結晶場制御による量子カッティングの動的挙動の解明と光子カスケードレーザー発振

通过晶体场控制和光子级联激光振荡阐明量子切割的动态行为

• 批准号: 16656198
• 负责人: 小玉 展宏
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Akita University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-16656198/
• 关键词: 真空紫外分光; スピン許容と禁制; ワイドギャップ材料; 量子カッティング; ダウンコンバージョン; エネルギー移動; カスケード発光; 希土類イオン; スピン許容と禁制遷移; ワイドバンドギャップ材料

本研究では、Gdベース新規フッ化物、ケイ酸塩結晶の希土類イオンのスピン結晶場制御という概念に基づく希土類イオン間の2ステップエネルギー移動のダウンコンバージョンによる量子カッティングの発現とその動的挙動の解明、および2光子発光遷移のカスケード(段階遷移)誘導放出を利用した可視レーザー発振可能性に関する基礎的知見を得ることを目的とし、下記の成果を得た。1.2種あるいは3種のLn(I)^<3+>-Gd^<3+>-Ln(II)^<3+>(Ln^<3+>=Eu^<3+>,Er^<3+>,Tb^<3+>,Pr^<3+>)希土類イオン系で、スピン状態を含む結晶場で、交差緩和と格子間共鳴エネルギー移動を経る2ステップのダウンコンバージョンによる量子カッティングを調べるために、新規なワイドギャップフッ化物KLiGdF_5:Eu^<3+>,K_3GdF^<10>:Eu^<3+>,CsGd_2F_7:Er^<3+>,Tb^<3+>、ケイ酸塩SrY_4(SiO_4)_3O:Pr^<3+>結晶を合成した。その結果、2種のイオン対をもつKLiGdF_5:Eu^<3+>,K_3GdF_<10>、Eu^<3+>では、4f-4fの真空紫外励起で最大140〜165%の交差緩和効率をもつ量子カッティング発現を見出すとともに、量子カッティング効率のEu^<3+>濃度依存を明らかにした。また、量子カッティング過程では、最近接希土類イオン数に基づき、励起Gd^<3+>から第3〜4近接Eu^<3+>までエネルギー移動することを明らかにした。3種のイオン組み合せのCsGd_2F_7:Er^<3+>,Tb^<3+>では、Er^<3+>,Tb^<3+>の真空紫外域の4f^<n-1>5d^1のスピン許容と禁制の励起準位を解明し、Er^<3+>の4f^<11>-4f^<10>5d^1スピン許容準位への真空紫外励起による最大120%のダウンコンバージョン効率をもつ量子カッティング発現を見出すとともに、そのEr^<3+>とTb^<3+>の濃度比依存を明らかにした。ケイ酸塩SrY_4(SiO_4)_3O:Pr^<3+>では、量子カッティングは見出されなかったが、低温で、4f^2-4f^2励起で、2準位系の永続光ホールバーニング現象の発現を新たに見出した。2.量子カッティングの動的挙動の解明のため、KLiGdF_5:Eu^<3+>,K_3GdF^<10>:Eu^<3+>おいて、真空紫外の4f-4f励起および近紫外4f-4f励起の時間分解蛍光スペクトルおよび寿命測定より求めた、発光の立ち上がりと減衰から、交差緩和および格子間の共鳴エネルギー移動の時間挙動を明らかにし、量子カッティング過程が、真空紫外励起後、Eu^<3+>-Gd^<3+>の交換相互作用による交差緩和Gd^<3+>-Gd^<3+>の副格子間の共鳴エネルギー移動の2ステップエネルギー移動過程で起こることを実証した。これらの結果から、Eu^<3+>の4f-4f励起での量子カッティングによるカスケード放出過程に対する基礎的な知見を得るとともに、カスケードレーザー発振の原理的な可能性を見出した。

在本研究中，我们将基于Gd基新型氟化物和稀土离子自旋晶体场控制的概念，通过稀土离子之间两步能量转移的下转换来阐明量子切割的表现及其动态行为。我们的目的是获得有关使用级联（阶跃跃迁）受激发射双光子发射跃迁的可见激光振荡可能性的基础知识，并获得了以下结果。 1.2或3种Ln(I)^<3+>-Gd^<3+>-Ln(II)^<3+>(Ln^<3+>=Eu^<3+>,Er^<3 +>,Tb^<3+>,Pr^<3+>) 稀土离子系统中的两步下转换过程，通过包含自旋态的晶体场中的交叉弛豫和间隙共振能量转移。为了研究+>的量子切割，合成了硅酸盐SrY_4(SiO_4)_3O:Pr^<3+>晶体。因此，对于具有两种离子对的 KLiGdF_5:Eu^<3+>、K_3GdF_<10> 和 Eu^<3+>，可以实现高达 140-165% 的交叉弛豫效率4f-4f真空紫外激发除了发现量子切割的表达式外，我们还阐明了量子切割效率对Eu^<3+>浓度的依赖性。此外，还揭示了在量子切割过程中，能量根据最接近的稀土离子的数量从激发的Gd ^ 3+ 转移到第三或第四相邻的Eu ^ 3+ 。 CsGd_2F_7的三种离子组合中：Er^<3+>、Tb^<3+>、4f^<n-1>5d^在真空紫外区Er^<3+>、Tb^<3+>阐明 Er^<3+> 的 1 和 4f^< 的自旋允许和禁止激发能级11>-4f^<10>5d^1 我们通过真空紫外激发至自旋允许能级发现了下转换效率高达120%的量子切割现象，并研究了其Er^<3+>和Tb^<3+>的浓度比依赖性被澄清。在硅酸盐SrY_4(SiO_4)_3O:Pr^<3+>中没有发现量子切割，但在低温和4f^2-4f^2激发下观察到了两能级系统中持续的光学烧孔现象。新发现了表达2. 阐明KLiGdF_5:Eu^<3+>,K_3GdF^<10>:Eu^<3+>交叉弛豫和量子切割、真空紫外4f-4f激发和近紫外4f-4f激发的动态行为我们阐明了晶格与晶格之间共振能量转移的时间行为，发现量子切割过程是由Eu^<3+>-交换相互作用产生的交叉弛豫Gd^<3+>引起的真空紫外激发后的Gd^<3+>我们证明了-Gd^<3+>子晶格之间的共振能量转移发生在两步能量转移过程中。从这些结果中，我们获得了Eu^<3+> 4f-4f激发下量子切割级联发射过程的基本知识，并发现了级联激光振荡的原理可能性。

项目成果

Radiative and nonradiative decay processes responsible for long-lsting Phosphorescence of Eu^<2+>-doped barium silicates

辐射和非辐射衰变过程导致Eu^2掺杂硅酸钡的长效磷光

• 发表时间: 2005
• 期刊: Physical Review B (in press)
• 作者: N.Kodama;M.Yamaga;M.Yamaga
• 通讯作者: M.Yamaga

Radiative and nonradiative processes responsible for long-lating phosphorescence of Eu^<3+>-doped barium silicates

辐射和非辐射过程导致Eu^3掺杂硅酸钡的长滞后磷光

• 发表时间: 2005
• 期刊: Physical Review B 71
• 作者: Mitsuo;Yamaga;N. Kodama;M. Yamaga;N.Kodama;M.Yamaga
• 通讯作者: M.Yamaga