產品特點：

• 波長范圍覆蓋800 - 2500nm 的近紅外波段

• 智能電路控制和風冷散熱確保光源穩定輸出

• 輸出光可通過旋鈕進行0-100的強度調節

• 直接出光，也可由SMA905端口連接光纖耦合輸出

• 設有安插濾波片/衰減片的支架

產品應用：

• 光譜分析、吸收光譜測量

• 透射/反射率測量

• 顏色測量

產品技術參數：

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寬帶近紅外(NIR)光源在現代農業、疾病診斷和治療、定量成分檢測、夜視補光與成像等領域具有廣闊的應用前景。然而，目前商業化的寬帶近紅外光源普遍存在輸出功率低、器件結構復雜等問題，難以匹配新興的高技術領域。作為近年來的研究熱點之一，基于藍光LED芯片和近紅外熒光粉制作的熒光轉換型發光二極管(pc-LED)，表現出可調諧的寬帶NIR發射和接近0.5 W的輸出功率，但這種光源所用到的LED芯片和有機樹脂分別受制于“效率下降”和導熱性差(~ 0.5 W·m-1·K-1)，導致光源器件的輸出功率難以得到進一步提升。

激光二極管(LD)驅動近紅外熒光透明陶瓷的出現，助力了新一代激光熒光光源器件結構的產生與應用，并為突破上述困境提供了新的思路。但是，新型高效近紅外熒光陶瓷的發展卻受到了非輻射弛豫的嚴重阻礙，這一現象為“能隙律”， 與此同時，寬帶近紅外發射起源于大的斯托克斯位移和強電子-聲子耦合，這種本征的巨大能量消耗使得材料具有較低的發光效率和較差的熱穩定性，導致傳統的陶瓷熒光粉在受到密集激光激發時出現嚴重的光飽和和熱飽和現象，從而限制輸出功率的提升。因此，如何提高激光驅動的發光飽和閾值和光轉換效率、如何克服“能隙律”來獲得高效且熱穩定的長波寬帶近紅外發射(>800 nm)，是制約高性能近紅外發光材料研發的瓶頸。

最近，華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室夏志國教授課題組研制了一種組成極為簡單的MgO:Cr3+近紅外熒光透明陶瓷，獲得發射峰值位于810 nm、外量子效率(EQE)高達81%的寬帶近紅外發光。Cr3+離子在Mg2+位點的異價取代使得結構中存在豐富的鎂空位(VMg′′)和具有不同局域環境的Cr3+發光中心。隨著溫度的升高，多個Cr3+發光中心之間存在顯著的聲子輔助激發態能量傳遞(ET)過程，能量由短波長(724 nm)向長波長(810 nm)發光中心轉移，所以在一定程度上彌補了“能隙律”中長波發射非輻射弛豫嚴重的缺點，使得MgO:0.2% Cr3+在460 nm激發下獲得了87.5%@423K的優異熱穩定性。得益于其52 W·m-1·K-1的超高導熱率，研究者在22 W/mm2藍色激光泵浦下獲得了超過6 W的寬帶NIR輸出功率，光轉換效率達到了29%。這一強烈的近紅外光可以輕易穿透10 cm的人體肌肉組織和3 mm厚的硬紙板，并分別觀察到組織中的血管分布情況和紙板背后的剪刀輪廓，成像分辨率為6 lp/mm。

研究亮點

1.放電等離子體制備高性能近紅外熒光透明陶瓷

MgO:Cr3+粉末在經過冷等靜壓成型與1750oC高溫放電等離子燒結(SPS)后，得到具有較高致密度的半透明陶瓷(圖1a-b)。在460 nm藍光激發下，測得MgO:0.2%Cr3+陶瓷的EQE高達81%、熱導率高達52 W·m-1·K-1.性能顯著高于目前已報導的近紅外發光材料(圖1c-d)。較高的EQE說明制備的陶瓷材料具有良好的光轉化效率，而良好的熱導率則有助于熱量擴散、減少熱積累，表明MgO:Cr3+透明陶瓷在大功率近紅外光源應用中具有潛力。

圖1 a-d MgO:Cr3+陶瓷照片(厚度0.5 mm)、透過率、外量子效率及熱導率測試結果

2.借助異價摻雜引入陽離子空位調控發光中心局域結構

傳統的無機近紅外發光材料大都基于離子的等價摻雜以減少猝滅缺陷的產生，卻忽略了離子空位對局域結構的影響。本文研究發現在這種Mg2+↔Cr3+異價取代體系中，Cr3+摻雜量對陶瓷樣品的發射光譜具有較大影響：在低摻雜濃度下，樣品表現出700 nm左右的銳線發射;隨著摻雜濃度逐漸提高，810 nm處發射峰逐漸增強使得樣品表現出寬帶發射(圖2b)。這主要是因為異價取代使得結構中存在大量Mg空位(VMg′′)，且空位的存在形式隨著Cr3+摻雜量提高會由<100>向<110>方向轉變，這不僅能進一步降低Cr3+發光中心的對稱性，還會影響其晶體場并最終導致寬帶近紅外發射。圖2c中的銳線發射可以被擬合為4個不同的高斯峰，說明材料中存在著不同的發光中心和激發態能級;而706-756 nm聲子邊帶的出現，說明晶格聲子也參與到了輻射發光過程。

圖2 a MgO:0.2%Cr3+陶瓷的室溫熒光光譜;b MgO:x%Cr3+陶瓷的發射光譜;c MgO:0.2%Cr3+陶瓷在460 nm激發和77 K低溫下的發射光譜

3.密度泛函理論計算發光中心形成能和電荷分布揭示其發光機理

研究者借助密度泛函理論(DFT)計算分析了其發光機理。在考慮局域電荷平衡的情況下，2個CrMg•發光中心可以圍繞1個VMg′′形成如圖3a所示的6種不同的二聚體。計算發現模型1不僅具有最大的結構畸變和最低的形成能，二者之間還存在很好的對應關系：結構畸變越大、形成能越低。這主要是因為Mg2+↔Cr3+異價取代使得帶有過量正電荷的CrMg•打破了原有的電荷平衡，并吸引著周圍的電子向其靠近，使得局域電子云發生嚴重重排(圖3d)并導致結構產生畸變。畸變程度越大，說明電子云重排現象越嚴重，整個晶格對CrMg•的容忍性越好、形成能更低。

圖3 a-c 6種不同的CrMg•-VMg′′-CrMg•二聚體模型及其形成能;d 模型1中局域電荷的分布情況

4.聲子輔助激發態能量傳遞實現高熱穩定性近紅外發光

研究者還觀察到隨著溫度由77 K升到425 K，724 nm處的發射強度和熒光壽命逐漸減小，而810 nm處的發射強度和熒光壽命呈現出先增后減的趨勢(圖4a-c)，最終導致陶瓷樣品具有較好的熒光熱穩定性87.5%@425K。考慮到結構中存在著多種Cr3+發光中心和激發態能級，以及Cr3+與基質晶格強烈的相互作用和聲子邊帶的出現，研究者提出了聲子輔助的激發態能量傳遞機制(圖4d)。部分激發態能量由2E能級轉向4T2能級，使得810 nm處發射峰隨溫度升高略有增強。研究者還發現聲子的參與增大了Cr3+激發態電子與基質晶格的耦合作用，使得發射峰發生了顯著寬化，所以總得積分強度仍然保持很好的熱穩定性(圖4e)。圖4f給出的電子順磁共振(EPR)光譜表明微量Cr3+摻雜的樣品具有幾個強度相近的信號峰。隨著Cr3+含量的增加，正交對稱的Cr3+數量增加并與能量傳遞過程共同導致PL帶寬從78 nm增加到96 nm。此外，這一能量擾動還使得具有最高激發態能量和立方對稱的Cr3+(g = 1.98)可以被檢測到，而來自不同二聚體的其他信號同時消失。

圖4 a-b MgO:0.2%Cr3+陶瓷的溫度依賴PL光譜和歸一化PL強度;c分別在724 nm和810 nm處監測得到的溫度依賴的平均壽命;d MgO:Cr3+中Cr3+離子的位形坐標圖;e活化能Ea和黃-里斯因子S作為溫度函數的擬合結果。f MgO:x%Cr3+陶瓷的EPR譜(x= 0.00001-0.005)。

5.22 W/mm2藍色激光泵浦下獲得超6 W寬帶近紅外光源

MgO:0.2%Cr3+陶瓷高達81%的EQE和52 W·m-1·K-1的熱導率表明其在大功率近紅外光源方面具有良好的應用潛力。研究者測試發現厚度為1.5 mm、摻雜量為0.2%的陶瓷具有最高的發光強度，其在450 nm激光激發下的飽和功率密度達到了22 W/mm2.此時的近紅外輸出功率為6.36 W，轉換效率為29%，并表現出良好的空間分布均勻性。上述性能指標是目前已經報導同類材料的最高紀錄。

圖5 a 450 nm藍光輸入功率密度依賴的MgO:0.2%Cr3+陶瓷PL光譜;b 不同厚度的MgO:0.2%Cr3+陶瓷NIR輸出功率對比,;c-d MgO:x%Cr3+陶瓷的近紅外輸出功率及功率轉換效率，插圖展示了MgO:0.2%Cr3+陶瓷在22 W/mm2藍色激光照射下的隨時間變化的PL強度;e MgO:0.2%Cr3+陶瓷與已報導材料的NIR輸出功率及功率轉換效率對比圖;f MgO:0.2%Cr3+陶瓷在藍色激光激發下的空間近紅外光分布。

6.大功率近紅外光源的無損檢測成像應用展示

研究者最后利用MgO:0.2%Cr3+陶瓷，結合商業化藍光LD芯片封裝制作了大功率近紅外光源，拍攝得到了45 m外的“SCUT”圖案和木架的夜視照片。研究還給出了其成像分辨率為6 lp/mm，并利用該近紅外光穿透10 cm的上臂和3 mm厚的硬紙板，分別得到了血管分布和剪刀的輪廓(圖6g-h)。大功率的近紅外光源能夠幫助實現更深層次和更加細微的組織觀察，未來有希望在生物醫學成像領域獲得應用。

圖6  a-b封裝的NIR光源的器件實際結構和示意圖片;c-f分別在藍色激光照射下在附近和45 m距離處拍攝的光源、“SCUT”圖案和木架的夜視照片;g厚度為0.5 mm的MgO:0.2%Cr3+陶瓷成像檢測分辨率。h-i分別在穿透上臂和紙板后用近紅外光拍攝的血管和剪刀的圖像。