飛秒激光激發(fā)稀土摻雜鈮酸鋰單晶的上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究.pdf

1、以稀土離子為發(fā)光中心的從近紅外到可見波段的頻率上轉(zhuǎn)換熒光具有廣闊的應(yīng)用前景和極大的發(fā)展?jié)摿?，促使探索高效上轉(zhuǎn)換發(fā)光的新機(jī)制和開發(fā)新材料成為目前備受關(guān)注的熱點課題，開展飛秒激光激發(fā)的稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究能夠開拓現(xiàn)有材料的新應(yīng)用。因此，本論文在飛秒激光激發(fā)下，以波導(dǎo)上轉(zhuǎn)換激光器的基質(zhì)材料――稀土摻雜鈮酸鋰（LiNbO3）單晶作為研究對象，通過測量上轉(zhuǎn)換熒光光譜和時間分辨熒光光譜，系統(tǒng)地開展了各種稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制和稀土離子之間的能量

2、傳遞特性的研究工作，為深入開展飛秒激光激發(fā)的稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究提供實驗和理論依據(jù)，同時為提高微型上轉(zhuǎn)換波導(dǎo)激光器的發(fā)光性能提供實驗和理論指導(dǎo)。本論文首先開展了具有激發(fā)光吸收能級并且已經(jīng)實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光的Er:LiNbO3的飛秒激光激發(fā)上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究。結(jié)合Judd-Ofelt分析理論確定了上轉(zhuǎn)換發(fā)光的物理機(jī)制，發(fā)現(xiàn)飛秒激光激發(fā)的激發(fā)態(tài)吸收上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率比普通激光激發(fā)高得多。利用激發(fā)態(tài)吸收上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度隨飛秒脈沖重復(fù)頻率的變化關(guān)系實現(xiàn)了近

3、紅外上轉(zhuǎn)換中間能級壽命的可見區(qū)探測。研究發(fā)現(xiàn)，重?fù)組gO雖然能夠提高Er:LiNbO3的抗光損傷能力，但同時也會促使不利于激發(fā)態(tài)吸收上轉(zhuǎn)換發(fā)光的Er3+簇位的形成。
　　接著開展了尚未實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光但具有激發(fā)光吸收能級的Dy:LiNbO3的飛秒激光激發(fā)上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究。從實驗上實現(xiàn)了飛秒激光激發(fā)的黃藍(lán)上轉(zhuǎn)換發(fā)光，說明飛秒激光極高的瞬時功率密度可以使短壽命的中間能級成為上轉(zhuǎn)換發(fā)光的儲能能級。研究發(fā)現(xiàn)，在Dy3+和Er3+之間可以實現(xiàn)有

4、效的能量傳遞，這個能量傳遞過程可以增強(qiáng)Er3+的上轉(zhuǎn)換發(fā)光。
　　進(jìn)而開展了沒有激發(fā)光吸收能級的單摻LiNbO3的飛秒激光激發(fā)上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究。在Eu:LiNbO3中觀察到了飛秒激光激發(fā)的雙光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光，偏振激發(fā)實驗和變溫實驗均證實了其上轉(zhuǎn)換機(jī)制為雙光子同時吸收過程。衰減曲線的分析顯示，5D0能級上的離子有兩種布居途徑。此外，在Tb:LiNbO3中也實現(xiàn)了飛秒激光激發(fā)的雙光子上轉(zhuǎn)換發(fā)光，倍頻增強(qiáng)現(xiàn)象研究說明其上轉(zhuǎn)換機(jī)制是倍頻光的再

5、吸收過程，整個發(fā)光過程是，先在LiNbO3晶體中產(chǎn)生倍頻光，接著倍頻光被NbO?吸收，最后通過能量傳遞敏化Tb3+實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光。上述研究結(jié)果強(qiáng)有力地顯示，飛秒激光激發(fā)可以使普通激光無法誘導(dǎo)上轉(zhuǎn)換發(fā)光的材料實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光。3為了提高單摻體系的上轉(zhuǎn)換發(fā)光效率，最后在三摻LiNbO3體系中開展了800 nm激光激發(fā)的能量傳遞上轉(zhuǎn)換發(fā)光的敏化增強(qiáng)效應(yīng)研究。Nd:Yb:LiNbO3中的能量傳遞特性研究表明，Nd3+→Yb3+的能量傳遞機(jī)制是偶極

6、―偶極相互作用的聲子輔助傳遞過程，能量傳遞效率可達(dá)66％。Ho3+和Tm3+在Nd3+-Yb3+離子對作用下的上轉(zhuǎn)換發(fā)光增強(qiáng)效應(yīng)研究顯示，Ho3+的上轉(zhuǎn)換綠光可以增強(qiáng)14倍，Tm3+的上轉(zhuǎn)換藍(lán)光也得到了增強(qiáng)。實驗顯示，Nd3+-Yb3+離子對在800 nm飛秒激光激發(fā)下與Yb3+在980 nm連續(xù)激光激發(fā)下的能量傳遞上轉(zhuǎn)換發(fā)光過程中發(fā)揮的作用類似。提出了利用上轉(zhuǎn)換熒光強(qiáng)度隨飛秒脈沖重復(fù)頻率的變化關(guān)系區(qū)分激發(fā)態(tài)吸收和能量傳遞上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制