【摘 要】
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氧化钇稳定氧化锆（简称YSZ）因其具有高熔点、高折射率和低光学损耗等特点,被认为是理想的基质晶体。基于稀土元素具有独特的能级结构,稀土元素掺杂氧化钇稳定氧化锆单晶体显示出优良的发光性能,在许多高科技领域,包括发光、光学放大器、光学存储和固态激光器有广泛应用。但缺陷,基质和稀土掺杂元素会对晶体的发光性能具有一定的影响。本文采用光学浮区法生长出高质量的Ho2O3掺杂YSZ（Ho:YSZ）和Nd2O3、
【基金项目】
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国家自然科学基金（项目编号:11975004和12175047）; 广西重点研究开发计划（项目编号:2018AB29001）
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氧化钇稳定氧化锆（简称YSZ）因其具有高熔点、高折射率和低光学损耗等特点,被认为是理想的基质晶体。基于稀土元素具有独特的能级结构,稀土元素掺杂氧化钇稳定氧化锆单晶体显示出优良的发光性能,在许多高科技领域,包括发光、光学放大器、光学存储和固态激光器有广泛应用。但缺陷,基质和稀土掺杂元素会对晶体的发光性能具有一定的影响。本文采用光学浮区法生长出高质量的Ho2O3掺杂YSZ（Ho:YSZ）和Nd2O3、Ho2O3共掺YSZ（Nd/Ho:YSZ）单晶体。采用XRD和Raman光谱确定晶体的结构;测量晶体的正电子湮没寿命谱分析其微观缺陷;采用紫外可见分光光度计和光致发光光谱仪测量晶体的吸收光谱和发射光谱分析缺陷、稀土激活离子(Ho3+、Nd3+)对晶体发光性能的影响,获得有意义的实验结果:采用光学浮区法制备了Ho:YSZ和Nd/Ho:YSZ高质量单晶体,所有晶体样品均为四方相结构。Ho:YSZ晶体中的缺陷浓度随着Y2O3浓度的增加而增加,降低了晶体的量子产率和发光强度。根据Ho:YSZ晶体的吸收光谱图可以计算得到Ho:YSZ晶体的光学带隙值为4.86 e V,表明所制备的晶体样品为宽带隙材料。监测551 nm发射光,测试了Ho:YSZ晶体的激发光谱,位于446 nm的激发峰最强。采用波长为446 nm的光激发得到Ho:YSZ晶体的发射谱,发射谱图展现出绿光,红光,近红外三个发射峰,发射峰的强度随着Ho2O3浓度的增加先增加后降低。晶体在Ho2O3掺杂浓度大于0.50 mol%时发生浓度猝灭,这是由于相邻Ho3+之间存在电偶极-电偶极相互作用导致。CIE1931计算得出Ho:YSZ晶体色坐标位于绿光区域且样品色纯度为＞99%,晶体可能成为发射绿光的激光晶体。在Nd/Ho:YSZ晶体的吸收光谱中,位于约250 nm的吸收峰对应于基质氧化锆O的2p电子到Zr的4d的电子跃迁,而其他吸收峰对应的是稀土离子(Nd3+、Ho3+)不同能级之间的电子跃迁。Nd/Ho:YSZ晶体的光学带隙值为4.70 e V,小于Ho:YSZ晶体的光学带隙。在446 nm的光激发下,Nd/Ho:YSZ晶体也出现绿光,红光,近红外三个发射峰。Nd3+掺杂降低了Ho3+发射峰的强度;随着Nd3+浓度的增加,促进了~5F4→~5S2非辐射弛豫过程。在波长为808 nm激光激发下的Nd/Ho:YSZ晶体的上转换PL谱中可观察到绿光发射峰,即Nd3+的加入可以实现上转换发光,表明Nd3+可以作为Ho3+的敏化剂在YSZ基质中实现上转换绿光发射。Nd/Ho:YSZ晶体有可能成为工作在808 nm激发下上转换绿光发射的激光晶体。Nd/Ho:YSZ晶体的功率曲线表明晶体的上转换绿光发射过程为双光子过程。
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