基于飞秒脉冲整形技术的稀土离子上转换发光优化反馈控制

通信作者

张诗按教授 

华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室/山西大学极端光学协同创新中心

研究背景和亮点

稀土离子具有特殊的4f价电子层结构，多年来科研界对其发光性质的研究兴趣一直非常浓厚。稀土离子上转换发光能将两个或多个低能量的红外光子转发为一个可见或紫外高能量光子。稀土离子的上转换发光具有荧光特性好、发光色度纯、物化性质稳定、能量转换效率高等特点。稀土离子掺杂发光材料已被广泛应用在激光光源、光纤通讯、彩色显示、生物标签、医学成像等领域。 

实现稀土离子上转换发光强度或色彩的控制，对提升稀土离子掺杂材料的发光性能，拓展其应用范围具有重要意义。科学工作者在这方面开展了大量的研究，提出并实现了多种稀土离子上转换发光的增强或控制方法。改变材料的性质是最常用的方法，如改变掺杂离子种类[1]、浓度[2]、颗粒尺寸[3]、采用核-壳结构[4]等。改变材料的外部环境是另一种有效的调节方法，如材料温度[5]、施加外部的电场[6]或磁场[7]等。改变激发光源也是一种常用的控制手段，如改变激发光源波长[8]、功率[9]、脉冲重复频率[10]、脉冲持续时间[11]以及光谱成分相位[12]等。同前两种方法相比，改变激发光源具有一个显著的优点：能对稀土离子掺杂材料的发光性能进行实时、动态、可逆的操控。 

以往通过调制飞秒光场光谱成分相位，即飞秒脉冲相位整形，来控制稀土离子掺杂材料发光的研究均采用预先设计好的相位调制模式，如阶跃相位[12]和方波相位[13]等。由于飞秒光场与物质离子相互作用的过程非常复杂，各种光学元件，如透镜、光栅等的存在也会给不同光谱成分引入不同的附加相位，因此采用预先设计好的相位调制模式往往很难达到对材料发光过程的最优控制。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验的张诗按、邓联忠、姚云华等人，利用基于遗传算法的飞秒脉冲相位整形技术，在实验上开展了稀土离子掺杂材料上转换发光强度和色彩调谐的优化反馈控制研究。这种基于自适应反馈控制的飞秒脉冲整形手段，具有根据选定的目标发光波长在全局范围内自动搜索最优光谱相位分布的能力。他们最近的一项研究表明[14]，通过自适应反馈控制对800nm飞秒激发光场的相位整形，掺Er³⁺玻璃陶瓷中上转换绿光和红光的强度比值既可以被优化增强，也可以被优化抑制。该工作首次将基于自适应反馈控制的飞秒脉冲整形技术用于稀土离子掺杂材料发光的优化控制。 

参考文献

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文献链接 

Lian-Zhong Deng,Yun-Hua Yao, Li Deng, Huai-Yuan Jia, Ye Zheng, Cheng Xu, Jian-Ping Li, Tian-Qing Jia, Jian-Rong Qiu, Zhen-Rong Sun, and Shi-An Zhang, Tuning up-conversion luminescence in Er³⁺-doped glass ceramic by phase-shaped femtosecond laser field with optimal feedback control, Front. Phys. 14(1), 13602 (2019)