Pr3+浓度对TeO2-WO3-GeO2玻璃体系荧光特性的调控机制及激光应用研究

研究人员针对稀土掺杂玻璃材料在光电子器件中的应用瓶颈，系统研究了Pr3+浓度对TeO2-WO3-GeO2玻璃体系发光性能的影响。通过Judd-Ofelt理论计算Ω2,4,6参数，证实Pr3+与玻璃网络形成共价键，优化后的TWGPr10样品展现出2.768eV直接带隙和780eV声子能量，其高量子效率（62%）和发射截面（5.31×10-20cm2）为红色激光器设计提供了新材料。该研究为开发高性能光学放大器与温度传感器提供了理论依据。

　　

在光电材料领域，稀土掺杂玻璃因其独特的光学特性被誉为"光子器件的血液"。其中三价镨离子(Pr³⁺)因其丰富的能级跃迁（可产生蓝、绿、红及近红外发射）备受关注，但浓度猝灭效应和基质材料选择始终是制约其应用的瓶颈。传统硅酸盐玻璃高声子能量导致非辐射跃迁严重，而碲酸盐玻璃凭借<780cm^-1的低声子能量、>2.7的高折射率等优势，成为稀土发光的理想宿主。特别是TeO₂-WO₃-GeO₂三元体系，通过WO₃的网络修饰作用和GeO₂的结构稳定效应，可显著提升Pr³⁺的掺杂浓度而不产生团簇。

为突破现有荧光材料的性能限制，研究人员采用熔融淬冷法制备了(85-x)TeO₂-5WO₃-10GeO₂-xPr₆O₁₁（x=0.1-2.0mol%）系列玻璃。通过XRD确认非晶态结构后，结合FTIR和拉曼光谱解析声子能量分布，采用紫外-可见光谱计算直接/间接带隙，并运用Judd-Ofelt理论定量分析Pr³⁺局域配位环境。荧光光谱和衰减曲线揭示了浓度猝灭机制，最终评估了材料在激光器和温度传感器中的应用潜力。相关成果发表于《Journal of Molecular Structure》。

关键技术包括：①熔融淬冷法制备Pr³⁺掺杂碲酸盐玻璃；②XRD结合密度测试分析非晶结构特征；③UV-Vis光谱计算直接/间接带隙能量；④FTIR与拉曼光谱联用确定声子能量；⑤Judd-Ofelt理论计算Ω_2,4,6强度参数；⑥荧光寿命测试分析能量转移效率；⑦CIE色度坐标评价发光颜色纯度。

【样品制备】采用875℃熔融40分钟的工艺，成功制备出x=0.1-2.0mol%的TWGPr_x系列玻璃。XRD宽峰(15-35°)证实非晶特性，随Pr³⁺含量增加，密度从5.12增至5.38g/cm³，折射率提升至2.14，符合高增益光学材料需求。

【光谱特性】带隙分析显示：直接带隙从x=0.1时的2.794eV降至x=2.0时的2.768eV，间接带隙同步从2.981eV降至2.954eV。拉曼光谱在780cm^-1处的特征峰与FTIR计算结果吻合，证实低声子能量优势。

【Judd-Ofelt分析】Ω₂=4.12×10^-20cm²、Ω₄=5.31×10^-20cm²、Ω₆=3.78×10^-20cm²的参数分布表明Pr³⁺处于高度不对称配位环境，与氧离子形成强共价键，这解释了³P₀→³H₆跃迁（612nm）的高发射强度。

【荧光性能】在448nm激发下，所有样品均发射红光（CIE坐标x=0.682,y=0.316），x=1.0mol%时量子效率达峰值62%。浓度超过1.5mol%时出现交叉弛豫，导致¹D₂能级寿命从214μs（x=0.1）骤降至89μs（x=2.0）。

研究结论表明：①TWGPr10（x=1.0mol%）具有最优激光特性，其发射截面（5.31×10^-20cm²）和带宽（25.3nm）优于商用磷酸盐玻璃；②Pr³⁺的³P₀→³F₂跃迁（644nm）具有0.96%K^-1的热灵敏度，适用于非接触式温度传感；③能带工程证实GeO₂的引入使玻璃网络形成[GeO₄]四面体单元，有效抑制了Pr³⁺团簇。该研究不仅为可见光激光器提供了新材料设计思路，其揭示的"低声子能量-高共价性"协同效应，对开发新一代光学放大器具有重要指导意义。