基於稀土發光材料的紅外激光多波段探測與應用

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基於稀土發光材料的紅外激光多波段探測與應用基於稀土發光材料的紅外激光探測是指將低能量不可見的紅外線輻射光直接轉換為高能量可見光的一類紅外發光材料, 其屬於凝聚態固體物理領域，其研究及應用跨越激光光學、功能材料、化學合成、固體發光、生物醫學等領域的交叉學科。

目錄

1、技術背景和意義

基於稀土發光材料的紅外激光探測是指將低能量不可見的紅外線輻射光直接轉換為高能量可見光的一類紅外發光材料, 其屬於凝聚態固體物理領域，其研究及應用跨越激光光學、功能材料、化學合成、固體發光、生物醫學等領域的交叉學科。稀土紅外發光材料是利用不同波段紅外光激發產生的能量不同從而改變發光狀態，實現對紅外光的探測、識別、跟蹤、校對等功能。目前主要應用於半導體、光學、生物醫藥、通信、軍事等領域。

2、技術原理、技術要點

一、製備出以稀土硫化物發光材料為主體實現對750-2000nm紅外激光的探測，激發功率0.1毫瓦起亮,解決了現有技術無法探測1.5-2微米及10.6微米紅外激光的技術瓶頸。

二、利用常溫常壓化學氣相沉積方法，在不穩定硫化物發光材料表面包裹納米氧化鋁防潮層，使得硫化物發光材料耐水壽命提高10倍以上，有效的改善了材料耐候性潮解問題。

三、利用稀土上轉換發光多能級吸收與發射原理，觀察到不同波長的激光對特別合成的同質發光材料可以產生不同的發射光譜，解決了半導體激光器光譜漂移檢測技術難題。通過對硫氧釓發光材料的吸收能帶與發射光譜的對應關係，選擇激活劑、製備溫度、氧體含量結構控制方法，製備出能夠感應5-10納米激光光譜漂移的發光材料，利用綠-紅顏色過渡變化靈敏反應激光能量變化與光譜漂移範圍。

技術要點

1、寬譜段高靈敏紅外發光材料的製備

本項目以紅外釋光原理，通過選用不同體系的混合材料，擴大基質材料遞增禁帶寬度，選擇摻雜不同的稀土元素，製備出可吸收750-2000nm 光、並產生靈敏發光的硫化物發光材料。從而解決傳統單一材料響應範圍窄、靈敏度低的技術瓶頸。同時依據材料靈敏的溫度釋光特性製備出針對高功率遠紅外激光的探測材料，二氧化碳10.6微米激光主要用於工業切割等領域。

2、化學氣相沉積表面處理硫化物發光材料

本項目實施中通過多級流化床獨特結構設計，在常溫常壓下利用有機源的過氧及水反應，在硫化物發光材料表面形成均勻可控的氧化鋁納米薄膜。發光材料顆粒度通常是5-30微米之間，流化床通過氣體載體汽包運動，帶動發光材料粉體顆粒規律流動，其有效解決了不同比重的硫化鍶、硫化鈣、硫化鋅、硫氧釓等硫化物微米級顆粒發光材料，動態均勻流動，得以實現表面防潮處理。

3、製備出稀土納米紅外變色發光材料

我們通過對硫氧釓發光材料的吸收能帶與發射光譜的對應關係，在材料製備上通過共激活劑鉺、鐿、鈥、鏑、釹等摻雜、製備溫度、氧體含量結構控制方法，形成大量實驗數據，製備出能夠對5-10納米激光光譜漂移的材料，利用綠-紅顏色過渡變化來靈敏反應激光的能量變化與光譜漂移範圍，實現對980納米與975納米激光器的識別。

3. 應用情況及效果

生物檢測領域應用目前主要集中在診斷試劑、生物成像、農生標記等方向，其中稀土發光診斷試劑北京熱景生物技術有限公司已經應用於2000餘家醫療機構，每年銷售額達到1億元，這是稀土材料作為主體基本材料首次在生物醫學領域規模使用。該項目已多次服務於國家重大活動如2008年奧運會、2010年世博會等，2014年申請獲得中華醫學獎繼而獲得2015年國家發明二等獎。

新興電子器件主要代表產品是智能手機中紅外測距、對焦等，其應用範圍正逐步向智能深度識別領域發展，目前蘋果、三星、華為正利用紅外激光技術研製自動動作識別等功能，紅外光探測是其生產製造中不可缺少環節，並且正在研發直接用於手機的紅外識別、測距、數據傳輸的信號顯示，該技術獲得2018年稀土科學技術二等獎。