近日，中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室在温度对Nd3+/Yb3+能量转移影响方面取得进展，研究团队发现了Nd3+/Yb3+共掺硅酸盐玻璃中，稀土离子能量传递随温度的变化，相关研究成果以“Temperature dependence of spectroscopic properties and energy transfer in Nd3+/Yb3+ co-doped silicate glass”为题发表于《发光学报》(Journal of Luminescence)。
Nd3+和Yb3+是使用较为广泛的两种稀土元素，由于Nd3+的激发态吸收，多声子弛豫，交叉弛豫和Yb3+的吸收带单一，温度敏感性限制了两者的进一步发展。但是两者共掺时却能互相弥补缺点。Nd3+的4F3/2能级和Yb3+的2F5/2能级能量差约为1000cm-1，这极易受温度影响从而改变两者的能量传递方向和效率。因此，探究温度对Nd3+/Yb3+能量传递的影响是科研人员研究的方向和重点。
研究团队用声子能量和密度，变温荧光光谱和变温荧光寿命表征了Nd3+/Yb3+能量传递随温度的变化。实验结果表明，在硅酸盐玻璃中，能量为621cm-1的声子对Nd3+→Yb3+能量传递有益，而能量为1090cm-1的声子对Yb3+→Nd3+能量传递有利。此外，随着温度增加声子密度增大，有利于两者能量传递。在150K到300K温度范围内，Nd3+→Yb Yb3+能量传递从73.19%增长到82.31%，Yb3+→Nd3+能量传递从9.97%到18.11%。共掺情况下也有效拓展了两者1μm处的有效线宽，室温状态下1μm处有效线宽达89.1nm。本研究结果为Nd3+/Yb3+共掺硅酸盐玻璃应用打下了坚实的基础。
本研究得到了国家自然科学基金、国际科技合作计划、中国科学院前沿科学重点研究项目、国家科技支撑计划的支持。
图1 Yb3+←→Nd3+在能量传递示意图
图2 Nd3+/Yb3+在不同温度下的能量转换效率。
