基于双频上转换的3D立体显示技术：碲酸盐与氟化物玻璃材料及激光激发模式的性能比较研究

这篇研究通过对比稀土离子(REI)掺杂的碲酸盐(TZN)、锗酸盐(BGG)与氟化物(ZBLAN)玻璃在双频两步(TSTF)上转换发光性能，创新性地发现脉冲激光激发下TZN的绿色上转换强度超越传统ZBLAN材料。研究揭示了材料吸收截面(σ12/σ23)与辐射衰减率(A31)的协同效应机制，并在4×4×4 cm3大尺寸TZN玻璃中实现体素生成，为可扩展3D立体显示技术提供了新材料解决方案。

　　

材料创新与性能突破

研究团队系统比较了三种低声子能量玻璃基质中铒离子(Er³⁺)的双频两步上转换性能。传统认知认为氟化物(ZBLAN)因其550 cm^-1低声子能量应具有最优性能，但实验发现碲酸盐玻璃(TZN)在脉冲激光激发下展现出反常的亮度优势。通过精确控制1530 nm(Ex1)和846 nm(Ex2)双激光脉冲同步时序，TZN的绿色上转换(510-580 nm)强度达到ZBLAN的2.11倍。

机制解析与模型验证

速率方程模拟揭示了性能逆转的内在机制：TZN虽具有较短⁴S_3/2能级寿命(36 μs vs ZBLAN的446 μs)，但其显著更高的基态吸收截面(σ₁₂=5.41×10^-21 cm²)和激发态吸收截面(σ₂₃=2.15×10^-21 cm²)，配合3371 s^-1的高辐射衰减率，在纳秒级脉冲作用下产生更高效的粒子数反转。延迟时间实验证实9 ns无重叠脉冲间隔可实现最大上转换效率，其衰减动力学与⁴I_13/2能级寿命(3.9 ms)直接相关。

应用验证与技术前景

研究团队成功制备出光学质量优异的4 cm³级TZN玻璃立方体，通过Coretec Cspace系统实现了动态体素演示。该材料体系可扩展至铥(Tm³⁺)和镨(Pr³⁺)实现全彩显示，其抗结晶特性解决了氟化物玻璃难以规模化生产的瓶颈。未来发展方向包括：开发紧凑型脉冲激光系统、建立多参数优化模型，以及评估材料在长期光照下的稳定性。

这项研究突破了传统低声子能量材料的性能局限，通过激光激发模式的创新组合，为医疗成像、航空设计等领域的真3D显示技术提供了新的材料选择方案。