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立方相的Y2O3晶体具有稳定性好、光学透明区域宽、热导率高等优点,是一种非常有前景的固体光学材料。然而,其熔点高达2430℃,且在2350℃附近存在相变,因此用常规的方法很难生长出大尺寸、高光学质量的单晶,从而限制了它的应用。目前多种稀土离子掺杂的Y2O3透明陶瓷都已经成功实现了激光输出,研究证明Y2O3透明陶瓷是高功率、高效率激光介质的优良基质材料。
Nd3+是最常用的一种激光活性离子,具有激光阈值低、量子效率高、受激辐射面大等特点,因此对Nd3+掺杂的激光增益介质的开发和研究具有重要意义。Pr3+是一种重要的稀土发光激活剂。在基质晶格中呈现复杂的光谱特性,具有复杂的能级结构。利用其可见区和红外的发射,可用于光通讯和场效应发光显示。而紫外发射在量子剪裁、闪烁和可调谐激光器件等方面有着重要应用。
本文以Re3+(Re=Nd, Pr)掺杂氧化镧钇透明陶瓷为研究对象,采用高纯纳米粉体,并结合传统陶瓷制备工艺,在无压还原气氛下制备出透明性良好的掺Re3+氧化镧钇透明陶瓷。研究了Pr3+掺杂氧化镧钇荧光粉和透明陶瓷的光学和光谱性能,并探索其发光机理;研究了Nd3+离子掺杂氧化镧钇透明陶瓷的光谱性能和J-O参数,并和日本的实验结果进行了对比。主要得出以下结论:
通过样品的显微结构分析表明,La2O3能够完全固溶进Y2O3的立方晶相中,且陶瓷结构致密,晶粒均匀,不存在第二相,所得陶瓷样品具有较好的光学透明度。通过对Pr3+掺杂样品的激发和发射光谱分析,荧光粉和透明陶瓷具有相似的激发和发射光谱。在246nm的紫外光激发下,发射能量都主要集中在蓝紫区,有利于可调谐激光材料的研究。发射主峰位于470nm,为3P1→3H4跃迁,在613nm处有一小峰,对应D2→3H4跃迁。研究表明,在Y2O3基质中添加La2O3后,Pr3+:(Y0.9La01)2O3发射蓝绿光,与Pr3+:Y2O3的红色发光具有很大的区别,表明Pr3+:(Y0.9La0.1)2O3是一种新型的蓝绿色荧光材料。
Nd3+:(Y0.9La0.1)2O3透明陶瓷的最强吸收峰位于592nm处,与激光二极管(LD)泵浦波长对应的806nm处也有较大的吸收,其吸收系数为5.96cm.1,吸收带宽和吸收截面(σabs)分别为7.2nm和1.497×10-20cm-2,有利于实现LD泵浦装置的小型化和高效率激光器件。最强发射峰位于1079nm,发射截面为2.03×10-20cm,发射带宽高达6nm,大的发射带宽有利于实现LD泵浦装置的可调谐激光输出。样品的荧光寿命为200μs,长的荧光寿命有利于受激粒子在激发态能级上的聚集,有利于实现样品的粒子数反转,从而容易实现激光输出。
在添加La2O3以后,透明陶瓷的XNd减小,荧光分支比βJ,9/2减小,而βJ,11/2和βJ,13/2则增大。βJ,11/2越大说明4F3/2能级上的多数电子选择4F3/2→4I11/2这个通道跃迁而产生光子,有利于Nd3+:(Y0.9La0.1)2O3透明陶瓷在1079nm处的激光输出。