掺铥（Tm）和掺镱/铒（Yb/Er）的锗酸盐碲酸盐玻璃的光谱及热成像特性研究

《Materials Research Bulletin》：Examination of Spectroscopic and Thermographic Qualities of Tm-doped and Yb/Er co-doped Germanate Tellurite Glasses

氧氟化物锗酸盐玻璃中铥单掺杂及铥/铒共掺杂体系的光学与热学特性研究。采用同步辐射和超快激光脉冲技术，系统分析了Tm、Tm/Yb、Tm/Yb/Er三体系在358nm和445nm激发下的发射谱线分布差异，发现铥掺杂玻璃色纯度超过90%，量子效率显著，在1908-2080nm区间具备潜在光放大能力。通过温度依赖性发光强度比分析，证实Tm/Yb/Er共掺杂体系在350K时相对灵敏度达0.78%K?1。

　　近年来，随着对光学材料研究的不断深入，玻璃材料因其独特的物理和化学性质，在光学传感、激光技术以及热成像等领域展现出了广泛的应用前景。特别是，以锗酸盐-碲酸盐玻璃（germanate-tellurite glasses）为基础的复合材料，因其优异的热稳定性、化学耐久性以及较低的声子能量，成为研究的重点对象。此类玻璃不仅具有宽广的透明波段范围，还具备较高的折射率，使其在光学器件的设计与制造中具有显著优势。本文聚焦于Tm3?（铥离子）单掺杂、Tm3?/Yb3?（铥/镱共掺）以及Tm3?/Yb3?/Er3?（铥/镱/铒三掺）三种不同掺杂方式的锗酸盐-碲酸盐玻璃，探讨其在光谱特性与热成像性能方面的表现。

在实验研究中，研究人员采用了一种特定的化学配方，即（55-x）GeO?-30TeO?-15SrF?-xRE?O?（GTS:RE），其中RE代表稀土元素。通过调整x值，可以控制稀土元素的掺杂比例，从而研究其对玻璃光学性能的影响。该研究覆盖了从Tm3?单掺到Tm3?/Yb3?/Er3?三掺的多种玻璃样品，并对它们的光谱特性进行了系统分析。实验过程中，采用了多种光源，包括同步辐射、氙灯以及半导体激光器，以激发不同类型的发光中心。这些光源的使用使得研究人员能够更全面地了解玻璃中稀土离子的光谱行为及其在不同激发条件下的响应。

吸收光谱分析是研究这些玻璃材料的重要手段之一。通过测量室温下的吸收光谱，研究人员能够评估Tm3?离子的辐射跃迁速率以及发光分支比。在Tm3?单掺玻璃中，吸收光谱显示出多个清晰的吸收带，这些带对应于Tm3?离子从基态（3H?）向多个激发态（如3F?、3H?、3H?、3F?,?、1G?和1D?）的跃迁。这些跃迁过程对于理解发光机制至关重要，因为它们直接影响了材料的发光效率和波长分布。值得注意的是，当使用不同的激发波长（如358 nm和445 nm）时，所记录的发射线分布存在显著差异，这表明激发波长的选择对发光行为有着重要的影响。

此外，研究人员还关注了这些玻璃材料的热成像性能。在Tm3?单掺玻璃中，发光强度与温度之间的关系被系统研究，特别是在热耦合和非热耦合能级之间发生的能量转移过程。实验结果显示，Tm3?/Yb3?/Er3?三掺玻璃在特定温度条件下表现出最高的相对温度灵敏度S?=0.78 %K?1，这一数值在350 K时达到峰值。这种高灵敏度表明，该材料具有作为温度传感器的良好潜力。同时，研究还发现，Tm3?离子的激发态在可见光和近红外区域的发光效率较高，尤其是在1.9 μm附近的发射带，其发射截面显著高于已知的Tm3?掺杂激光材料。这一发现为开发新型的光学放大器提供了理论依据。

在光谱特性方面，Tm3?/Yb3?/Er3?三掺玻璃展现出独特的发光行为。通过分析不同发射带的强度比，研究人员能够进一步揭示材料中离子之间的相互作用机制。例如，在某些特定的激发条件下，Tm3?和Er3?离子之间的能量转移过程被观察到，这表明这些离子之间可能存在协同效应。此外，研究还发现，当使用同步辐射作为激发源时，能够有效激发玻璃中的宽谱带发射，这为研究材料的光谱特性提供了更精确的工具。同时，超短激光脉冲的使用使得研究人员能够捕捉到激发态的弛豫动态过程，从而更深入地理解材料内部的能量转移和光子发射机制。

除了光谱和热成像性能，研究还探讨了这些玻璃材料在不同掺杂比例下的性能变化。例如，Tm3?/Yb3?共掺玻璃在激发波长的选择上表现出不同的发光特性，这可能与Yb3?离子对Tm3?发光过程的调制作用有关。Yb3?作为一种常见的敏化剂，能够有效地将激发能量传递给Tm3?，从而增强其发光效率。此外，Er3?的引入进一步优化了材料的光谱性能，使其在近红外区域表现出更高的发光强度和更宽的发射波段范围。这些结果表明，通过合理设计稀土元素的掺杂比例，可以显著提升材料的光学性能。

在实际应用方面，这些玻璃材料的优异性能为多种光学器件的开发提供了可能。例如，Tm3?单掺玻璃因其在1.9 μm附近的高效发光，被认为是潜在的光学放大器材料。同时，Tm3?/Yb3?/Er3?三掺玻璃的高温度灵敏度使其在温度传感领域具有重要价值。此外，研究人员还发现，这些玻璃材料在宽光谱范围内的发光特性使其能够应用于多色发光或宽带近红外发光等场景。例如，在磷光玻璃中，Tm3?/Yb3?/Er3?三掺玻璃能够实现白光或多色发光，这为开发新型照明材料或显示技术提供了新的思路。

为了进一步验证这些材料的性能，研究人员还对它们的结构和热力学特性进行了分析。通过调整GeO?和TeO?的摩尔比例，可以优化玻璃的结构稳定性，从而提高其在高温环境下的使用性能。同时，SrF?的引入对稀土离子的辐射跃迁过程产生了积极影响，这可能与其独特的晶体结构有关。此外，玻璃的热膨胀系数和热导率等参数也被纳入研究范围，以评估其在实际应用中的热稳定性。

综上所述，本文的研究揭示了Tm3?单掺、Tm3?/Yb3?共掺以及Tm3?/Yb3?/Er3?三掺的锗酸盐-碲酸盐玻璃在光谱特性、热成像性能以及光学放大能力方面的显著优势。通过系统的实验分析和理论探讨，研究人员不仅深入理解了这些材料的发光机制，还为未来在光学传感、激光技术以及热成像等领域的应用提供了科学依据。这些发现有望推动新型光学材料的开发，并拓展其在实际工程中的应用范围。