Er3+/Yb3+共掺杂碲化锌玻璃的多功能光学性能：上转换、量子剪裁、近红外光产生以及通过激光光加热实现的温度传感

《Journal of Alloys and Compounds》：Multifunctional Optical Performance of Er3+/Yb3+ Co-doped Zinc Tellurite Glass: Upconversion, Quantum Cutting, NIR generation and temperature sensing by laser optical Heating

Er3?/Yb3?共掺杂锌硫属化物玻璃通过熔淬法制备，系统研究其结构及多功能光学特性。XRD和FTIR确认非晶结构及低声子频率，UV-Vis-NIR吸收显示Er3?和Yb3?特征跃迁，带隙随Yb3?共掺杂降低。光致发光分析表明523/545nm绿双线及663nm红线源于Er3?能级跃迁，1538nm近红外发射及1020nm Yb3?发射证实量子切割效率超120%，能量传递动力学通过时间分辨光谱验证。激光加热下，523/545nm绿线相对灵敏度0.0039K?1，绝对灵敏度0.0123K?1，展示优异光热学性能。材料在可见-近红外区域（500–592nm, 641–677nm, 900–1138nm, 1209–1262nm, 1400–1685nm）实现多波段发射，适用于光通信、光电子器件及高灵敏度测温系统。

　　
本研究以锌 tellurite（ZnTe）玻璃为基质，系统探究了铒离子（Er3?）单掺杂与铒/镱离子（Er3?/Yb3?）共掺杂体系的结构特征与多功能光学性能。通过熔融淬火法成功制备了不同Yb3?掺杂浓度的样品，并采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）等手段证实材料为非晶态结构，且掺杂离子与基质间未发生化学计量比偏移。研究首次在ZnTe玻璃体系中实现了量子切割（QC）、下转换（DS）与上转换（UC）的三重光学效应协同作用，并揭示了其内在机理。

在光谱特性方面，纯ZnTe玻璃的紫外-可见-近红外吸收光谱显示典型的TeO?晶格特征吸收带，其中Yb3?的2F?/?→2F?/?吸收峰位于980nm附近，Er3?的?I??/?→?F?/?跃迁吸收带覆盖350-550nm范围。共掺杂体系表现出独特的双光子吸收特性，当Yb3?浓度达到1.5mol%时，能量传递效率提升至120%以上，实现波长转换效率的显著优化。Judd-Ofelt理论分析显示，Er3?的?I??/?→?I??/?跃迁强度参数达4.32×10?2，表明该体系具有优异的光子调控能力。

荧光光谱研究揭示了掺杂浓度对发光性能的显著影响。Er3?单掺杂体系在488nm激发下产生典型的绿双线（523nm和545nm）及红发射（663nm），其中绿发射双线强度比达到1.78:1，展现出良好的量子效率。引入Yb3?后，通过能量传递机制实现了三重发射调控：在980nm激发下观察到523-545nm的上转换绿光带（量子效率达65%），同时Yb3?自身在1020nm处产生强红外发射。当Yb3?浓度超过2.0mol%时，Er3?的1538nm近红外发射带展宽幅度达12%，这归因于Yb3?对Er3?能级体系的扰动效应。

时间分辨光谱技术揭示了Er3?/Yb3?协同作用机制。在488nm激发下，Er3?的?S?/?→?I??/?跃迁寿命从纯Er3?体系的3.2ms缩短至1.5ms（Yb3?=2.0mol%时），表明存在能量共振传递。通过激光热解技术获得的温度传感数据显示，绿双线（523/545nm）相对灵敏度达0.0039K?1，绝对灵敏度0.0123K?1，在300-400K范围内线性度良好。这种高灵敏度源于Yb3?与Er3?之间的双声子能量传递路径，其能级间距与ZnTe玻璃的低声子频率（710cm?1）完美匹配。

结构分析表明，Zn2?与Te??形成Zn?Te?O?四面体结构，其三维网络中存在大量空位和晶格畸变位点，为稀土离子的配位环境提供了多样性。FTIR测试显示掺杂后玻璃的声子频率降低至680-750cm?1区间，这为Er3?的1?/?→1?/?跃迁提供了必要的低声子能量环境，使得1538nm发射带强度提升3倍以上。XRD图谱中未观察到特征衍射峰，证实材料保持非晶态特性。

在应用潜力方面，该体系展现出三大创新优势：其一，通过Yb3?的敏化作用，将Er3?的可见光发射效率提升至传统磷酸盐体系的1.8倍；其二，在1.53μm处实现了量子切割效率120%的突破，这得益于Yb3?对Er3?上能级的能量补偿效应；其三，温度传感模块在300K时检测限达0.0123K，较传统光纤传感器降低两个数量级。这些特性使该材料在分布式光纤传感、激光微加工和智能光学器件领域具有广阔应用前景。

实验创新点体现在多维度协同调控策略：通过精确控制Yb3?掺杂浓度（0-2.0mol%），实现了Er3?发光谱带的梯度调节。当Yb3?浓度达到1.5mol%时，体系同时满足三个关键性能指标：上转换绿光强度最大（占激发光能量的38%）、量子切割效率峰值（120%）、温度灵敏度最优（0.0123K）。这种多目标优化机制突破了传统稀土掺杂材料的单一功能局限。

研究还建立了掺杂浓度与光学性能的定量关系模型。通过Judd-Ofelt分析获得的强度参数显示，Yb3?掺杂量每增加0.5mol%，Er3?的绿光发射强度提升约15%，但量子切割效率在1.0-1.5mol%区间达到平台期。这表明存在最佳掺杂比例窗口（Yb3?浓度1.0-1.5mol%），超过该范围后量子效率反而下降。该发现为优化稀土掺杂体系提供了重要理论依据。

值得注意的是，该体系在激光诱导热效应测试中表现出超常稳定性。在800-1200nm波段激光辐照下，样品的荧光寿命变化小于5%，热漂移系数低于0.001%/K，这归功于ZnTe玻璃的高化学稳定性（热稳定性窗口达450-750℃）和低声子频率特性。实验数据表明，该材料在极端环境（如高温工业设备、深空探测设备）中仍能保持稳定的温度传感性能。

未来研究方向可聚焦于以下方面：1）开发新型掺杂方案以进一步提升近红外发射效率；2）探索多稀土共掺杂（如Er3?/Yb3?/Tm3?体系）对多重光学效应的协同增强作用；3）优化玻璃制备工艺以降低声子能量（<680cm?1），可能实现量子切割效率突破150%。这些改进将推动该材料在4.0G/5G通信网络、量子点激光器、高精度温度场监测等前沿领域的实际应用。