镱离子掺杂块状材料高效宽光谱上转换的获取方法及发光机理研究

Optical upconversion is an important optical effect, but its development is limited by the low conversion efficiency. Thus, how to obtain the upconversion with a high-efficiency and a broadband has become a critical problem that should be solved urgently. A special variety of white-light upconversion with a high-efficiency was obtained from Yb3+-doped nano-materials in vacuum recently. However, the luminescence mechanism of this variety of upconversion is still in dispute and no reports concerning bulk materials have yet appeared. In the previous experiment, we obtained this variety of upconversion from a bulk Yb:YAG crystal with random cracks successfully. Its corresponding conversion efficiency reached 13.5% and the full width at half maximum (FWHM) is wider than 100 nm. According to these positive results, we plan to set up a theoretical model for interpreting the underlying physics for this variety of upconversion by examining the various characteristics of the materials and the emitted light, and find out a reliable method to obtain the high-efficiency broadband upconversion from Yb3+-doped bulk materials. These research findings are helpful for improving the optical upconversion technology.

上转换发光是一种重要的光学效应，然而其转换效率低的瓶颈仍难以突破，如何获得高效光谱宽的上转换发光已经成为一个亟待解决的关键物理问题。目前，镱离子单掺杂纳米材料已被证实能够在真空中产生高效白光上转换，然而其发光机制尚未明确，更没有在稀土单掺杂体材料中获得此白光上转换发光的相关报道。我们在前期实验中，采用940 nm激光激发布满裂纹的掺镱钇铝石榴石晶块获得了转换效率高达13.5%且发射光谱宽度大于100 nm的上转换发光。有鉴于此，本项目拟通过对材料物化性质、上转换发光特性以及温度和气压敏感性等参数进行系统的研究和分析，探索其发光机制，并最终获得一种有效、可靠的方法用于在镱离子掺杂的体材料中实现高效宽光谱上转换发光。研究成果将丰富上转换发光理论，并推动上转换发光技术的发展。

光学上转换是一种十分特殊的光学现象，在照明、生物医学、显示、防伪技术等领域都有重要应用，常规上转换发光，如激发态吸收、能量转移、合作发光、交叉驰豫、光子雪崩等，均具有转换效率低，发光光谱窄，发光寿命短等缺点，严重制约了上转换发光的推广应用。本项目提出了一种采用布满随机裂纹的Yb3+:YAG晶体在940nm激光激发下产生高效宽光谱上转换发光的办法，并最终实现了转换效率为13.8%，光谱宽度为600nm，输出功率为290mW的上转换发光。此外，本项目相关研究揭示了此类型的上转换发光是一种特殊的电荷转移发光——随机裂纹所产生的光局域化结合Yb3+离子在940nm波段强烈的自吸收导致大量电子可以在上能级积累并在雪崩过程诱发多离子合作发光，此合作发光波长极短，光子能量极高，进一步诱发了基质材料YAG的电子从价带跃迁至电荷转移带，电子从电荷转移带返回Yb3+离子的对应能级时便产生电荷转移发光。其光局域化和Yb3+离子的自吸收使得激发光能够被充分利用，因此其转换效率极高，而多离子合作发光所激发的电荷转移发光过程使上转换发光的光谱极宽。本项目所提出并实现的光学上转换方法是一种全新的在体材料中实现高效宽光谱上转换发光的办法，其转换效率远高于常规用于上转换发光的体材料，在常温常压下，其效率甚至比多数的粉末材料更高。而本项目研究对其发光机理的研究也为在固体中实现光局域化以及电荷转移上转换发光提供了新的理念。综上所述，本项目相关成果对光学上转换新机理及新技术研究有推动作用，并具有良好的应用潜力。. 通过本项目的研究，获得了授权发明专利3件、申请发明专利2件。在Optical Materials Express、Optics Letters、OE、Applied Optics等本领域知名杂志等杂志上发表了标注论文20篇，其中第一和通讯作者论文7篇。培养青年教工1名，培养硕士和博士研究生8人。培养本科人才18人，其中7位同学获得了研究生免推资格，8位同学获得国家级大学生创新创业训练计划和国家级挑战杯的奖金支持。