稀土掺杂钨酸钙多晶粉的制备及其上装换性能研究的意义和背景：

自从进入21世纪以来，人们对光科技的认识不断深入，而激光作为光电领域的先进技术，越来越受到人们的关注。激光是指分子或原子吸收光子能量发生电子跃迁而辐射出特定波长的光，其发光效率高，颜色单一，具有方向性，因此受到广泛应用。随着激光技术的发展，激光晶体已经成为使用最广泛的一类物质。小型激光器基于光转换效率高、功能多样化等优点，成为现如今研究的热点。激光晶体作为介质材料在激光器发展过程中具有深远影响。 

激光晶体最早出现在20世纪60年代，美国休斯顿实验室的Malman利用掺铬的红宝石晶体做发射激光的材料，以发射强度很高的脉冲氙灯泵浦发光，使红宝石晶体受到激发产生能级跃迁，发射出可见光，至此世界上第一台激光器诞生，即红宝石激光器。随着第一台激光器的问世，人们对不同材料的激光器不断探索。20世纪70年代以稀土掺杂石榴石为代表的固态激光器迅速发展；80年代研究出超快超强的钛宝石晶体；90年代初，上转换材料受到重视，LD泵浦源寿命长、效率高，为上转换材料提供了可靠的激发光源。上转换是利用光学激活中心（一般为稀土离子或过渡金属离子）的电子能级（如近红外）激发到高能电子能级产生高能发射（如可见或者近紫外）的过程。这个过程至少吸收两个光子来提供上转换发射的能量。上转换激光对上转换材料物理性能的要求较小，而且对泵浦源的要求不是十分苛刻。特别是上转换激光可以用半导体激光二极管进行泵浦，这就使得上转换可以用来实现简单、廉价和可靠性高的紧凑激光系统。因此，上转换发光材料已经成为这一领域研究的热点。

 

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Tm3+,Yb3+共掺钨酸钙多晶材料的上转换温度特性的分析：

图7中的实验数据利用上面公式进行拟合后得到了荧光强度比R与温度T的关系曲线.从图中可以观察到,拟合曲线与实验数据符合得很好,拟合得到的数据A=0.9,B=0.9,∆E/k_B=917.

对于光学测温装置,定义荧光强度比随着温度的变化为灵敏度,Sa=∆E/k_BT².在实际应用中知道灵敏度随温度变化是很重要的,出于这个目的,相对灵敏度定义为 Sr=R·∆E/k_BT²  (3)

利用(3)式得到样品的Sr与温度T的拟合曲线如图8,从图中可以看出随着温度的升高,Sr呈现先增大后减小的趋势,在458K时得到S_r最大值为5.7×10⁻⁴K⁻¹.相对之前文献中的数据可以得知,Tm³⁺,Yb³⁺共掺CaWO₄多晶材料可以在中高温实现较为精确的温度测量.

 

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结论

采用高温固相法制备5组改变Yb³⁺浓度的Tm³⁺,Yb³⁺共掺CaWO₄多晶材料.得到如下结论:

1)在980nm二极管激光器激发下,可见区域获得了477nm(¹G₄→³H₆),649nm(¹G₄→³H₄),689nm(³F₂→³H₆)和705nm(³F₃→³H₆)的上转换荧光;

2)随着Yb³⁺浓度的增加样品的上转换荧光的强度增强,当Yb³⁺物质的量分数为3%时荧光强度最大,随后出现浓度猝灭现象;

3)根据上转换发光强度随抽运功率的变化曲线得出样品的上转换蓝光是基于3光子的吸收过程,上转换红光同时存在2光子和3光子的吸收过程,其中以2光子吸收过程为主;

4)研究了样品的689nm和705nm红色上转换荧光在313—773K范围内的温度特性,温度为458K时Tm³⁺,Yb³⁺共掺CaWO₄多晶材料测温的最大灵敏度值为5.7×10⁻⁴K⁻¹.由此可见,基于荧光强度比的方法Tm³⁺,Yb³⁺共掺CaWO₄多晶材料在光学温度传感器方面具有很大的应用前景.


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Tm3+,Yb3+共掺钨酸钙多晶材料的上转换温度特性分析：

在准热平衡下,稀土离子两个能级上的粒子数服从玻尔兹曼分布,粒子从某激发态跃迁发出的上转换荧光强度与对应能级的粒子数成正比,两个能级的荧光强度比可描述为

N_i为i能级上的粒子数,I_ij和W_ij分别为粒子从i能级跃迁到j能级的荧光强度和角频率.g_i为简并度,σ_ij为发射截面积,∆E为能级差,k_B为玻尔兹曼常数,T为热力学温度.但是荧光带之间的交叠将使得荧光强度比偏离(1)式中玻尔兹曼分布规律.针对该问题,Wade等将(1)式进行了优化,如(2)式所示:

其中A=(g₂σ_2jω_2j)/(g₁σ_1jω_1j)定义为指数前因子,B是一个常数定义为补偿因子。

 

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