新型上转换发光Nb2O5基玻璃的无容器制备、微晶化及发光性能研究

Intense upconversion emissions can be obtained by novel heavy-metal oxide glasses for their high refractive index, low phonon energy, high temperature resistance, and good mechanical properties. This type of glasses shows promising applications in optical temperature sensing, solid state laser, etc. However, it’s difficult for heavy-metal oxides to form glasses. Containerless processing technique can preclude the source for heterogenous nucleation, obtain deep undercooling in the melt, improve the homogeneity, and achieve rapid solidification. It’s an effective method to fabricate glasses which can’t be prepared by conventional container ways. The containerless preparation process and glass compositions of novel Er3+/Yb3+ co-doped Nb2O5-La2O3-Ta2O5 glasses will be studied to obtain bulk glasses with composition homogeneity, high refractive index and strong emissions. Together with Judd-Ofelt theory and energy level structure of rare earth ions, upconversion luminescence mechanisms will be illustrated. Glass-ceramics will be prepared by optimizing the crystallization process. Fluorescence spectra, the grain size, crystallinity, phase, the distribution of rare earth ions will be studied to reveal the mechanisms that upconversion luminescence can be improved by crystallization. The relationship between fluorescence intensity ratio of glass-ceramics and temperature will be analyzed. And the temperature sensitivity will be studied. Er3+/Yb3+ co-doped Nb2O5-La2O3-Ta2O5 glass-ceramics with good comprehensive properties may open a new door to optical temperature measurement with high sensitivity and wide temperature range.

新型重金属氧化物玻璃具有高折射、低声子能量、耐高温、力学性能好等优点，能够获得优异的上转换发光性能，在光学温度传感、固态激光器等领域具有良好的应用前景。然而，重金属氧化物很难形成玻璃态。悬浮无容器技术能够抑制异质形核、获得深过冷熔体、提高均匀性、实现快速凝固，是制备常规有容器方法难以获得的玻璃的有效手段。对新型Er3+/Yb3+共掺Nb2O5-La2O3-Ta2O5玻璃的无容器制备工艺和成分进行研究，获得成分均匀、高折射和强发光的块体玻璃。结合Judd-Ofelt理论和稀土离子的能级结构，阐明上转换发光机理。优化玻璃的微晶化工艺，结合荧光光谱、晶粒尺寸、结晶度、物相和稀土离子分布等分析，揭示微晶化提高发光性能的机理。分析微晶玻璃的荧光强度比与温度的关系，研究测温灵敏度。综合性能优异的Er3+/Yb3+共掺Nb2O5-La2O3-Ta2O5微晶玻璃将为高精度、宽范围的光学温度测量提供新思路。

上转换发光材料在光学温度传感、固态短波长激光器、生物荧光标记和波导放大器等领域具有重要应用，研究的重点是开发高效率、高稳定性、高稀土掺杂浓度的发光材料。新型重金属氧化物玻璃具有高熔点、低声子能量、结构致密、稀土掺杂浓度高、折射率高等优点，有利于获得优异的上转换发光性能。利用气悬浮无容器技术成功地制备了新型Er3+/Yb3+共掺的Nb2O5基玻璃球，通过调节无容器制备工艺参数，成功地获得了高浓度稀土离子掺杂的Nb2O5-La2O3-Ta2O5玻璃，实现了稀土掺杂浓度的可调。研究发现，玻璃具有很低的声子能量，所掺杂的Yb3+离子对980 nm激光具有很强的吸收，是优良的敏化离子。新型重金属氧化物玻璃具有良好的热稳定性，玻璃转变温度大于740 ℃，分析了Yb2O3对玻璃热稳定性的影响。在980 nm激光激发下，玻璃获得了很强的上转换发光，中心位置分别位于535、553和670 nm，结合荧光寿命的分析，对上转换发光机理、Yb3+离子对发光过程的影响进行了研究。新型玻璃还具有非常高的近中红外透过性能，红外区域的透过率达到了~80%，计算了玻璃中OH基的浓度，低OH基浓度是玻璃获得优异红外性能的关键原因之一。玻璃的折射率约为2.3，阿贝数约为21，说明玻璃具有优良的光学性能。形貌和成分分析表明，气悬浮无容器技术能够制备成分分布均匀的玻璃。在980 nm激光激发下，新型玻璃获得了很强的近红外发光，进一步分析发现，荧光寿命为5.517 ms，远高于一些常见的玻璃材料，说明新型玻璃是良好的发光基质材料。对玻璃进行微晶化处理，获得微晶玻璃，结合荧光光谱的分析，在750 ℃不保温热处理时，发光强度最大。对稀土掺杂微晶玻璃的发光机理进行了分析。在不同环境温度下，测试了微晶玻璃的上转换荧光光谱，对荧光特性进行分析，确定了Er3+离子的2H11/2/4S3/2的荧光强度比与温度的定量关系式，通过求导，确定了测温精度，为微晶玻璃在光学温度传感领域的应用奠定了研究基础。