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1、第23卷第3期物理学进展Vol.23,No.32003年9月PROGRESSINPHYSICSSept.,2003文章编号:1000O0542(2003)03O0284O15稀土离子的上转换发光及研究进展杨建虎,戴世勋,姜中宏(中国科学院上海光学精密机械研究所,上海201800)摘要:稀土离子的上转换发光由于其在短波长激光器方面的潜在应用而受到了广泛的重视,本文总结了稀土离子中常见的几种不同的发光机制,分析了几种常见稀土离子在不同的泵浦方式下的发光方式,讨论了稀土离子上转换发光对基质成分的依赖性及其研究进展,并对稀土离子上转换发光的研究及应用进行了展望。关键词:稀土离子;上转换发光;上转
2、换激光器;研究进展中图分类号:TQ171文献标识码:A0引言稀土离子的上转换发光是指当采用波长较长的激发光照射掺杂稀土离子的样品时,发射出波长小于激发光波长的光的现象。上转换发光现象对于稀土掺杂的样品来说:一方面,对于应用于光纤放大器、平面光波导等器件来说是不利的,它降低了泵浦光的转换[1,2]效率,提高了器件的噪声指数;另一方面,随着信息处理、数据存储、水下通信、视频显示及表面处理等技术的迅速发展,越来越需要高效率、低价格、高性能的可见光波长的激[3,4,5][6,7,8]光光源,尤其是蓝绿激光。获得蓝绿光激光输出的方法有以下几种:1)利用非线性光学晶体的倍频方法;2)直接利用宽带隙半
3、导体材料直接激发;3)利用稀土离子[9,10]掺杂材料的上转换发光。上转换发光与其它方法相比具有如下优点:1)可以有效降低光致电离作用引起基质材料的衰退;2)不需要严格的相位匹配,对激发波长的稳定性要求不高;3)输出波长具有一定的可调谐性。另外,上转换发光更有利于简单、廉价及结构紧凑小型激光器系统的发展。在稀土离子掺杂的晶体、玻璃、光纤等材料中都有上转换发光现象的报道,有的甚至获得了瓦量级的上转换激光输出。本文详细介绍了稀土离子上转换发光机制,介绍了几种常见的能够获得可见光尤其是蓝绿光的稀土离子在不同泵浦条件下的发光方式,分析了稀土离子上转换发光对基质成分的依赖性及其研究进展,并对稀土离
4、子上转换发光的研究及应用进行了展望。收稿日期:2002O12O05基金项目:国家自然科学基金(No.60207006);上海市科技以攻关项目资助(No.022261046)3期杨建虎等:稀土离子的上转换发光及研究进展285[6～11]1稀土离子上转换发光机制1.1激发态吸收(ESA,ExcitedStateAbsorption)[12]激发态吸收过程(ESA)是在1959年Bloembergen等人提出的,其原理是同一个离子从基态能级通过连续的多光子吸收到达能量较高的激发态能级的一个过程,这是上转换发光的最基本过程。结合图1说明如下:首先,发光中心处于基态能级E1上的离子吸收一个能量为Φ
5、1的光子跃迁至中间亚稳态E2能级,如果光子的振动能量正好与E2能级和更高激发态能级E3的能量间隔匹配,则E2能级上的该离子通过吸收该光子能量而跃迁至E3能级形成双光子吸收,如果满足能量匹配的要求,E3能级上的该离子还有可能向更高的激发态能级跃迁而形成三光子、四光子吸收,依此类推。只要该高能级上粒子数足够多,形成粒子数反转,就可实现较高频率的激光发射,出现上转换发光。图1ESA过程图解ESA过程为单个离子的吸收,并不依赖于材料中稀土离子的浓度。对于稀土掺杂的晶体材料,为实现ESA过程,需要采用双波长泵浦的方式,其中一个波长的光将处于基态的离子激发至第一中间亚稳态,第二个波长的光将该亚稳态上
6、的离子激发至更高的能级上,形成双光子吸收过程。而对于稀土掺杂的非晶态如玻璃等材料,由于稀土离子能级跃迁时存在的非均匀加宽,可以采用单波长泵浦的方式,能级间能量的失配可以通过吸收或发射光子的形式进行补偿。1.2能量转移(ET,EnergyTransfer)根据能量转移方式的不同分为如下几种形式:(1)连续能量转移(SET,SuccessiveEnergyTransfer)。SET一般发生在不同类型的离子之间,其原理如图2:处于激发态的一种离子(施主离子)与处于基态的另外一种离子(受主离子)满足能量匹配的要求而发生相互作用,施主离子将能量传递给受主离子而使其跃迁至激发态能级,本身则通过无辐射
7、驰豫的方式返回基态。位于激发态能级上的受主离子还可能第二次能量转移而跃迁至更高的激发态能级。这种能量转移方式称为连续图2SET过程图解图3CR过程图解286物理学进展23卷能量转移SET。(2)交叉驰豫(CR,CrossRelaxation)。CR可以发生在相同或不同类型的离子之间。其原理如图3:同时位于激发态上的两种离子,其中一个离子将能量传递给另外一个离子使其跃迁至更高能级,而本身则无辐射驰豫至能量更低的能级。(3)合作上转换(
