微创医疗用波导型白色上转换超荧光光源的制备与荧光特异性研究

Recent years, mini-invasive surgery with minimal invasiveness and fast recovery has been developed rapidly. Thus, it is urgent to explore novel high-brightness medical white light source for promoting progress in this mini-invasive technique. In this project, ion-exchanged rare earth (RE) ions multi-doped low phonon energy germanate glass channel waveguides will be prepared to obtain pure white upconversion superfluorescence with high-brightness, excellent efficiency, and precise directivity for medical illumination. Meanwhile, the glass host composition, RE ions doping ways and RE ions doping concentrations will be further optimized. Various factors such as the absorption and propagation losses, operating temperature, length, width, and depth specifications, and mode, which is associate with the performance of superfluorescence, will be expounded. The energy transfer process in diversified RE ions and the mechanism of upconversion will be explored, and the upconversion efficiency will be improved to a large extent. The performance of upconversion superfluorescence channel waveguide will be characterized utilizing the chromaticity coordinates, phonon distributions, luminous flux distributions, and fluorescence quantum yields. Our corresponding achievements have been published on international journals, such as Appl. Phys. Lett.and Opt. Express, and the total citation frequency were more than 600 times. This work is of great value for establishing the experimental and theoretical basis for developing mini-invasive medical white light source.

近年来，具有创口小，恢复快等优点的微创医疗技术飞速发展，研发用于微创医疗照明的新型白光光源成为了推动该项技术进步的关键。本项目拟采用热离子交换法制备多种稀土离子共掺杂的低声子能量锗酸盐玻璃条形波导，以期在其中获得高亮度、高方向性的纯白上转换微创医疗用超荧光。在优化玻璃基质组分、稀土离子掺杂方式及掺杂浓度的同时，本项目亦将阐明波导的吸收和传输损耗、工作温度、几何形状以及模式数等因素对上转换超荧光性能的影响机制，探讨多稀土离子间的能量传递和上转换超荧光的产生机理，凝炼出提高上转换效率的途径与依据，并通过荧光色坐标、光量子分布、光通量和荧光量子产率等参数来评价波导中上转换超荧光的性能。本课题组已积累了深厚的工作基础，相关科研成果发表在Appl. Phys.Lett.、Opt. Express等国际核心期刊上，论文被他引高达600余次。本项目的开展将为新型微创医用照明光源的研究奠定实验与理论基础。

近年来，具有创口小，恢复快等优点的微创医疗技术飞速发展，研发用于微创医疗照明的新型白光光源成为了推动该项技术进步的关键。随着光导纤维的问世拓宽了医用光源的使用范围，通过光纤可以将光源发出的光导入人体进行照明，虽然此光源不受空间的限制，但是通过此种方法得到的光源耦合效率低，导入人体后难以实现高亮度照明。通过在基质材料中掺杂稀土离子实现白光发射已被证实可行，并逐步得到科研工作者的重视。本项目组采用锗酸盐玻璃（以下简称NMAG玻璃）作为制备波导的基底玻璃，以保证其具有较低的声子能量、良好的光学性能和化学稳定性。通过将氧化铝引入玻璃组分，进一步增强玻璃机械强度的同时，增强了波导基底的耐酸性，解决离子交换过程中玻璃基底易受酸腐蚀的问题；通过引入少量氧化镁，使玻璃的硬化速度变慢，改善其成型性能，得到了高均匀性和耐腐蚀性能优异及热稳定性良好的NMAG玻璃，其摩尔组分为23氧化钠:3氧化镁:22氧化铝:52氧化锗。同时本项目采用热离子交换法制备多种稀土离子共掺杂的NMAG玻璃条形波导，探讨了制备工艺对上转换效率的影响规律，确定了NMAG玻璃条形波导的最佳制备条件为390℃下硝酸钾的纯盐熔液中反应4小时。探讨了多稀土离子间的能量传递和上转换超荧光的产生机理，凝练出了提高上转换效率的途径与依据，并通过荧光色坐标、光量子分布、光通量和荧光量子产率等参数评价了波导中上转换超荧光的性能。其中首次给出Tm3+/Yb3+，Ho3+/Yb3+和Er3+/Yb3+掺杂NMAG玻璃的量子产率，并发现绝对光谱参数与激发功率呈正相关，当功率密度为1227 W/cm2时，其总量子产率分别为32.02*10-4、52.23*10-6和14.4*10-6。在Tm3+/Ho3+/Yb3+共掺杂体系中，通过功率调谐可以调整样品的上转换蓝光、绿光和红光强度比例，实现了上转换近白光发射。通过本项目的开展，项目组累计发表论文数三十余篇，申请已授权发明专利2项。本项目通过混合稀土离子掺杂玻璃波导器件实现了高强度白色上转换超荧光，为新型微创医疗用照明光源的研究奠定了坚实的实验与理论基础。