掺Bi钨酸盐单晶体及近红外宽带发光的研究

近期，在Bi掺杂非晶态玻璃光纤中实现了1000～1700nm近红外波段的宽带激光输出。单晶的有序结构可为发光中心提供更高效率的发光环境，并且单晶基质通常比非晶态玻璃更能明白发光的起源。最近，申请者在Bi:CdWO4单晶中发现了近红外宽带发光。本项目以获得具有高效近红外宽带发光特性的优质大尺寸掺Bi钨酸盐单晶的坩锅下降法关键制备技术与宽带发光机理研究为目标。研究Cd、Pb、Ba等一些钨酸盐晶体的坩锅下降法生长条件、掺杂特性及晶体的红外发射特性。着重探讨化学组分、生长与退火工艺与X射线辐照等条件与其宽带光谱特性的关系，从而来推断发光中心的特点和本质，揭示宽带发光的起源，这对于该类具有p电子构型离子的发光研究奠定一定的学术基础。本研究旨在研制成具有高效发光的掺Bi钨酸盐特种晶体，力争实现近红外波段的激光输出，为今后在红外宽带光学放大器与可调谐激光器的研制及产业化奠定一定的技术基础。

本项目开展了Bi离子掺杂钨酸镉单晶体的坩锅下降法生长工艺及其近红外发光特性研究。在980nm与373nm激发下, 在生长的晶体中分别观察到中心波长为1078nm近红外与528nm可见波段发光。1078nm波段的荧光寿命为240-290μs。沿着晶体生长方向, 1078nm的发光强度逐渐变小,然而528nm可见光波段的强度则逐渐变强。着重探讨了化学组分、生长条件、气氛退火工艺及X射线辐照等条件对近红外发射光谱特性的影响。通过高温氧气处理经与γ射线辐照处理后，均使得发光中心为528nm的荧光强度增强，发光中心为1078nm的荧光带强变弱。这是由于氧气氛处理与γ射线辐照后导致高价态Bi离子变成Bi3+所致。结合材料的X射线电子能谱(XPS)变化情况, 推断出近红外1078nm的由Bi5+离子(活性Bi离子)所引起, 可见光波段的528nm发光由Bi3+离子所引起。通过Cr、Mn、Eu、Ni、Tm、Yb发光离子在钨酸镉晶体中的掺杂及光谱性能的研究, 来进一步研究钨酸镉晶体的坩锅下降法生长行为及探索其新的可能应用。Bi离子与稀土离子Tm, Yb共掺材料中,Bi与Tm和Yb离子存在有效的能量转移。在980nmLD的激发下, Yb/Bi共掺系统中,Yb离子能把能量有效转移给活性Bi离子,提高活性Bi离子的近红外发光强度;而Tm/Bi共掺系统中, 活性Bi离子能把能量有效转移给Tm离子, 导致Tm离子1800nm荧光强度的增强。这些研究结果为今后研制Bi相关的新型红外光学放大器与激光器奠定一定的学术与技术基础。