稀土发光和激光材料

稀土的发光和激光性能都是由于稀土的4f电子在不同能级之间的跃迁产生的。由于稀土离子具 有丰富的能级和4f电子跃迁特性，使稀土成为发光宝库，为高科技领域特别是信息通讯领域提供了性能优越的发光材料。

稀土发光材料的优点是吸收能力强，转换率高，可发射从紫外到红外的光谱，在可见光区域，有很强的发射能力，且物理化学性质稳定。稀土发光材料因其激发方式不同又可分为稀土阴极射线发光材料、稀土光致发光材料、X射线稀土发光材料、稀土闪烁体、稀土上转换发光材料及其它稀土功能发光材料。目前，稀土发光材料主要用于彩电显像管、计算机显示器、照明、医疗设备等方面。稀土发光材料用量最大的是彩电显像管、计算机显示器、稀土三基色节能灯、PDP等离子显示屏。

彩电显像管和计算机显示器使用的稀土发光材料属阴极射线发光材料。目前彩管中红粉普遍使用的是铕激活的硫氧化钇Y₂0₂S:Eu磷光体，粒度6～8μm，计算机显示器要求发光材料提供高亮度、高对比度和清晰度，其红粉也采用Y₂O₂S：Eu，但Eu含量要高一些，绿粉为Tb3+激活的稀土硫氧化物Y₂0₂S：Tb，Dy及Gd₂O₂S：Tb，Dy高效绿色荧光体，粒度为4～6um。有消息报导说蓝粉也将由稀土发光材料取代锌、锶硫化物粉。大屏幕投影电视的红粉也为Y₂0₂S：Eu，绿粉为Tb激活的稀土发光材料如纪铝石榴石YAG：Tb(P53)和钇铝镓石榴石YAGG：Tb，大屏幕投影电视因需要高电流密度激发，外屏温度高，要求发光材料能量转换效率尽可能高，温度淬灭特性好，亮度与电流呈线性关系，电流饱和特性好，且性能稳定。投影电视用荧光粉每年可消费数吨稀土氧化物。PDP等离子显示屏中的稀土发光材料为电致发光材料，红色为ZnSiNdF₃、Zn-SiSmF₃和Zn-SiEuF₃薄膜，绿色为Zn-SiTbF₃、Zn-SiErF₃和Zn-SiHoF₃薄膜，由于蓝色发光材料Zn-SiTmF₃亮度很低，因而使用了不含稀土的ZnSiAg。PDP属平板显示技术，随着市场对PDP电视需求的增加，稀土的消费会进一步扩大。

稀土发光材料的另一项重要应用是稀土三基色节能灯，它使用的稀土三基色荧光粉是光致发光材料，主要组成部分为红粉Y2O3：Eu3+，约占60～70％(质量分数)，绿粉为Ce_0.67Mg_0.33Al₁₁0₁₉：Tb³⁺(～30％)(质量分数)，蓝粉为BaMgAl₁₆O₂₇：Eu²⁺(少量)。稀土节能灯发光效率高，节约电力，其开发应用受到世界各国重视。与国外相比，我国灯粉质量还存在一定问题，光衰较大，亮度偏低，在灯粉粒度、原料纯度控制工艺方面需要改进。

此外，还有稀土上转换发光材料，上转换发光材料发射光子的能量大于吸收光子的能量，广泛用于红外探测，某些上转换稀土发光材料如BaYF₅：Yb，Er可将红外线转换成可见光，夜视镜中使用的就是这种材料，还有一些材料如掺杂Ho³⁺的SrF₂晶体可实现激光输出的上转换，在红色激光激发下，SrF₂晶体中Ho³⁺可实现兰色上转换发光。

稀土激光材料是与激光同时诞生的，稀土是激光工作物质中很重要的元素，90％的激光材料都与稀土有关。稀土激光材料可分为固体、液体和气体三大类，以稀土固体激光材料的应用最广。稀土固体激光材料又可以分为晶体、玻璃、光纤及化学计量激光材料。稀土激光材料广泛用于通讯、医疗、信息储存、切割和焊接等方面。

稀土晶体激光材料主要是含氧的化合物和含氟的化合物。其中稀土石榴石体系是研究、开发和应用最活跃的体系，如Y₃Al₅O₁₂Nd(YAG：Nd)因其性能优异得到了广泛的应用，还有效率更高的掺杂Nd和Cr的钆钪嫁石榴石GSGG：Nd，Cr及与GSGG类似的(Gd，Ca)₃(Ga，Mg，Zr)₅Ｏ₁₂：Nd，Cr。掺钕钒酸钇(YVO₄：Nd)及YLiF₄，适用于二极管泵浦的全固态连续波绿光激光器，在激光技术、医疗、科研等领域应用广泛。稀土玻璃激光材料用Nd^3＋、Er^3＋、Tm^3＋等三价离子作为稀土激活离子，种类比晶体少，容易制备，灵活性比晶体大，可以根据需要制成不同的形状和尺寸，缺点是热导率比晶体低，因此不能用于连续激光的操作和高重复率操作。稀土玻璃激光器输出脉冲能量大，输出功率高，可用于热核聚变研究，也可用于打孔、焊接。

稀土光纤激光材料在现代光纤通讯的发展中起着重要作用。现代信息高速公路的建设与发展，对传输容量、所传输信号的质量、速度提出了更高的要求。光信号直接放大技术是为补偿长距离传送过程中光衰减而开发的。掺铒光纤放大器(EDFA)的开发应用及其它高技术的发展，使现代光纤通信取得了长足的进步。EDFA中Er^3＋在受到波长980nm、1480nm的光激发后，其能级从基态跃迁致高能态，当处于高能态的Er3+再跃迁返回基态时发出1550nm的光，这是上转换发光，起到了光放大的作用。除EDFA外还有掺镨氟化物光纤放大器，它们的原理相同，后者激发光波长为1017nm。稀土在光纤中用量很少，世界总用量仅为公斤级，但所起的作用是决定性的。