基于LiYF4:Ho3+陶瓷上转换效应的1.94 μm Tm3+:YAP激光束空间能量特性CCD成像研究

本文创新性地利用Ho3+掺杂氟化钇锂（LiYF4:Ho3+）陶瓷的上转换发光特性，通过CCD相机实现了1.94 μm Tm3+:YAP激光束的空间能量参数测量。研究通过建立速率方程模型揭示了能量转移上转换（ETU）机制对Ho3+离子5F5/5I5能级布居的关键作用，为红外激光束可视化检测提供了高分辨率、低成本的解决方案，在生物医学成像和激光手术导航领域具有重要应用价值。

　　

Highlight

实验

本研究采用Basler acA2500-14gm CCD相机（基于硅传感器onsemi MT9P031，像素尺寸2.2×2.2 μm）进行探测。Li(Y_0.99Ho_0.01)F₄陶瓷样品由高纯度LiF（99.99%）、YF₃（99.99%）和HoF₃（99.99%）原料合成。

结果

通过刀口法（ISO 11146）测得激光束直径作为参考值。图3展示了激光束直径随传播距离的变化关系，而图4则呈现了不同激发功率下LiYF₄:Ho³⁺陶瓷的可见光区上转换发光强度分布。实验观察到，随着激发功率从0.5 W提升至2.5 W，发光强度分布呈现非线性增长，且光束轮廓的细节清晰度显著提高。

讨论

红外激光向可见光转换的物理机制源于能量转移上转换（ETU）效应。Ho³⁺离子在1.9-2.1 μm波段存在从基态⁵I₈向⁵I₇能级的特征吸收（截面达0.2×10^?20-1×10^?20 cm²），使其成为2 μm辐射可视化的理想介质。速率方程计算表明，在1.94 μm激发下，离子间能量转移过程对布居⁵F₅和⁵I₅能级（负责可见光/近红外上转换发光）起主导作用。

结论

研究通过速率方程模型解析了LiYF₄:Ho³⁺陶瓷中Ho³⁺离子的上转换发光机制，证实1.94 μm激发下离子间能量转移是激活⁵F₅/⁵I₅能级的关键过程。CCD相机成功捕获了激光强度分布，并揭示了发光强度轮廓对激发功率的依赖性，为红外激光束的高精度可视化提供了新方案。