璃陶瓷。通過對透明的玻璃進行熱處理，得到具有不同結晶率和透明度的玻璃陶瓷，探討熱處理工藝以及摻雜元素對玻璃陶瓷光學性能的影響成為學術界的研究熱點。

1　摻雜Er3+、Yb3+玻璃陶瓷的發(fā)光機理

不同稀土離子上轉換過程有一定的區(qū)別，但一般而言，上轉換發(fā)光都包括中心的雙光子吸收、激發(fā)態(tài)吸收，能量傳遞和光子雪崩4個主要的過程。由于光子雪崩過程比較復雜，筆者的研究中并未涉及，因此僅討論前3個過程。中心的雙光子吸收指的是一個發(fā)光中心在光子與發(fā)光中心的相互作用下，同時吸收兩個光子的過程，是一種典型的非線性光學效應。在吸收了兩個較小能量的光子后，達到較高激發(fā)態(tài)的粒子直接向基態(tài)躍遷，產生上轉換發(fā)光。值得注意的是，由于中心的雙光子吸收過程具有二階過程的特性，只有在較高的激發(fā)密度下，上轉換發(fā)射才易于觀測。

圖1　磷酸鹽玻璃陶瓷中Er3+和Yb3+的能級圖和上轉換發(fā)光示意圖

結合Er3+和Yb3+的能級圖(見圖1)，可以得到以下的上轉換發(fā)光機制。對于綠光來說，處于基態(tài)4I15/2能級上的Er3+主要通過Yb3+的能量傳遞躍遷至激發(fā)態(tài)能級4I11/2：2F5/2(Yb3+)+4I15/2(Er3+)→2F7/2(Yb3+)+4I11/2(Er3+)。接著處于4I11/2能級上的Er3+一部分繼續(xù)接受處于激發(fā)態(tài)的Yb3+的能量傳遞(ET)：2F5/2(Yb3+)+4I11/2(Er3+)→2F7/2(Yb3+)+4F11/2(Er3+)；或者通過激發(fā)態(tài)吸收(ESA) ：4I11/2(Er3+)+hv→4F7/2(Er3+)；亦或者通過2個Er3+之間發(fā)生交叉弛豫(CR)：2I11/2(Er3+)+4I11/2(Er3+)→4F7/2(Er3+)+4I15/2(Er3+)，實現(xiàn)4F7/2能級上的粒子數(shù)布居，然后該能級上的離子很快無輻射弛豫到2H11/2和4S3/2能級，進而分別向基態(tài)4I15/2能級躍遷并發(fā)出波長為521 nm和543 nm的綠光。另一部分處于4I11/2能級上的Er3+則無輻射弛豫到4I13/2能級，同樣通過以上3種方式進一步躍遷，即(ET)：2F5/2(Yb3+)+4I13/2(Er3+)→2F7/2(Yb3+)+4F9/2(Er3+)； ESA:4I13/2(Er3+)+hv→4F9/2(Er3+)；CR：2I13/2(Er3+)+4I11/2(Er3+)→4I15/2(Er3+)+4F9/2(Er3+)；或者通過上能級的無輻射弛豫4S3/2(Er3+)→4F9/2(Er3+)，來實現(xiàn)4F9/2能級上的粒子數(shù)布居。然后該能級上的離子向基態(tài)4I15/2能級躍遷并發(fā)射出波長為656 nm的紅光[4]。而處于4F9/2能級上的Er3+還可以繼續(xù)通過Yb3+→Er3+間的能量傳遞，或Er3+之間的交叉弛豫或激發(fā)態(tài)吸收躍遷至2H9/2能級，當離子從2H9/2能級躍遷回基態(tài)時，即發(fā)出波長為407 nm的藍光。

2　摻雜離子濃度變化對玻璃陶瓷發(fā)光性質的影響

摻雜離子的濃度對玻璃析晶的能力有一定影響，通常摻雜濃度越高，玻璃越容易析晶。圖2是室溫980 nm激發(fā)下不同濃度Yb3+摻雜的玻璃和玻璃陶瓷樣品的上轉換發(fā)射譜。

圖2中峰值位于523 nm、545 nm和657 nm的發(fā)射分別對應于Er3+的2H11/2→4I15/2、4S3/2→4I15/2和4F9/2→4I15/2的躍遷。作為敏化劑而被摻雜的Yb3+在近紅外附近的吸收帶寬比較寬，它很容易被輸出波長為980 nm的泵浦激光器激發(fā)，并且它與Er3+之間擁有較高的能量傳遞效率。所以，在很多情況下，摻雜越高濃度的樣品，其離子的上轉換發(fā)射效率越高。很顯然，如圖2(a)所示的玻璃樣品就符合這一情況，隨著Yb3+的濃度增大，樣品的發(fā)射強度也得到增強。而在圖2(b)中，GC670樣品的綠光發(fā)射也隨Yb3+的濃度增加而增強，但紅光發(fā)射強度卻按照摻雜濃度15%Yb，20%Yb，25%Yb的順序先上升后下降，摻雜高濃度Yb3+樣品的綠光紅光發(fā)射強度比值更大。進一步分析可知，Yb3+濃度的增加，會導致更多的Yb3+在玻璃析晶后，進入GdPO4晶粒，從而縮短Yb3+-Er3+間的距離，提高Yb3+和Er3+間的能量傳遞效率。這些變化所產生的影響與稀土離子在微晶中聚集所產生的影響相同，因此，摻雜高濃度Yb3+樣品的綠光、紅光發(fā)射強度比值也會更大。

(a)980 nm泵浦光源激發(fā)下不同濃度Yb3+摻雜PG樣品的可見上轉換發(fā)射譜　(b) GC670樣品的可見上轉換發(fā)射譜

合成Er3+摻雜濃度為1%，2%和3%的玻璃和玻璃陶瓷樣品。圖3(a)和3(b)分別給出了室溫980 nm泵浦光源激發(fā)下不同濃度Er3+摻雜PG樣品的可見上轉換發(fā)射譜和GC670樣品的可見上轉換發(fā)射譜。從圖3(a)看出，玻璃和玻璃陶瓷樣品的上轉換發(fā)射強度都隨著Er3+濃度的增大而先上升后下降，Er3+摻雜濃度為2%時，樣品發(fā)光最強，濃度為3%的樣品已經出現(xiàn)了濃度猝滅。高摻雜濃度使Er3+中心間的距離小于臨界距離，從而產生級聯(lián)能量傳遞。這種能量遷移過程使處于激發(fā)態(tài)的Er3+輻射躍遷所產生的能量最終進入猝滅中心，導致發(fā)光的猝滅。由于高濃度摻雜的Er3+進入玻璃陶瓷的微晶中后，發(fā)生聚集，Er3+間的距離進一步縮短，濃度猝滅效應在玻璃陶瓷樣品中會更加明顯。圖3(b)中所描繪的現(xiàn)象與上述分析一致，結晶程度更好的GC670樣品的上轉換發(fā)射強度明顯下降了。

(a)980 nm泵浦光源激發(fā)下不同濃度Er3+摻雜PG樣品的可見上轉換發(fā)射譜　(b)GC670樣品的可見上轉換發(fā)射譜

3　不同泵浦功率對玻璃陶瓷發(fā)光性質的影響

圖4為不同功率(980 nm)激發(fā)下，25%Yb3+,2%Er3+摻雜的GC670樣品的上轉換發(fā)射譜。

圖4　不同功率(980 nm)激發(fā)下，25%Yb3+,2%Er3+摻雜的GC670樣品的上轉換發(fā)射譜

從圖4中可以看出，不同泵浦功率激發(fā)下，樣品的加熱效應變化比較明顯，離子的兩個熱耦合能態(tài)和向基態(tài)躍遷所產生的相對發(fā)射強度比值變化比較大。在研究不同溫度對樣品上轉換發(fā)射影響時，為了獲得更準確的溫度值，必須盡量避免激光所帶來的加熱效應。我們將和功率激發(fā)下樣品在范圍發(fā)射譜進行了歸一化處理，比較發(fā)現(xiàn)，在這兩個功率激發(fā)下樣品的綠光發(fā)射并沒有明顯變化。因此，可以推斷，當泵浦功率低至以下，激光所帶來的加熱效應才可以忽略。另外，在測試過程中，我們發(fā)現(xiàn)樣品發(fā)光的顏色隨著泵浦功率的變化有了比較明顯的改變。是由Er3+的4I11/2態(tài)上布居數(shù)變化造成的，唯一不同的是引起4I11/2態(tài)上布居數(shù)變化的因素。其中一個因素是稀土離子聚集在玻璃陶瓷的微晶中，Yb3+-Er3+間距縮短，使得Yb3+和Er3+間的能量傳遞效率提高，從而導致Er3+的4I11/2態(tài)上布居數(shù)增加。另一個因素是較高的泵浦功率能更有效地激發(fā)Yb3+，處于激發(fā)態(tài)的Yb3+更多了，受Yb3+和Er3+間能量傳遞過程影響的離子態(tài)的布居數(shù)也會相應地增加。

4　不同溫度對玻璃陶瓷發(fā)光性質的影響

選取980 nm泵浦光源作為激發(fā)光源，測試了295～535 K溫度環(huán)境下25%Yb3+，2%Er3+摻雜GC670樣品的上轉換綠光發(fā)射譜(如圖5所示)。為了方便測試，先將GC670樣品置于瑪瑙研缽中研磨20 min至粉末狀態(tài)，然后取少量粉末樣品填充于銅質樣品臺的樣品槽中，并確保樣品表面平整。在圖5中，GC670樣品的綠光發(fā)射區(qū)域由兩個明顯的發(fā)射帶組成，分別對應Er3+熱耦合能態(tài)2H11/2和4S3/2向基態(tài)4I15/2躍遷所產生的發(fā)射。將不同溫度下的光譜按峰值位于544 nm的最強發(fā)射進行歸一化后，可以看出，峰值位于544 nm的發(fā)射譜形狀整體無明顯變化，而2H11/2→4I15/2躍遷突光發(fā)射強度I523 nm與4S3/2→4I15/2躍遷突光發(fā)射強度I545 nm的比值R隨著溫度的升高而增大，且增大的幅度比較明顯。

圖5　950 nm激發(fā)下不同溫度25%Yb3+，2%Er3+摻雜GC670樣品的上轉換綠光發(fā)射譜

5　結語

Er3+激發(fā)態(tài)的壽命與亞穩(wěn)態(tài)的壽命差別很大，激發(fā)態(tài)壽命一般都比亞穩(wěn)態(tài)的壽命短很多。因此，被泵浦到激發(fā)態(tài)的Er3+，在與基質晶格振動的相互作用下，很快就會無輻射弛豫到亞穩(wěn)態(tài)。由于亞穩(wěn)態(tài)的壽命相對較長，粒子在亞穩(wěn)態(tài)上堆積，很容易形成亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間的粒子數(shù)反轉。形成粒子數(shù)反轉后，信號光就能與處于亞穩(wěn)態(tài)的Er3+發(fā)生受激輻射效應，由于亞穩(wěn)態(tài)Er3+受激福射產生的光子與信號光具有相同的相位、頻率以及偏振狀態(tài)，信號光就得到了放大?；贓r3+的這種特性，摻雜Er3+的材料被視為一種理想的光放大材料，被廣泛地研究和應用。

Yb3+是一種十分常用的敏化離子，一方面是因為在近紅外附近的吸收帶寬比較寬，并且它的2F5/2和2F7/2態(tài)之間的能量差與很多稀土離子激發(fā)態(tài)間的能量差相匹配，這為Yb3+與這些離子激發(fā)態(tài)之間的能量傳遞提供的合適的條件。

Er3+/Yb3+共摻雜的玻璃陶瓷是一類常見的上轉換發(fā)光材料，從上轉換材料被發(fā)現(xiàn)一直到現(xiàn)在，盡管研究人員們已經發(fā)現(xiàn)了很多其他離子摻雜的上轉換材料，但從這類材料的發(fā)展歷程中我們不難看出，Er3+/Yb3+共摻雜的上轉換材料在整個上轉換材料體系中占有十分重要的地位，它至今仍是一個研究的熱點。在Er3+/Yb3+共摻雜的上轉換材料中，由于發(fā)射波長覆蓋的范圍寬，從紫外到近紅外均有發(fā)射，較低摻雜濃度的Er3+一般作為該材料的發(fā)光中心。Yb3+則因為很容易被輸出波長為980 nm的泵浦激光器激發(fā)以及與Er3+之間擁有較高的能量傳遞效率，常作為敏化離子摻雜在玻璃陶瓷中，用以提高上轉換效率。

參考文獻

1黃婧,黃衍堂,吳天嬌,等.用錐光纖微球研究Er3+/Yb3+共摻氟氧玻璃陶瓷的發(fā)光特性.物理學報,2014,63(12):1～8

2王晨陽,胡關欽,王紅,等.B14S13O12基玻璃陶瓷的制備及熱處理對其光學性能的影響.無機材料學報,2014,29(2):167～171

3柳祝平,戴世勛,胡麗麗,等.Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽鉺玻璃光譜性質研究.中國激光,2001,28(5):467～469

4于曉晨,都愛斌,劉波,等.Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽玻璃陶瓷的發(fā)光性質研究.材料導報(研究篇),2013,27(12):25～29

*作者簡介：康永(1981-)，碩士研究生，工程師；主要從事復合材料研究工作。

中圖分類號：TQ174.75

文獻標識碼：B

文章編號：1002-2872(2016)07-0019-05

基金項目：廣東省應用型科技研發(fā)專項資金項目(項目編號：2015B090927002)；廣東省產學研合作項目(項目編號：2012B091000026)；廣東省產學研合作協(xié)同創(chuàng)新與平臺環(huán)境建設項目(項目編號：2014B090903003)。

Luminescent Properties & Influencing Factores of Er3+、Yb3+Co-doped Glass Ceramics

Kang Yong

(Shaanxi Jintai Chlor-alkali Chemical Industry Co., LTD,Shaanxi,Yulin,718100)

Abstract:Transparent glass ceramics doped with rare earth ions Er3+and Yb3+can be adjusted by adjusting the composition and heat treatment. The structure and glass of the glass can be adjusted to achieve the purpose of controlling the content of rare earth in the nanocrystalline phase. It has some advantages of both crystal and glass, with high luminous efficiency, high transmittance, high stability and can be adjusted and so on. And its thermal conductivity and thermal shock resistance is good, so it is more suitable for the work of high power laser material. In this paper, the luminescent mechanism of Er3+and Yb3+rare earth ions was introduced, and the influence factors were discussed.

Key words:Glass ceramics; Rare earth ions; Doped; Luminescence mechanism; Spectral characteristic