蓝光LED激发深紫外上转换发光材料的光学定位与追踪应用

梁延杰; 刘景伟; 闫劭; 陈东讯; 王笑军

doi:10.37188/CJL.20220177

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蓝光LED激发深紫外上转换发光材料的光学定位与追踪应用

特邀报告 | 更新时间：2023-02-13

- 蓝光LED激发深紫外上转换发光材料的光学定位与追踪应用
  增强出版
- Blue LED-excitable Deep Ultraviolet Upconversion Phosphor for Optical Locating and Tracking Application
- 发光学报 2022年43卷第9期页码：1436-1445
- 作者机构：
  
  1.山东大学材料液固演变与加工教育部重点实验室，山东济南　250061
  2.Department of Physics， Georgia Southern University， Statesboro， GA 30460， USA
- 作者简介：
  
  [ "梁延杰（1986-），男，山东泰安人，博士，教授，2016年于山东大学获得博士学位，主要从事紫外和红外波段发光材料的研究。" ]
  [ "王笑军（1958-），男，吉林舒兰人，博士，教授，1992年于美国佐治亚大学获得博士学位，主要从事发光物理和发光材料的研究。" ]
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(51902184);山东省重点研发计划（重大科技创新工程）(2021CXGC011101);山东省自然科学基金博士基金(ZR2019BEM028)
- DOI：10.37188/CJL.20220177
  中图分类号： O482.31
- 纸质出版日期：2022-09-05，
  
  收稿日期：2022-05-04，
  
  修回日期：2022-05-23，
- 稿件说明：
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梁延杰, 刘景伟, 闫劭, 等. 蓝光LED激发深紫外上转换发光材料的光学定位与追踪应用[J]. 发光学报, 2022,43(9):1436-1445.

LIANG YAN-JIE, LIU JING-WEI, YAN SHAO, et al. Blue LED-excitable Deep Ultraviolet Upconversion Phosphor for Optical Locating and Tracking Application. [J]. Chinese journal of luminescence, 2022, 43(9): 1436-1445.
梁延杰, 刘景伟, 闫劭, 等. 蓝光LED激发深紫外上转换发光材料的光学定位与追踪应用[J]. 发光学报, 2022,43(9):1436-1445. DOI： 10.37188/CJL.20220177.

LIANG YAN-JIE, LIU JING-WEI, YAN SHAO, et al. Blue LED-excitable Deep Ultraviolet Upconversion Phosphor for Optical Locating and Tracking Application. [J]. Chinese journal of luminescence, 2022, 43(9): 1436-1445. DOI： 10.37188/CJL.20220177.

摘要

光发射波长小于320 nm的深紫外发光材料具有光子能量高和不受室内环境光干扰等特性，在光化学与光医学领域具有重要应用前景，近年来受到国内外学者的广泛关注。本文利用固相合成法制备了Pr

单掺和Pr

⁃Gd

共掺的LiYSiO

∶Pr

和Li（Y，Gd）SiO

∶Pr

深紫外上转换发光材料。在450 nm蓝光（激光或LED）激发下分别实现了C区紫外和窄带B区紫外上转换发光，发光峰值分别位于280 nm和313 nm。系统研究了蓝光激发功率对深紫外上转换发光性能的影响规律，证实了蓝光激发下的双光子上转换发光物理机制。探索利用LiYSiO

∶Pr

作为光转换层，以蓝光LED作为激发源，设计构筑了新型荧光转换型UVC光源，并展示了该光源在室外光学定位与追踪领域的应用。

Abstract

Deep ultraviolet（UV） luminescent materials with emission wavelength shorter than 320 nm have great potential for photochemistry and photomedicine because of the unique spectral features of UV light including high-energy photon and interference-free by indoor ambient light， which have aroused significant attention in the past few years. In this paper， we have synthesized deep UV emissive LiYSiO

∶Pr

and Li（Y，Gd）SiO

∶Pr

phosphors by doping Pr

and Pr

-Gd

ion pairs into LiYSiO

host. Upon 450 nm blue light（laser or LED） excitation， these phosphors can emit light in the ultraviolet C and narrowband ultraviolet B through photon upconversion. The deep UV upconversion luminescence properties were investigated in detail by varying the excitation power of 450 nm blue laser， indicating that two-photon upconversion luminescence process is responsible for the deep UV emission. Deep UV light source has been successfully created through a combination of LiYSiO

∶Pr

phosphor as luminescence converter and 450 nm LED as excitation source， which shows promising application in the optical locating and tracking field.

关键词

紫外上转换发光紫外光源Pr3+Pr3+-Gd3+光学定位与追踪

Keywords

ultraviolet upconversion luminescenceultraviolet light sourcePr3+Pr3+-Gd3+optical locating and tracking

references

SONG K， MOHSENI M， TAGHIPOUR F. Application of ultraviolet light-emitting diodes（UV-LEDs） for water disinfection： a review ［J］. Water Res.， 2016， 94： 341-349. doi: 10.1016/j.watres.2016.03.003http://dx.doi.org/10.1016/j.watres.2016.03.003

BUONANNO M， WELCH D， SHURYAK I， et al. Far-UVC light（222 nm） efficiently and safely inactivates airborne human coronaviruses ［J］. Sci. Rep.， 2020， 10（1）： 10285-1-8. doi: 10.1038/s41598-020-67211-2http://dx.doi.org/10.1038/s41598-020-67211-2

JARRETT P， SCRAGG R. A short history of phototherapy， vitamin D and skin disease ［J］. Photochem. Photobiol. Sci.， 2017， 16（3）： 283-290. doi: 10.1039/c6pp00406ghttp://dx.doi.org/10.1039/c6pp00406g

HOU Z Y， ZHANG Y X， DENG K R， et al. UV-emitting upconversion-based TiO2 photosensitizing nanoplatform： near-infrared light mediated in vivo photodynamic therapy via mitochondria-involved apoptosis pathway ［J］. ACS Nano， 2015， 9（3）： 2584-2599. doi: 10.1021/nn506107chttp://dx.doi.org/10.1021/nn506107c

WEISMAN M J， DAGEFU F T， MOORE T J， et al. Analysis of the low-probability-of-detection characteristics of ultraviolet communications ［J］. Opt. Express， 2020， 28（16）： 23640-23651. doi: 10.1364/oe.399196http://dx.doi.org/10.1364/oe.399196

CHEN L， LIN L， TIAN M M， et al. The ultraviolet detection of corona discharge in power transmission lines ［J］. Energy Power Eng.， 2013， 5（4B）： 1298-1302.

WANG X L， CHEN Y F， LIU F， et al. Solar-blind ultraviolet-C persistent luminescence phosphors ［J］. Nat. Commun.， 2020， 11（1）： 2040-1-8. doi: 10.1038/s41467-020-16015-zhttp://dx.doi.org/10.1038/s41467-020-16015-z

WANG A Y， LIU Y C， WANG X J， et al. White-light flashlight activated up-conversion luminescence for ultraviolet-B tagging ［J］. Opt. Lett.， 2020， 45（10）： 2720-2723. doi: 10.1364/ol.393770http://dx.doi.org/10.1364/ol.393770

陈凤，陈璐，刘峰，等. 基于上转换荧光粉的紫外光源设计［J］. 发光学报， 2021， 42（2）： 131-135. doi: 10.37188/CJL.20200347http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200347

CHEN F， CHEN L， LIU F， et al. Upconverting phosphor-based ultraviolet light source ［J］. Chin. J. Lumin.， 2021， 42（2）： 131-135. （in Chinese）. doi: 10.37188/CJL.20200347http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200347

KNEISSL M， SEONG T Y， HAN J， et al. The emergence and prospects of deep-ultraviolet light-emitting diode technologies ［J］. Nat. Photonics， 2019， 13（4）： 233-244. doi: 10.1038/s41566-019-0359-9http://dx.doi.org/10.1038/s41566-019-0359-9

DU Y Y， AI X Z， LI Z Y， et al. Visible-to-ultraviolet light conversion： materials and applications ［J］. Adv. Photonics Res.， 2021， 2（6）： 2000213-1-20. doi: 10.1002/adpr.202000213http://dx.doi.org/10.1002/adpr.202000213

WANG F， LIU X G. Recent advances in the chemistry of lanthanide-doped upconversion nanocrystals ［J］. Chem. Soc. Rev.， 2009， 38（4）： 976-989. doi: 10.1039/b809132nhttp://dx.doi.org/10.1039/b809132n

CAO C Y， QIN W P， ZHANG J S， et al. Ultraviolet upconversion emissions of Gd3+ ［J］. Opt. Lett.， 2008， 33（8）： 857-859. doi: 10.1364/ol.33.000857http://dx.doi.org/10.1364/ol.33.000857

QIN W P， CAO C Y， WANG L L， et al. Ultraviolet upconversion fluorescence from 6DJ of Gd3+ induced by 980 nm excitation ［J］. Opt. Lett.， 2008， 33（19）： 2167-2169. doi: 10.1364/ol.33.002167http://dx.doi.org/10.1364/ol.33.002167

ZHENG K Z， ZHAO D， ZHANG D S， et al. Ultraviolet upconversion fluorescence of Er3+ induced by 1 560 nm laser excitation ［J］. Opt. Lett.， 2010， 35（14）： 2442-2444. doi: 10.1364/ol.35.002442http://dx.doi.org/10.1364/ol.35.002442

SHI F， WANG J S， ZHAI X S， et al. Facile synthesis of β-NaLuF4∶Yb/Tm hexagonal nanoplates with intense ultraviolet upconversion luminescence ［J］. CrystEngComm， 2011， 13（11）： 3782-3787. doi: 10.1039/c1ce05092chttp://dx.doi.org/10.1039/c1ce05092c

宋维业，石峰，赵丹，等. 具有强紫外上转换发射特性的小尺寸、水溶性NaYF4∶Yb， Tm纳米晶的合成与表征［J］. 发光学报， 2012， 33（7）： 688-692. doi: 10.3788/fgxb20123307.0693http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20123307.0693

SONG W Y， SHI F， ZHAO D， et al. Synthesis and characterization of small size， water soluble， and intense ultraviolet upconversion emission of β-NaYF4∶Yb，Tm nanocrystals ［J］. Chin. J. Lumin.， 2012， 33（7）： 688-692. （in Chinese）. doi: 10.3788/fgxb20123307.0693http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20123307.0693

QIN W P， LIU Z Y， SIN C N， et al. Multi-ion cooperative processes in Yb3+ clusters ［J］. Light Sci. Appl.， 2014， 3（8）： e193-1-6. doi: 10.1038/lsa.2014.74http://dx.doi.org/10.1038/lsa.2014.74

WEN H L， ZHU H， CHEN X， et al. Upconverting near-infrared light through energy management in core-shell-shell nanoparticles ［J］. Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（50）： 13419-13423. doi: 10.1002/anie.201306811http://dx.doi.org/10.1002/anie.201306811

CHEN X， JIN L M， KONG W， et al. Confining energy migration in upconversion nanoparticles towards deep ultraviolet lasing ［J］. Nat. Commun.， 2016， 7（1）： 10304-1-6. doi: 10.1038/ncomms10304http://dx.doi.org/10.1038/ncomms10304

CHEN X， JIN L M， SUN T Y， et al. Energy migration upconversion in Ce（Ⅲ）-doped heterogeneous core-shell-shell nanoparticles ［J］. Small， 2017， 13（43）： 1701479. doi: 10.1002/smll.201701479http://dx.doi.org/10.1002/smll.201701479

SUN T Y， LI Y H， HO W L， et al. Integrating temporal and spatial control of electronic transitions for bright multiphoton upconversion ［J］. Nat. Commun.， 2019， 10（1）： 1811-1-7. doi: 10.1038/s41467-019-09850-2http://dx.doi.org/10.1038/s41467-019-09850-2

WANG T， LIU B T， LIN Y， et al. Ultraviolet C lasing at 263 nm from Ba2LaF7∶Yb3+，Tm3+ upconversion nanocrystal microcavities ［J］. Opt. Lett.， 2020， 45（21）： 5986-5989. doi: 10.1364/ol.401768http://dx.doi.org/10.1364/ol.401768

XU X H， LU W， WANG T， et al. Deep UV random lasing from NaGdF4∶Yb3+，Tm3+ upconversion nanocrystals in amorphous borosilicate glass ［J］. Opt. Lett.， 2020， 45（11）： 3095-3098. doi: 10.1364/ol.394104http://dx.doi.org/10.1364/ol.394104

QIN F， ZHENG Y D， YU Y， et al. Ultraviolet upconversion luminescence of Gd3+ from Ho3+ and Gd3+ codoped oxide ceramic induced by 532-nm CW laser excitation ［J］. Opt. Commun.， 2011， 284（12）： 3114-3117. doi: 10.1016/j.optcom.2011.02.060http://dx.doi.org/10.1016/j.optcom.2011.02.060

YANG Y M， MI C， SU X Y， et al. Ultraviolet C upconversion fluorescence of trivalent erbium in BaGd2ZnO5 phosphor excited by a visible commercial light-emitting diode ［J］. Opt. Lett.， 2014， 39（7）： 2000-2003. doi: 10.1364/ol.39.002000http://dx.doi.org/10.1364/ol.39.002000

刘峰，王笑军. 基质中非4f组态的电子态对Pr3+离子发光的影响［J］. 发光学报， 2017， 38（1）： 1-6. doi: 10.3788/fgxb20173801.0001http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173801.0001

LIU F， WANG X J. Effects of non-4f states on Pr3+ luminescence in phosphors ［J］. Chin. J. Lumin.， 2017， 38（1）： 1-6. （in Chinese）. doi: 10.3788/fgxb20173801.0001http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173801.0001

SUN C L， LI J F， HU C H， et al. Ultraviolet upconversion in Pr3+∶Y2SiO5 crystal by Ar+ laser（488 nm） excitation ［J］. Eur. Phys. J. D， 2006， 39（2）： 303-306. doi: 10.1140/epjd/e2006-00102-7http://dx.doi.org/10.1140/epjd/e2006-00102-7

CATES E L， CHO M， KIM J H. Converting visible light into UVC： microbial inactivation by Pr3+-activated upconversion materialsp ［J］. Environ. Sci. Technol.， 2011， 45（8）： 3680-3686. doi: 10.1021/es200196chttp://dx.doi.org/10.1021/es200196c

CATES E L， WILKINSON A P， KIM J H. Visible-to-UVC upconversion efficiency and mechanisms of Lu7O6F9∶Pr3+ and Y2SiO5∶Pr3+ ceramics ［J］. J. Lumin.， 2015， 160： 202-209. doi: 10.1016/j.jlumin.2014.11.049http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2014.11.049

WU J H， ZHENG H L， LIU X H， et al. UVC upconversion material under sunlight excitation： LiYF4∶Pr3+ ［J］. Opt. Lett.， 2016， 41（4）： 792-795. doi: 10.1364/ol.41.000792http://dx.doi.org/10.1364/ol.41.000792

DU Y Y， WANG Y F， DENG Z Q， et al. Blue-pumped deep ultraviolet lasing from lanthanide-doped Lu6O5F8 upconversion nanocrystals ［J］. Adv. Opt. Mater.， 2020， 8（2）： 1900968-1-6. doi: 10.1002/adom.201900968http://dx.doi.org/10.1002/adom.201900968

YIN Z Q， YUAN P， ZHU Z， et al. Pr3+ doped Li2SrSiO4： an efficient visible-ultraviolet C up-conversion phosphor ［J］. Ceram. Int.， 2021， 47（4）： 4858-4863. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.10.058http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.10.058

ZHOU X Q， QIAO J W， ZHAO Y F， et al. Multi-responsive deep-ultraviolet emission in praseodymium-doped phosphors for microbial sterilization ［J］. Sci. China Mater.， 2022， 65（4）： 1103-1111. doi: 10.1007/s40843-021-1790-1http://dx.doi.org/10.1007/s40843-021-1790-1

ZHU Z， WANG Y， ZHANG W F， et al. Ultraviolet C random lasing at 230-280 nm from Pr3+ doped bulk crystal resonators by two-photon absorption ［J］. Opt. Lett.， 2022， 47（7）： 1879-1882. doi: 10.1364/ol.452882http://dx.doi.org/10.1364/ol.452882

YAN S Y， LIU F， ZHANG J H， et al. Persistent emission of narrowband ultraviolet-B light upon blue-light illumination ［J］. Phys. Rev. Appl.， 2020， 13（4）： 044051-1-8. doi: 10.1103/physrevapplied.13.044051http://dx.doi.org/10.1103/physrevapplied.13.044051

WANG X L， CHEN Y F， KNER P A， et al. Gd3+-activated narrowband ultraviolet-B persistent luminescence through persistent energy transfer ［J］. Dalton Trans.， 2021， 50（10）： 3499-3505. doi: 10.1039/d1dt00120ehttp://dx.doi.org/10.1039/d1dt00120e

YAN S， LIANG Y J， LIU J W， et al. Development of ultraviolet-B long-lived persistent phosphors in Pr3+-doped garnets ［J］. J. Mater. Chem. C， 2021， 9（41）： 14730-14739. doi: 10.1039/d1tc03819bhttp://dx.doi.org/10.1039/d1tc03819b

刘东阳，于增朝，胡番，等. 太阳光激发UVC紫外上转换发光材料Y2SiO5∶Pr3+的灭菌效果研究［J］. 发光学报， 2017， 38（12）： 1591-1596. doi: 10.3788/fgxb20173812.1591http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173812.1591

LIU D Y， YU Z C， HU F， et al. Sterilizing effect of UVC with Pr3+ doped Y2SiO5 under the sunlight ［J］. Chin. J. Lumin.， 2017， 38（12）： 1591-1596. （in Chinese）. doi: 10.3788/fgxb20173812.1591http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173812.1591

SU C X， AO L Y， ZHANG Z W， et al. Crystal structure， Raman spectra and microwave dielectric properties of novel temperature-stable LiYbSiO4 ceramics ［J］. Ceram. Int.， 2020， 46（12）： 19996-20003. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.05.070http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2020.05.070

RODNYI P A， STRYGANYUK G B， VAN EIJK C W E， et al. Variation of 5d-level position and emission properties of BaF2∶Pr crystals ［J］. Phys. Rev. B， 2005， 72（19）： 195112-1-6. doi: 10.1103/physrevb.72.195112http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.72.195112

YOU F T， HUANG S H， MENG C X， et al. 4f5d configuration and photon cascade emission of Pr3+ in solids ［J］. J. Lumin.， 2007， 122-123： 58-61. doi: 10.1016/j.jlumin.2006.01.097http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2006.01.097

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