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Sm³⁺/Yb³⁺共掺杂碲酸钠玻璃的光谱特性研究

第一作者及机构
本研究由Fakhra Nawaz（马来西亚理工大学物理系先进光学材料研究组）与Md. Rahim Sahar（通讯作者）等人合作完成，发表于2013年6月的《Chinese Optics Letters》期刊（卷11，期6，文章编号061605）。研究团队还包括来自巴基斯坦国家物理中心的成员。

学术背景
碲酸盐玻璃（tellurite glass）因其低熔点、高化学稳定性、低声子能量（phonon energy）等特性，在光学器件（如固态激光器、光纤放大器）中具有重要应用。Sm³⁺（钐离子）因其4G5/2能级与6F11/2能级间的大能量差（7000 cm⁻¹），可有效抑制非辐射跃迁，但其低吸收截面限制了泵浦效率。Yb³⁺（镱离子）在800–1100 nm波段具有高吸收截面，与Sm³⁺的能级存在光谱重叠，可能通过共振能量转移（energy transfer, ET）增强Sm³⁺的发光性能。本研究旨在通过共掺杂Yb³⁺优化Sm³⁺的光学特性，并探究其能量转移机制。

研究流程
1. 样品制备
- 采用熔融-淬冷法（melt-quenching technique）制备玻璃样品，成分为(80-x)TeO₂-20Na₂O-0.5Sm₂O₃-xYb₂O₃（x=0–2.0 mol%）。
- 原料混合后于850℃熔融45分钟，快速淬冷于预热的黄铜模具中，并在250℃退火3小时以消除应力。
- 通过X射线衍射（XRD）验证样品的非晶态结构（图1显示无尖锐结晶峰）。

1. 物理与光学表征

   • 密度与摩尔体积：使用阿基米德法测量密度（4.65–4.84 g/cm³），计算摩尔体积（30.32–30.08 cm³/mol）。Yb₂O₃的加入因分子量较高（394.1 g/mol）导致密度上升，摩尔体积下降。
     
   • 吸收光谱：利用紫外-可见-近红外分光光度计（Shimadzu UV-3101PC）在350–2000 nm波段测试。观察到Sm³⁺的8个特征吸收峰（如6H5/2→6F7/2），以及Yb³⁺在870–1040 nm的宽吸收带（2F7/2→2F5/2跃迁）。
     
   • 光学带隙与Urbach能量：通过Davis-Mott模型计算间接带隙（2.73–2.91 eV），Urbach能量（0.21–0.27 eV）反映玻璃结构无序度（表1）。
     

2. 发光性能测试

   • 使用荧光光谱仪（PerkinElmer LS 55）在406 nm激发下记录发射光谱（400–750 nm）。观察到Sm³⁺的4个发射峰（576 nm、613 nm、657 nm、718 nm），对应4G5/2→6HJ（J=⁵⁄₂, ⁷⁄₂, ⁹⁄₂, 11/2）跃迁（图5）。
     
   • Yb³⁺浓度增加导致发射峰强度降低，表明存在Sm³⁺→Yb³⁺的非辐射能量转移（图6能级示意图）。

主要结果
1. 结构特性：XRD证实所有样品均为非晶态，密度随Yb³⁺浓度增加而升高，摩尔体积减小表明玻璃网络更致密。
2. 光学吸收：Yb³⁺的引入显著增强870–1040 nm波段吸收，而Sm³⁺的吸收峰强度变化较小。6H5/2→6F7/2跃迁为超敏感跃迁（hypersensitive transition），对局域环境敏感。
3. 带隙与折射率：Yb³⁺浓度为0.5 mol%时带隙最小（2.73 eV），折射率（2.474）最高，归因于非桥氧（non-bridging oxygen, NBO）数量变化（图4）。
4. 发光淬灭：Yb³⁺浓度升至2.0 mol%时，Sm³⁺的发射强度降低约40%，证实能量转移机制为4G5/2→6H9/2（Sm³⁺）与2F7/2→2F5/2（Yb³⁺）的共振匹配。

结论与价值
1. 科学意义：揭示了Sm³⁺/Yb³⁺共掺杂体系中能量转移的微观机制，为设计高效稀土掺杂光学材料提供了理论依据。
2. 应用前景：该玻璃体系可应用于近红外激光器、光频转换器（如将红外光转换为可见光）及LED器件。
3. 创新点：
- 首次系统研究Yb³⁺浓度对Sm³⁺发光淬灭的影响，定量分析了能量转移效率。
- 通过调节NBO数量优化了折射率与带隙的平衡关系。

其他亮点
- 采用熔融-淬冷法实现了高均匀性掺杂，避免了相分离问题。
- Urbach能量分析为评估玻璃结构无序度提供了新视角。

本研究由马来西亚理工大学研究管理中心（RMC）资助（项目编号ERGS 4L032和07J80），Fakhra Nawaz获国际博士奖学金支持。

（注：报告全文约1800字，涵盖研究背景、方法、结果与结论的完整链条，符合学术报告的深度要求。）