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

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

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：2026-09-12

- 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
- 收稿：2022-05-04，
  
  修回：2022-05-23，
  
  纸质出版：2022-09-05
- 稿件说明：
移动端阅览
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(09):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(09):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(09):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(09):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

on 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

Keywords

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.2016.03.003 http://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/s41598-020-67211-2 http://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/c6pp00406g http://dx.doi.org/10.1039/c6pp00406g

HOU Z Y ， ZHANG Y X ， DENG K R ， et al . UV-emitting upconversion-based TiO 2 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/nn506107c http://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.399196 http://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-z http://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.393770 http://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.20200347 http://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.20200347 http://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/s41566-019-0359-9 http://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.202000213 http://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/b809132n http://dx.doi.org/10.1039/b809132n

CAO C Y ， QIN W P ， ZHANG J S ， et al . Ultraviolet upconversion emissions of Gd 3+ ［J］. Opt. Lett. ， 2008 ， 33 （ 8 ）： 857 - 859 . doi: 10.1364/ol.33.000857 http://dx.doi.org/10.1364/ol.33.000857

QIN W P ， CAO C Y ， WANG L L ， et al . Ultraviolet upconversion fluorescence from 6 D J of Gd 3+ induced by 980 nm excitation ［J］. Opt. Lett. ， 2008 ， 33 （ 19 ）： 2167 - 2169 . doi: 10.1364/ol.33.002167 http://dx.doi.org/10.1364/ol.33.002167

ZHENG K Z ， ZHAO D ， ZHANG D S ， et al . Ultraviolet upconversion fluorescence of Er 3+ induced by 1 560 nm laser excitation ［J］. Opt. Lett. ， 2010 ， 35 （ 14 ）： 2442 - 2444 . doi: 10.1364/ol.35.002442 http://dx.doi.org/10.1364/ol.35.002442

SHI F ， WANG J S ， ZHAI X S ， et al . Facile synthesis of β-NaLuF 4 ∶Yb/Tm hexagonal nanoplates with intense ultraviolet upconversion luminescence ［J］. CrystEngComm ， 2011 ， 13 （ 11 ）： 3782 - 3787 . doi: 10.1039/c1ce05092c http://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NaYF 4 ∶Yb， Tm纳米晶的合成与表征［J］. 发光学报， 2012 ， 33 （ 7 ）： 688 - 692 . doi: 10.3788/fgxb20123307.0693 http://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-NaYF 4 ∶Yb，Tm nanocrystals ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2012 ， 33 （ 7 ）： 688 - 692 . （in Chinese） . doi: 10.3788/fgxb20123307.0693 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20123307.0693

QIN W P ， LIU Z Y ， SIN C N ， et al . Multi-ion cooperative processes in Yb 3+ clusters ［J］. Light Sci. Appl. ， 2014 ， 3 （ 8 ）： e193 - 1 - 6 . doi: 10.1038/lsa.2014.74 http://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.201306811 http://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/ncomms10304 http://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.201701479 http://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/s41467-019-09850-2 http://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 Ba 2 LaF 7 ∶Yb 3+ ，Tm 3+ upconversion nanocrystal microcavities ［J］. Opt. Lett. ， 2020 ， 45 （ 21 ）： 5986 - 5989 . doi: 10.1364/ol.401768 http://dx.doi.org/10.1364/ol.401768

XU X H ， LU W ， WANG T ， et al . Deep UV random lasing from NaGdF 4 ∶Yb 3+ ，Tm 3+ upconversion nanocrystals in amorphous borosilicate glass ［J］. Opt. Lett. ， 2020 ， 45 （ 11 ）： 3095 - 3098 . doi: 10.1364/ol.394104 http://dx.doi.org/10.1364/ol.394104

QIN F ， ZHENG Y D ， YU Y ， et al . Ultraviolet upconversion luminescence of Gd 3+ from Ho 3+ and Gd 3+ codoped oxide ceramic induced by 532-nm CW laser excitation ［J］. Opt. Commun. ， 2011 ， 284 （ 12 ）： 3114 - 3117 . doi: 10.1016/j.optcom.2011.02.060 http://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 BaGd 2 ZnO 5 phosphor excited by a visible commercial light-emitting diode ［J］. Opt. Lett. ， 2014 ， 39 （ 7 ）： 2000 - 2003 . doi: 10.1364/ol.39.002000 http://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Pr 3+ 离子发光的影响［J］. 发光学报， 2017 ， 38 （ 1 ）： 1 - 6 . doi: 10.3788/fgxb20173801.0001 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173801.0001

LIU F ， WANG X J . Effects of non-4f states on Pr 3+ luminescence in phosphors ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2017 ， 38 （ 1 ）： 1 - 6 . （in Chinese） . doi: 10.3788/fgxb20173801.0001 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173801.0001

SUN C L ， LI J F ， HU C H ， et al . Ultraviolet upconversion in Pr 3+ ∶Y 2 SiO 5 crystal by Ar + laser（488 nm） excitation ［J］. Eur. Phys. J. D ， 2006 ， 39 （ 2 ）： 303 - 306 . doi: 10.1140/epjd/e2006-00102-7 http://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 Pr 3+ -activated upconversion materialsp ［J］. Environ. Sci. Technol. ， 2011 ， 45 （ 8 ）： 3680 - 3686 . doi: 10.1021/es200196c http://dx.doi.org/10.1021/es200196c

CATES E L ， WILKINSON A P ， KIM J H . Visible-to-UVC upconversion efficiency and mechanisms of Lu 7 O 6 F 9 ∶Pr 3+ and Y 2 SiO 5 ∶Pr 3+ ceramics ［J］. J. Lumin. ， 2015 ， 160 ： 202 - 209 . doi: 10.1016/j.jlumin.2014.11.049 http://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： LiYF 4 ∶Pr 3+ ［J］. Opt. Lett. ， 2016 ， 41 （ 4 ）： 792 - 795 . doi: 10.1364/ol.41.000792 http://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 Lu 6 O 5 F 8 upconversion nanocrystals ［J］. Adv. Opt. Mater. ， 2020 ， 8 （ 2 ）： 1900968-1-6 . doi: 10.1002/adom.201900968 http://dx.doi.org/10.1002/adom.201900968

YIN Z Q ， YUAN P ， ZHU Z ， et al . Pr 3+ doped Li 2 SrSiO 4 ： an efficient visible-ultraviolet C up-conversion phosphor ［J］. Ceram. Int. ， 2021 ， 47 （ 4 ）： 4858 - 4863 . doi: 10.1016/j.ceramint.2020.10.058 http://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/s40843-021-1790-1 http://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 Pr 3+ doped bulk crystal resonators by two-photon absorption ［J］. Opt. Lett. ， 2022 ， 47 （ 7 ）： 1879 - 1882 . doi: 10.1364/ol.452882 http://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.13.044051 http://dx.doi.org/10.1103/physrevapplied.13.044051

WANG X L ， CHEN Y F ， KNER P A ， et al . Gd 3+ -activated narrowband ultraviolet-B persistent luminescence through persistent energy transfer ［J］. Dalton Trans. ， 2021 ， 50 （ 10 ）： 3499 - 3505 . doi: 10.1039/d1dt00120e http://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 Pr 3+ -doped garnets ［J］. J. Mater. Chem. C ， 2021 ， 9 （ 41 ）： 14730 - 14739 . doi: 10.1039/d1tc03819b http://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Y 2 SiO 5 ∶Pr 3+ 的灭菌效果研究［J］. 发光学报， 2017 ， 38 （ 12 ）： 1591 - 1596 . doi: 10.3788/fgxb20173812.1591 http://dx.doi.org/10.3788/fgxb20173812.1591

LIU D Y ， YU Z C ， HU F ， et al . Sterilizing effect of UVC with Pr 3+ doped Y 2 SiO 5 under the sunlight ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2017 ， 38 （ 12 ）： 1591 - 1596 . （in Chinese） . doi: 10.3788/fgxb20173812.1591 http://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 LiYbSiO 4 ceramics ［J］. Ceram. Int. ， 2020 ， 46 （ 12 ）： 19996 - 20003 . doi: 10.1016/j.ceramint.2020.05.070 http://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 BaF 2 ∶Pr crystals ［J］. Phys. Rev. B ， 2005 ， 72 （ 19 ）： 195112-1-6 . doi: 10.1103/physrevb.72.195112 http://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 Pr 3+ in solids ［J］. J. Lumin. ， 2007 ， 122-123 ： 58 - 61 . doi: 10.1016/j.jlumin.2006.01.097 http://dx.doi.org/10.1016/j.jlumin.2006.01.097

浏览量

1471

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

Sr3B2O6∶Pr3+荧光粉的紫外上转换发光性能研究

Pr3+/Gd3+/Ce3+三掺BaF2自结晶玻璃的制备、发光特性与荧光防伪研究

颜色可调CsLa（WO4）2∶Pr3+荧光粉的光致发光和温度传感特性

通过Pr3+掺杂SrZnOS实现应力发光颜色调控及其应力发光机理

四苯乙烯手性组装体系的圆偏振发光与调控研究进展