任宣瑋， 呂 勇， 牛春暉， 郎曉萍

(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100192)

Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性

任宣瑋， 呂 勇， 牛春暉*， 郎曉萍

(北京信息科技大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100192)

采用高溫固相法，以50Nb2O5-40Y2O3-2Nd2O3-8Yb2O3的量比在1 300 ℃下制備Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末樣品。運用Judd-Ofelt理論研究樣品光譜特性。由吸收譜中各吸收峰面積計算得到譜線強度參數(shù)Ωλ(λ=2，4，6)，進而得出理論振子強度及實驗振子強度，二者均方根偏差δrms=1.618×10-7。計算了Nd3+能級4F3/2→4IJ′(J′=15/2，13/2，11/2，9/2)躍遷幾率、躍遷分支比和能級壽命。4F3/2→4I11/2躍遷分支比最高(56.91%)，對應(yīng)波長1 062 nm。且亞穩(wěn)態(tài)4F3/2能級壽命較長，為1.435 2 ms，適合作為上轉(zhuǎn)換中間能級。在980 nm 半導(dǎo)體激光器激發(fā)下，觀測到波長為487，541，662 nm上轉(zhuǎn)換發(fā)光，分別對應(yīng)于Nd3+的2G9/2→4I9/2、4G7/2→4I9/2和4G7/2→4I13/2輻射躍遷。通過樣品上轉(zhuǎn)換發(fā)射功率與激光器工作電流進行的曲線擬合，得到吸收光子數(shù)目依次為2.06，1.99，2.15，確定3個發(fā)射峰均對應(yīng)于雙光子吸收。

Nd3+； Yb3+； YNbO4粉末； 光譜特性； Judd-Ofelt理論

1 引 言

發(fā)光材料一般由基質(zhì)和激活離子組成，基質(zhì)能為激活離子提供合適的晶體場，使其產(chǎn)生合適的發(fā)光。作為激活離子，稀土Nd3+離子具有理想的四能級系統(tǒng)[1],在激光作用下,其激發(fā)態(tài)和基態(tài)之間的能級差約為2 000 cm-1；在可見和近紅外波段有較寬的吸收帶[2]，具有合適的吸收和發(fā)射截面。因而摻Nd3+材料得到了廣泛研究，可用于光波導(dǎo)放大器、激光玻璃[3]、上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料[4]以及光通信材料[5]等領(lǐng)域。摻Nd3+基質(zhì)材料需有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)良的光譜性能,基質(zhì)的選擇對于研究新的發(fā)光材料顯得尤為重要。鈮酸鹽材料因其具有良好的鐵電、壓電特性[6]，電光和光折射效應(yīng)[7-8]，廣泛應(yīng)用在激光倍頻[9]、光記憶[10]等方面。同時，它還兼具穩(wěn)定的物理化學(xué)性能，是優(yōu)異的發(fā)光基質(zhì)材料[11-12]。

Yb3+作為一種高效率的敏化劑，其2F7/2→2F5/2躍遷吸收很強，且吸收波長與950～1 000 nm激光匹配良好，可吸收更多的光泵能量并傳遞給激活離子Nd3+，從而實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光，使上轉(zhuǎn)換熒光明顯增強。由于980 nm半導(dǎo)體激光器(LD)市場存有量高，所以用Yb3+敏化有更實際的作用，可以達到提高對泵浦光的吸收效率和降低激光振蕩閾值的目的[13]。常見研究的基質(zhì)有磷酸鹽、硅酸鹽和碲酸鹽[14]等, 但對于Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末發(fā)光材料的研究尚未見報道。本文主要研究Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末的光譜特性和上轉(zhuǎn)換發(fā)光性能。首先，制備了Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末樣品。然后，測試了樣品的吸收光譜，并用Judd-Ofelt理論計算得到譜線強度參數(shù)Ωλ(λ=2, 4, 6)，進一步計算了YNbO4粉末中Nd3+從上能級4F3/2到下能級4I15/2、4I13/2、4I11/2、4I9/2的躍遷幾率、躍遷分支比和能級壽命等參數(shù)。最后，在980 nm LD激發(fā)下，研究了樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性和能量傳遞過程。

2 實 驗

樣品采用高溫固相法制備。將Nb2O5、Y2O3、Nd2O3和Yb2O3按照50Nb2O5-40Y2O3-2Nd2O3-8Yb2O3的量比準(zhǔn)確稱取共計8 g原料。其中，Nb2O5和Y2O3原料是分析純，Nd2O3和Yb2O3原料為光譜純。將原料放入研缽中充分研磨并混合均勻，裝入剛玉坩堝并放進硅碳棒馬弗爐中加熱。溫度在30 min內(nèi)升高到1 300 ℃，保持恒定2 h后立即取出并快速冷卻。冷卻后的樣品研磨后裝入樣品袋，用來測試光譜特性。

漫反射光譜通過使用Avantes公司的AvaLight-DHc型氘-鹵鎢燈光源、AvaSpec-ULS2048-USB2型光纖光譜儀和AvaSphere-50型積分球來進行測試。測量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 漫反射光譜測試裝置結(jié)構(gòu)圖

Fig.1 Measurement device structure for the diffuse reflection spectra

圖2 發(fā)射光譜測試裝置系統(tǒng)框圖

Fig.2 System block diagram for the measuring of emission spectrum

在密閉暗箱中，激光器作為激發(fā)光源，照射到放在樣品架上的待測樣品；樣品受激發(fā)射產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換光，被收集到單色儀入射狹縫；經(jīng)過單色儀分光，不同波長的上轉(zhuǎn)換光從單色儀出射狹縫入射到光電倍增管內(nèi)，經(jīng)過光電倍增管轉(zhuǎn)換后的電信號值被計算機記錄。所有光譜測試實驗環(huán)境均為室溫。

3 結(jié)果與討論

3.1 Judd-Ofelt理論

1962年，Judd和Ofelt[16-17]幾乎同時發(fā)表了自己的理論研究成果。J-O理論是指稀土元素處于原子或離子狀態(tài)時，4fn組態(tài)內(nèi)各狀態(tài)間的躍遷是禁戒的。但由于固體中奇次晶體場的作用使得相反宇稱4fn-1n1l1組態(tài)可以混入到4fn組態(tài)內(nèi)而產(chǎn)生兩種宇稱的混合狀態(tài)，從而使4fn組態(tài)內(nèi)能級間躍遷的發(fā)生成為可能[18]。J-O理論是研究固體中摻雜稀土離子光譜性質(zhì)的重要工具，可計算躍遷振子強度、自發(fā)躍遷幾率、吸收和發(fā)射截面等光譜參數(shù)。

由J-O理論可知，實驗振子強度包含電偶極和磁偶極吸收躍遷過程的貢獻，和吸收譜中各吸收峰光譜積分值關(guān)系為[19]：

(1)

式中，m和e分別為電子質(zhì)量和電量，c為真空中光速，N為稀土離子摻雜濃度(單位：個/cm3)。而

(2)

式中，α(λ)為吸收系數(shù)，l為樣品厚度，k(λ)為光密度。線形因子平均波長[20]：

(3)

電偶極矩躍遷譜線強度：

(4)

(5)

式中，m是電子質(zhì)量，c是真空中光速，h是普朗克常量，J是躍遷初態(tài)能級的總角量子數(shù)。磁偶極矩譜線強度：

(6)

(7)

而

fexp=fed+fmd，

(8)

對于大多數(shù)稀土離子的能級躍遷，磁偶極矩作用可忽略不計。那么，fexp≈fed。將式(1)、(4)、(5)進行最小二乘法擬合，得到譜線強度參數(shù)Ωλ。進而，可計算出理論振子強度：

(9)

擬合后的結(jié)果用均方根偏差δrms衡量：

(10)

式中， ∑(Δf)2是實驗振子強度和理論振子強度的差方和，Ntran是觀測到的基態(tài)吸收躍遷數(shù)目，Npara是計算參量數(shù)目。

(11)

β[J,J′]=AJJ′/[∑J′AJJ′]，

(12)

τ=1/[∑J′AJJ′].

(13)

3.2 光譜分析

圖3為YNbO4粉末中Nd3+的吸收譜。由圖3可知，YNbO4粉末中Nd3+主要吸收峰有7個，對應(yīng)于Nd3+從基態(tài)4I9/2到激發(fā)態(tài)4G11/2+2D3/2+2G9/2+2K15/2、4G9/2+4G7/2+2K13/2、2G7/2+4G5/2、2H11/2、4F9/2、4S3/2+4F7/2和2H9/2+4F5/2的輻射躍遷，中心波長分別為471，522，576，632，685，750，806nm。由于YNbO4粉末折射率n、吸收光程l及稀土離子摻雜濃度N無法直接測量得到，我們采用文獻[21]中YNbO4晶體在可見光波段內(nèi)折射率的平均值n=2.4進行計算。根據(jù)文獻[12,22]得到稀土離子摻雜濃度N≈4×1020cm-3，測量樣品厚度約為0.6 mm，則吸收光程l=1.38 mm。Nd3+約化矩陣元由文獻[23-24]得到，采用最小二乘法擬合得到Y(jié)NbO4粉末中Nd3+譜線強度參數(shù)Ωλ(λ=2,4,6)為：Ω2=3.816×10-20cm2，Ω4=0.1229×10-20cm2，Ω6=0.3593×10-20cm2。

圖3 YNbO4粉末中Nd3+吸收譜

Ωλ(λ=2, 4, 6)反映了奇宇稱場的強度和本質(zhì)。一般來說，Ω2對周圍基質(zhì)場敏感，它反映了晶體場的共價性和離子性。 它的值越大，表明配位環(huán)境對稱性越低，稀土離子和配位離子共價性越強，反之則表示離子性強。Ω4/Ω6與離子所處的晶體場有關(guān)，共同決定光譜質(zhì)量因子。本文計算的結(jié)果與文獻[25]中Nd3+的配位環(huán)境相似。

表1 Nd3+在不同基質(zhì)材料中的譜線強度參數(shù)Ωλ(λ=2,4,6)[14，26]

Tab.1 Spectral strength parametersΩλ(λ=2, 4, 6) of Nd3+doped in different mediumsI[14，26]

基質(zhì)材料Ω2/(10-20cm2)Ω4/(10-20cm2)Ω6/(10-20cm2)Ω4/Ω6硅酸鹽2.431.150.721.59硼酸鹽9.354.012.031.97氟化物2.821.191.210.98碲酸鹽4.414.434.191.05YLF1.890.281.990.14

由表1可看出，計算得到的Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末基質(zhì)Ω2值大于YLF、硅酸鹽和氟化物，小于硼酸鹽和碲酸鹽。結(jié)果表明，本文制備的YNbO4粉末基質(zhì)環(huán)境對稱性較低，摻雜的Nd3+所受極化作用強，上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性良好，測量得到的Ω4/Ω6值為0.34，而硅酸鹽、硼酸鹽、氟化物、碲酸鹽和YLF分別為1.59，1.97，0.98，1.05，0.14。表2所示為由公式(1)、(2)、(3)和(9)計算得到的Nd3+從基態(tài)4I9/2到激發(fā)態(tài)4G9/2、2H11/2、4F9/2、4S3/2、2H9/2的實驗振子強度fexp和理論振子強度fcal。

表2 實驗振子強度和理論振子強度

從表2看到，采用J-O理論計算得到的實驗振子強度和理論振子強度比較接近，表明了其在計算稀土離子光譜特性方面的適用性。由公式(10)得到，二者均方根偏差δrms=1.618×10-7。在摻Nd3+材料激光器中，1 062 nm發(fā)光躍遷與亞穩(wěn)態(tài)4F3/2能級的輻射壽命相關(guān)，只有在4F3/2布居一定量的電子才能實現(xiàn)反轉(zhuǎn)抽運。由公式(11)～(13)計算得到Nd3+在電偶極近似模式時從上能級4F3/2到下能級4IJ′(J′=15/2，13/2，11/2，9/2)的躍遷幾率、躍遷分支比和能級壽命，如表3所示。

表3 Nd3+能級4F3/2→4IJ′的躍遷幾率、躍遷分支比和能級壽命

Tab.3 Transition probability, decay branching ratio and level lifetime of Nd3+:4F3/2→4IJ′

高能級低能級波長/nm躍遷幾率/s-1躍遷分支比/%能級壽命/ms4F3/24I15/218804.390.631.43524I13/2135089.8212.894I11/21062396.5156.914I9/2880206.0429.57

在激光器設(shè)計中，躍遷分支比是一個重要參數(shù)，它表征了Nd3+獲取某能級躍遷受激發(fā)射的幾率，能反映能量輸出的分散情況。從表3可看出，Nd3+能級4F3/2→4I11/2躍遷分支比最高，為56.91%，對應(yīng)波長1 062 nm。且4F3/2能級壽命較長，達到1.435 2 ms，適合作為中間能級，從而使樣品具有較高的上轉(zhuǎn)換效率。

3.3 980 nm LD激發(fā)上轉(zhuǎn)換發(fā)光特性

實驗中使用的980 nm LD存在閾值電流i0=0.4 A。當(dāng)激光器工作電流小于i0時，無激光輸出；當(dāng)激光器工作電流大于i0時，輸出功率與工作電流呈線性關(guān)系。如圖4所示，在980 nm LD激發(fā)下，Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末發(fā)射了波長為476，487 nm的弱藍光、541 nm的強綠光和644，662 nm的較強紅光，分別對應(yīng)于Nd3+的2D3/2→4I9/2、2G9/2→4I9/2、4G7/2→4I9/2，4G9/2→4I13/2、4G7/2→4I13/2輻射躍遷。

圖4 摻釹YNbO4粉末的上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜

Fig.4 Up-conversion emission spectrum of YNbO4powder doped with Nd3+

圖5所示為Nd3+和Yb3+之間能量傳遞(Energy transfer，ET)過程示意圖。我們選擇487 nm藍光、541 nm綠光和662 nm紅光進行分析。Yb3+基態(tài)能級2F7/2到激發(fā)態(tài)能級2F5/2躍遷吸收很強，且在980 nm附近有大的吸收截面。根據(jù)文獻[27]，Nd3+離子4F3/2能級和Yb3+離子2F5/2能級間隔約為1 000 cm-1，雖然二者激發(fā)態(tài)能級不匹配,但可以通過吸收一個或更多個聲子來完成能量傳遞過程。Yb3+在基態(tài)2F7/2吸收一個980 nm光子能量，通過聲子輔助過程將能量傳遞給Nd3+，將其激發(fā)到4F3/2能級。Nd3+和Yb3+再次經(jīng)過能量傳遞過程，Nd3+由4F3/2能級躍遷至2D3/2能級。處于2D3/2能級上的Nd3+一部分弛豫到2G9/2能級，通過2G9/2→4I9/2躍遷產(chǎn)生487 nm藍光發(fā)射；另一部分則無輻射弛豫至4G7/2能級，通過4G7/2→4I9/2、4G7/2→4I13/2躍遷分別產(chǎn)生541 nm綠光和662 nm紅光發(fā)射。

圖5 Nd3+和Yb3+之間的能量傳遞過程

Fig.5 Energy transfer process between Nd3+and Yb3+

在可使用功率范圍內(nèi)，激光器輸出功率與其工作電流呈線性關(guān)系：

Pout=k×(i-i0),

(14)

其中，k是與激光器工作特性相關(guān)的比例常數(shù)，i是激光器工作電流，i0是激光器閾值電流。稀土上轉(zhuǎn)換材料發(fā)光功率Pupcon與激光器輸出功率Pout的關(guān)系式為[28]

(15)

式中，a表示吸收光子數(shù)目。例如，a=2表示雙光子吸收，a=3表示三光子吸收。

將(14)、(15)兩式聯(lián)立，得：

Pupcon=ka×(i-i0)a.

(16)

在980nmLD激發(fā)下，Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末上轉(zhuǎn)換發(fā)射功率和激光器工作電流關(guān)系的擬合曲線如圖6所示。點表示實際所測數(shù)據(jù)，3條曲線表示經(jīng)過擬合后的結(jié)果。上轉(zhuǎn)換發(fā)射的487，541，662nm對應(yīng)的a值分別為2.06，1.99，2.15，都接近于2?？梢钥闯?，3個波長的發(fā)光均對應(yīng)于雙光子吸收，符合理論上的Nd3+和Yb3+之間能量傳遞過程。

圖6 上轉(zhuǎn)換發(fā)射功率與980 nm LD工作電流的關(guān)系

Fig.6 Relationship of up-conversion emission power and 980 nm LD working current

4 結(jié) 論

采用高溫固相法制備了Nd3+/Yb3+摻雜YNbO4粉末，研究了其吸收特性及在980 nm LD激發(fā)下的發(fā)光特性。首先，采用J-O理論計算了樣品的光譜性質(zhì)。由最小二乘法擬合得到Y(jié)NbO4粉末中Nd3+譜線強度參數(shù)Ωλ(λ=2, 4, 6)、實驗振子強度fexp和理論振子強度fcal，得到二者均方根偏差δrms=1.618×10-7。其次，在電偶極近似模式下得到Nd3+能級4F3/2→4IJ′(J′=15/2，13/2，11/2，9/2)的躍遷幾率、躍遷分支比和能級壽命等參數(shù)。其中，4F3/2→4I11/2躍遷分支比最高(56.91%)，有利于實現(xiàn)1 062 nm激光輸出。而且4F3/2能級壽命為1.435 2 ms，適合作為上轉(zhuǎn)換中間能級。最后，在980 nm LD激發(fā)下，由樣品上轉(zhuǎn)換發(fā)射功率隨激光器工作電流關(guān)系的擬合曲線，得到吸收光子數(shù)目依次為2.06，1.99，2.15，確定487，541，662 nm的上轉(zhuǎn)換發(fā)光均對應(yīng)于雙光子吸收。

[1] 湯剛, 肖卓豪, 左成鋼, 等. 摻Nd3+激光材料的研究進展 [J]. 材料導(dǎo)報, 2009, 23(6):40-44. TANG G, XIAO Z H, ZUO C G,etal.. Progress in research on Nd3+ion-doped laser materials [J].Mater.Rev., 2009, 23(6):40-44. (in Chinese)

[2] 施旗, 程紅, 呂景文, 等. 摻釹磷酸鹽激光玻璃的光譜特性 [J]. 發(fā)光學(xué)報, 2005, 26(3):359-364. SHI Q, CHENG H, LV J W,etal.. Spectroscopic properties of Nd3+-doped phosphate laser glasses[J].Chin.J.Lumin., 2005, 26(3):359-364. (in Chinese)

[3] 姜中宏. 用于激光核聚變的玻璃 [J]. 中國激光, 2006, 33(9):1265-1276. JIANG Z H. ICF laser glasses [J].Chin.J.Lasers, 2006, 33(9):1265-1276. (in Chinese)

[4] 肖思國, 劉政威. 摻Nd3+氟化物玻璃中的綠色上轉(zhuǎn)換發(fā)光研究 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2000, 20(4):465-467. XIAO S G, LIU Z W. Study on green upconversion luminescence of fluoride glasses doped with Nd3+[J].Spectrosc.Spect.Anal., 2000, 20(4):465-467. (in Chinese)

[5] 黃義, 李文濤, 張磊, 等. 摻釹磷酸鹽異形內(nèi)包層結(jié)構(gòu)光纖激光的輸出 [J]. 光學(xué)學(xué)報, 2014, 43(10):1006001-1-5. HUANG Y, LI W T, ZHANG L,etal.. Fiber laser output from neodymium-doped phosphate glass fibers with shaped inner claddings [J].ActaOpt.Sinica, 2014, 43(10):1006001-1-5. (in Chinese)

[6] PANDA P K. Review: environmental friendly lead-free piezoelectric materials [J].J.Mater.Sci., 2009, 44(19): 5049-5062.

[7] MUEHLBERG M, BURIANEK M, JOSCHKO B,etal.. Phase equilibria, crystal growth and characterization of the novel ferroelectric tungsten bronzes CaxBa1-xNb2O6(CBN) and CaxSryBa1-x-yNb2O6(CSBN) [J].J.Cryst.Growth, 2008, 310(7-9):2288-2294.

[8] KAMINSKII A A, DONG J, EICHLER H J,etal.. Laser and nonlinear-laser properties of undoped and Nd3+-doped orthorhombic Ca(NbO3)2single crystals: new stimulated-emission performance and high-order picosecond stimulated Raman scattering covering more than two octave Stokes and anti-Stokes wavelengths [J].LaserPhys.Lett., 2009, 6(11):821-832.

[9] ZHANG X B, LI S Z, LIU C,etal.. Characterization of photoelectrochemical active intercalation compound of K4Nb6O17with methylviologen [J].MicroporousMesoporousMater., 2009, 117(1-2):326-330.

[10] ZHUK N A, PIIR I V, CHEZHINA N V. Structure, magnetic, and electric properties of bismuth niobates doped with d elements: Ⅰ.Magnetic behavior of chromium-containing solid solutions of low-and high-temperature bismuth orthoniobate [J].Russ.J.Gen.Chem., 2006, 76(11):1705-1709.

[11] 周慧. 鈮酸鹽發(fā)光材料的制備與表征 [D]. 大連: 大連交通大學(xué), 2014. ZHOU H.StudyonPreparationandCharacterizationofNiobateLuminescentMaterials[D]. Dalian: Dalian Jiaotong University, 2014. (in Chinese)

[12] 牛春暉, 任宣瑋, 李曉英, 等. YNbO4粉末材料中Er3+發(fā)光研究及其光譜性質(zhì)J-O計算 [J]. 發(fā)光學(xué)報, 2016, 37(5):519-525. NIU C H, REN X W, LI X Y,etal.. Luminescence characteristics of Er3+in YNbO4powder materials and J-O calculation of its spectrum [J].Chin.J.Lumin., 2016, 37(5):519-525. (in Chinese)

[13] 呂灼菲. Er3+∶YAG及Nd3+/Yb3+∶YAG激光陶瓷粉體的制備及性能表征 [D]. 長春: 長春理工大學(xué), 2008. LV Z F.PreparationandPorpertiesCharacterizationofEr3+∶YAGandNd3+/Yb3+∶YAGLaserCeramicNanopowder[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2008. (in Chinese)

[14] 秦忠雪, 袁孝, 熊寶星, 等. 摻釹TeO2-Al2O3-Cs2O玻璃的Judd-Ofelt理論分析與光譜特性 [J]. 光子學(xué)報, 2014, 43(6):0616002-1-6. QIN Z X, YUAN X, XIONG B X,etal.. Judd-Ofelt theory analysis and spectroscopic properties of Nd3+-doped TeO2-Al2O3-Cs2O tellurite glasses [J].ActaPhoton.Sinica, 2014, 43(6):0616002-1-6. (in Chinese)

[15] 蔣雪茵, 張志林, 許少鴻. 粉末LaOCl∶Eu3+的5D1能級的無輻射躍遷幾率 [J]. 發(fā)光學(xué)報, 1990, 11(3):161-166. JIANG X Y, ZHANG Z L, XU S H. Nonradiative transition probability of5D1state in powder LaOCl∶Eu3+[J].Chin.J.Lumin., 1990, 11(3):161-166. (in Chinese)

[16] JUDD B R. Optical absorption intensities of rare-earth ions [J].Phys.Rev., 1962, 127(3):750-761.

[17] OFELT G S. Intensities of crystal spectra of rare-earth ions [J].J.Chem.Phys., 1962, 37(3):511-520.

[18] 張慶禮, 何偉, 孫敦陸, 等. Judd-Ofelt光譜分析理論 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2005, 25(3):329-333. ZHANG Q L, HE W, SUN D H,etal.. Judd-Ofelt spectral theory [J].Spectrosc.Spect.Anal., 2005, 25(3):329-333. (in Chinese)

[19] LIN H, PUN E Y B, MAN S Q,etal.. Optical transitions and frequency upconversion of Er3+ions in Na2O·Ca3Al2Ge3O12glasses [J].J.Opt.Soc.Am. B, 2001, 18(5):602-609.

[20] 楊志勇, 羅瀾, 陳瑋. 稀土摻雜固體發(fā)光材料的光譜分析 [J]. 光學(xué)學(xué)報, 2007, 27(4):598-602. YANG Z Y, LUO L, CHEN W. Spectral analyses of rare-earth ions in solid luminescent materials [J].ActaOpt.Sinica, 2007, 27(4):598-602. (in Chinese)

[21] 周鵬宇, 張慶禮, 楊華軍, 等. 5 at%Yb3+∶YNbO4的提拉法晶體生長和光譜特性 [J]. 物理學(xué)報, 2012, 61(22):228103-1-8. ZHOU P Y, ZHANG Q L, YANG H J,etal.. Growth and spectral properties of 5 at%Yb3+∶YNbO4crystal [J].ActaPhys.Sinica, 2012, 61(22):228103-1-8. (in Chinese)

[22] 張志林, 蔣雪茵, 許少鴻. 多次漫反射法測量粉末中的雜質(zhì)吸收光譜及其計算機模擬 [J]. 光學(xué)學(xué)報, 1991, 11(4):312-317. ZHANG Z L, JIANG X Y, XU S H. Muitiple diffuse reflection method for measuring absorption spectrum of impurity in powder sample its computer simulation [J].ActaOpt.Sinica, 1991, 11(4):312-317. (in Chinese)

[23] 張麗. 稀土(Nd3+,Ho3+,Eu3+,Er3+,Yb3+)摻雜硼硅酸鹽玻璃發(fā)光特性研究 [D]. 大連: 遼寧師范大學(xué), 2009. ZHANG L.StudyonBrightenPropertyofRareEarth(Nd3+,Ho3+,Eu3+,Er3+,Yb3+)DopedBorosiiicateGlass[D]. Dalian: Liaoning Normal University, 2009. (in Chinese)

[24] 張思遠(yuǎn). 稀土離子的光譜學(xué)-光譜性質(zhì)和光譜理論 [M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008. ZHANG S Y.SpectroscopyofRareEarthIons:SpectralPropertyandSpectralTheory[M]. Beijing: Science Press, 2008. (in Chinese)

[25] 金晶, 夏海瑞, 孫尚倩, 等. Nd∶YbVO4晶體的拉曼光譜和熒光光譜研究[J]. 人工晶體學(xué)報, 2008, 37(6):1330-1336. JIN J, XIA H R, SUN S Q,etal.. Raman spectroscopy and fluorescent spectra investigation of Nd∶YbVO4crystal [J].J.Synth.Cryst., 2008, 37(6):1330-1336. (in Chinese)

[26] 曾繁明, 張瑩, 孫晶, 等. 摻釹釓鎵石榴石激光晶體光譜分析 [J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2009, 29(5):1323-1326. ZENG F M, ZHANG Y, SUN J,etal.. Spectroscopic analysis of Nd∶GGG laser crystal [J].Spectrosc.Spect.Anal., 2009, 29(5):1323-1326. (in Chinese).

[27] RAMIREZ M O, JAQUE D, BAUSL E,etal.. Temperature dependence of Nd3+-Yb3+energy transfer in the YAl3-(BO3)4nonlinear laser crystal [J].J.Appl.Phys., 2005, 97(9):093510-1-8.

[28] POLLNAU M, GAMELIN D R, LüTHI S R,etal.. Power dependence of upconversion luminescence in lanthanide and transition-metal-ion systems [J].Phys.Rev. B, 2000, 61(5):3337-3346.

任宣瑋(1991-)，男，山西河津人，碩士研究生，2014年于山西大同大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事發(fā)光材料、隱身材料方面的研究。

E-mail: Ren_Xuanwei@163.com 牛春暉(1976-)，男，山西運城人，博士，副教授，2005 年于中國科學(xué)院物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事發(fā)光材料、激光玻璃以及光電隱身材料的研究。

E-mail: niuchunhui@bistu.edu.cn.

Up-conversion Luminescence Properties of Nd3+/Yb3+Doped YNbO4Powder

REN Xuan-wei， LYU Yong， NIU Chun-hui*， LANG Xiao-ping

(SchoolofInstrumentScienceandOptoElectronicsEngineering,BeijingInformationScience&TechnologyUniversity,Beijing100192,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:niuchunhui@bistu.edu.cn

Nd3+/Yb3+doped YNbO4powder sample was prepared with the molar ratios of 50Nb2O5-40Y2O3-2Nd2O3-8Yb2O3by the high temperature solid state method at 1 300 ℃. The spectrum property was studied by using Judd-Ofelt theory. The spectral strength parametersΩλ(λ=2, 4, 6) were computed based on the absorption peak’s area of the absorption spectrum. The theoretical oscillator strength and the experimental oscillator strength were calculated according to the spectrum strength parameters， and the root mean square deviation (δrms) of them was 1.618×10-7. The parameters such as transition probability, decay branching ratios and level lifetime of Nd3+transition4F3/2→4IJ′(J′=15/2, 13/2, 11/2, 9/2) were obtained. The decay branching ratio of4F3/2→4I11/2(corresponding to the wavelength of 1 062 nm) is the most of 56.91%. The lifetime of metastable level4F3/2is longer of 1.435 2 ms, which is suitable for up-conversion intermediate level. Under the excitation of 980 nm diode laser, the up-conversion luminescence is observed at the wavelength of 487, 541 and 662 nm, corresponding to the radiative transitions of Nd3+:2G9/2→4I9/2,4G7/2→4I9/2and4G7/2→4I13/2, respectively. The two-photon absorption of three emission peaks is determined by the fitting curve graph of sample up-conversion emission power and the laser working current when the absorption of the photon number in turn is 2.06, 1.99 and 2.15.

Nd3+; Yb3+; YNbO4powder; spectroscopic properties; Judd-Ofelt theory

2016-10-21；

2016-11-21

北京市自然科學(xué)基金(4154071)； 北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)資助青年骨干個人項目(201400002012G105)資助 Supported by Natural Science Foundation of Beijing City (4154071); Key Personnel Training Program for Young People in Beijing(201400002012G105)

1000-7032(2017)04-0435-07

O614.33； O482.31

A

10.3788/fgxb20173804.0435