1 暨南大学理工学院光电工程系，广州 510632
2 中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷与超微结构国家重点实验室，上海 201899
稀土掺杂萤石卤化物在国民经济、**建设等领域发挥着不可替代的作用。萤石卤化物特殊的晶体结构导致稀土离子团聚，目前针对稀土离子团聚的系统研究还比较少。本文以稀土掺杂萤石卤化物为研究对象，采用第一性原理计算系统研究了从稀土离子单体到高阶团簇的结构特征、演变规律、联系及其影响因素。研究发现，稀土离子单体中心1|0|0|11(C4v)和1|0|0|12(C3v)稳定性随离子半径变化而改变，且不同晶体的变化趋势不同，与晶格畸变分析结果一致。晶格畸变与库仑作用相互耦合决定了电荷补偿间隙卤离子的占位倾向性，即C4v和C3v中心的相对稳定性。此外，共价效应使得PbF2和SrCl2晶体单体中心结构及其稳定性与CaF2、SrF2和BaF2不同。研究还揭示了晶体离子性和晶胞尺寸对单体中心能量差斜率的影响。文中还研究了稀土离子高阶团簇的结构，其稳定性演变规律与单体中心相对应。本文提出了高阶团簇相对稳定性判据，为新型稀土掺杂萤石卤化物的探索、筛选和研发提供指导，有望进一步拓展其应用范围。
萤石卤化物晶体 稀土离子团簇 结构演变 晶格畸变 高阶团簇 fluorite halide crystal rare earth ion cluster structure evolution lattice distortion high-order cluster
红外与激光工程
2023, 52(5): 20230215
1 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
2 暨南大学理工学院光电工程系, 广州 510000
稀土离子掺杂氟化物晶体具有宽透光波段高透过率、低声子能量、长荧光寿命、负热光系数等优良特性, 可以产生从紫外到中红外波段激光, 是一类重要的激光增益介质。本文综述了本团队在稀土离子掺杂LiLuF4、LiYF4、BaY2F8、LaF3、PbF2、CeF3等氟化物晶体生长、光学和激光性能等方面的研究进展, 总结了稀土离子共掺敏化、退激活、能级耦合调控以及多离子发光等方面的研究工作, 展望了稀土离子掺杂氟化物激光晶体的研究发展趋势。
稀土离子 氟化物晶体 激光晶体 晶体生长 光学性能 激光性能 rare-earth ion fluoride crystal laser crystal crystal growth optical property laser property 人工晶体学报
2022, 51(9-10): 1573
1 武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室, 武汉 430070
2 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室, 广州 510640
中红外光源在**安全、食品安全、光谱分析等**或国民经济的重要行业有着重要的应用。近年来, 稀土离子掺杂硫系玻璃和光纤的研究主要集中在提高稀土离子溶解度、降低稀土离子局域声子能量和敏化离子共掺等方面。在玻璃和光纤中获得了Dy3+、Pr3+、Dy3+、Tb3+、Sm3+等稀土离子的中红外荧光, 这种宽带中红外荧光在传感领域得到了应用, 实现了CO2、CH4等气体的传感。本文综合评述了稀土掺杂中红外硫系玻璃和光纤的研究进展, 讨论了影响硫系玻璃光纤中红外发光的各种因素, 包括稀土离子溶解度、稀土离子周围声子能量、敏化离子间能量传递和杂质损耗等, 重点总结了宽带中红外荧光在气体传感领域的研究进展, 指出对于稀土离子掺杂硫系光纤气体传感器的研究有5个方面存在不足。如何在稀土掺杂玻璃光纤中获得中红外激光仍是一个急需研究的方向, 除了从有源光纤制备(基质选择、稀土离子共掺、局域结构调控、预制棒玻璃提纯等)的角度来寻求解决方案, 还需要从光纤光栅刻写技术、泵浦激光器功率和波长调谐方面进行研究。稀土掺杂中红外硫系光纤凭借其小巧、紧凑以及经济性等优点展现出巨大的应用潜力, 未来在多个领域的物质检测方面将实现广泛应用, 具有巨大的应用前景。
稀土离子掺杂 气体传感 硫系玻璃光纤 中红外发光 rare earth ion doped gas sensing chalcogenide glass fiber mid infrared luminescence
东北大学信息科学与工程学院流程工业综合自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819
稀土离子掺杂碲酸盐玻璃及光纤具有荧光特性、良好的抗结晶热稳定性、低转变温度、高非线性、高折射率以及强穿透性等显著优势。随着人们对碲酸盐玻璃研究的不断深入，基于稀土离子掺杂碲酸盐玻璃及光纤制成的荧光传感器因响应速度快、抗电磁干扰能力强、分辨率高和稳定性好等特性在传感领域备受关注。综述了稀土离子掺杂碲酸盐玻璃及光纤的制备方法、特性、工作原理及其在传感领域的应用，从温度传感、压力传感、浓度传感三个方面展开介绍并对其传感应用前景进行了展望。
材料 稀土离子掺杂碲酸盐玻璃 光纤 荧光特性 低转变温度 温度传感 激光与光电子学进展
2022, 59(15): 1516017
1 北京师范大学 应用光学北京重点实验室与物理学系，北京 100875
2 上海应用技术大学 材料科学与工程学院，上海 200235
3 北京科技大学 材料科学与工程学院，北京 100083
为了提高稀土离子的发光性能，在稀土发光材料中引入了贵金属纳米颗粒。金属等离子体共振可以产生局域电场，作用于稀土离子的发光过程，能达到发光增强的效果。Ag@SiO2核壳结构纳米颗粒可以有效控制金属Ag与稀土离子之间的距离，既能达到等离子体共振增强的效果，又可以避免与发光中心距离过近时产生非辐射能量传递导致的荧光淬灭。用滴铸法先将不同浓度的Ag@SiO2纳米颗粒滴在石英片上，再将Eu(dbm)3phen:PMMA: 二氯甲烷混合溶液旋涂制备得到Eu-PMMA复合薄膜。对样品进行形貌表征和发光测量，发现Ag@SiO2纳米颗粒的引入使薄膜的发光强度得到增强，测量的激发光谱的最大增强因子为2.50倍，发射光谱的最大增强因子为2.15倍。同时荧光寿命测量结果显示，含有Ag@SiO2纳米颗粒的薄膜样品的发光寿命也得到延长。在稀土发光材料中引入Ag@SiO2纳米颗粒展现了良好的发光增强效果，且实验方法可操作性强，具有良好的应用潜力。
稀土离子发光 等离子体增强 Ag@SiO2核壳结构 聚甲基丙烯酸甲酯 rare earth ion luminescence plasma enhancement Ag@SiO2 core-shell structure PMMA
1 南京邮电大学电子与光学工程、 微电子学院, 江苏 南京 210023
2 中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室, 上海 201800
采用溶胶-凝胶法结合纳米粉体高温烧结工艺制备了Yb-Al、Yb-Al-P和Yb-P三个体系共掺石英玻璃,系统探究了Al 3+和P 5+的含量变化对掺Yb 3+石英玻璃在1018 nm处吸收和荧光性能的影响规律。通过对比不同掺杂体系在1018 nm处的光谱性能发现,随着P 5+掺杂浓度的提高,1030 nm附近的荧光次峰蓝移至1018 nm附近,Yb-P掺杂石英玻璃系列样品在1018 nm处的归一化荧光强度明显优于其他系列。利用Raman光谱结合超低温电子顺磁共振(EPR, 4 K)从原子尺度上对Yb 3+的配位环境进行了精确解析。Al 3+和P 5+的引入使得Yb 3+的配位环境迥异,这与Al 3+、P 5+对Yb 3+在1018 nm处光谱性质的影响规律相符。
材料 掺Yb
3+石英玻璃 1018 nm同带泵浦 光谱性能 稀土离子局域环境 中国激光
2021, 48(11): 1103001
1 宁波大学高等技术研究院 红外材料及器件实验室, 浙江 宁波 315211
2 宁波海洋研究院, 浙江 宁波 315211
由于在人眼安全、光电探测、中红外超连续谱产生等方面的应用, 2.0 μm波段中红外激光器引起了人们越来越广泛的关注。本文采用熔融-淬冷法制备了含BaF2纳米晶、Tm3+离子单掺及Ho3+/Tm3+共掺的85SiO2-7.5KF-7.5BaF2(SKB)玻璃陶瓷, 表征了样品的拉曼光谱、吸收光谱、808 nm泵浦下在2.0 μm处的发光性能, 得到了实验过程中Ho3+/Tm3+的最佳掺杂浓度。结果发现, Ho2O3、Tm2O3掺杂浓度均为1.0%时, 2.0 μm处Ho3+: 5I7→5I8发射峰强度达到最大, 并对Ho3+和Tm3+之间的能量转移机制进行了详细分析和讨论。研究表明, Tm3+/Ho3+共掺的BaF2纳米晶SiO2-KF-BaF2玻璃陶瓷有望成为2.0 μm波段中红外固体激光器的增益基质。
硅酸盐玻璃 稀土离子掺杂 2.0 μm发光 中红外发光 silicate glass rare earth ion doped 2.0 μm fluorescence BaF2 BaF2 mid-infrared emission
1 长春工业大学 化学与生命学院&材料科学高等研究院, 吉林 长春 130012
2 长春工业大学 材料科学与工程学院, 吉林 长春 130012
通过水热法制备了碱金属离子(Li+、Na+、K+)共掺的MgSc2O4∶Er3+/Yb3+ 纳米晶,获得类球状纳米晶的平均尺寸约为35 nm。通过改变碱金属离子的种类和数量,获得了增强上转换发光。发现K+离子共掺MgSc2O4∶Er3+/Yb3+纳米晶发光强度最佳,并且随着K+掺杂量的不断增加,纳米晶的发射强度逐渐增强,这是由于K+离子引入了最大的晶体场不对称性。随后,通过调控Yb3+和Er3+的掺杂浓度,发现发光强度最强样品为K+离子共掺MgSc2O4∶1%Er3+/5%Yb3+纳米晶。研究了在980 nm激光激发下,MgSc2O4纳米晶中Yb3+与Er3+离子之间的能量传递以及上转换发光机制。
上转换发光 稀土离子 碱金属 水热法 upconversion luminescence rare earth ion alkali ions hydrothermal method MgSc2O4 MgSc2O4
