稀土离子间多光子激发能量转移的调控

在能量转移过程中，敏化剂离子吸收一个或多个光子，并被激发到更高的能级，然后将它的能量转移到受体离子，最后受体离子被泵浦到更高的激发态。能量转移过程作为稀土离子掺杂发光材料的一种有效发光方式，在很多领域有着广泛的应用，如彩色显示，生物标签，新型光源等。

Tm3+/Yb3+共掺材料作为一种常见的能量转移体系已经被广泛研究。由于Yb3+离子简单的能级结构和在近红外相对较大的吸收截面，在近红外连续激光的激发下，通常被用作敏化剂向Tm3+离子传递能量。两种不同离子间的能量转移效率通常通过改变掺杂浓度，材料结构，激发光源能量密度，激光脉冲重复频率，激光脉冲宽度等参数来实现。

实验室的张诗按研究员课题组利用基于基因遗传算法的自适应优化反馈控制系统，证明了50SiO2-20Al2O3-30CaF2-3TmF3-1YbF3(mol.%)的微晶玻璃在800nm，重复频率1kHz，脉宽50fs的飞秒光的激发下，是由Tm3+离子传递到Yb3+离子的相反途径，并且首次提出利用相位整形的飞秒激光场控制从Tm3+离子到Yb3+离子的多光子能量转移过程。

在基于基因遗传算法自适应优化反馈控制系统中，空间光调制器的每个像素的电压值被编码，设置选定发光峰的强度增强或抑制为目标，遗传算法将自动搜寻合适的电压值，经过反复迭代搜寻后，算法达到收敛，实现了整形后的脉冲激发样品后达到目标效果，实验结果如图1所示。设置Yb3+离子特征发光峰975nm处发光强度增强为目标，图1(a-1)是遗传算法适应度收敛图，最终发光强度约为极限脉冲下的1.6倍。图1(b-1)是发光增强光谱(蓝)与极限脉冲光谱(红)，由于Yb3+本征发光为单光子荧光过程，不受脉冲整形调制影响，所以其发光增强来源于整形后Tm3+离子布居数增加，增加了能量转移过程的几率。同样，设置该峰发光强度抑制为目标，图1(a-2)是遗传算法抑制适应度收敛图，显示整形脉冲下的 975nm发光峰强度约为极限脉冲下的30%，图1(b-2)是发光抑制光谱(蓝)与极限脉冲光谱(红)，可见其能量转移过程随着Tm3+布居数的抑制而被完全消除。

本工作拓展了控制稀土离子掺杂荧光材料能量转移过程的新方法，相关研究结果发表在Photonics Research，2019，7(4):486-492。

图1. (a-1)和(a-2)分别为975 nm发光增强和抑制适应度收敛图，(b-1)和(b-2)分别为优化增强和抑制光谱(蓝色线)以及极限脉冲光谱(红色线) 。