地具有用于主體硼酸鹽110的晶格之中不同位置的Me和Re的不同原子。由于具有式MeReB9O16的主體硼酸鹽110的尺寸和構(gòu)造,在一種實施方案中,在遍及晶格中Me為鋇。在此使用的術(shù)語“可替換的元素”是指占據(jù)晶體結(jié)構(gòu)之中的某些位點的主體硼酸鹽110的元素,其中在發(fā)光硼酸鹽100形成過程中可將另外的元素(例如釹120和/或鐿130)替換至那些位點之中。可替換的元素的例子包括不同于釹120和鐿的稀土元素,包括釔。合適的稀土元素的例子包括但不限于鑭,鈰,銪,釓,鋱,和它們的混合。再次地,由于具有式MeReB9O16的主體硼酸鹽110的尺寸和構(gòu)造,在一種實施方案中,Re是鑭。合適的主體硼酸鹽110的具體的例子為硼酸鋇鑭(BaLaB9O16X下面的描述主要使用硼酸鋇鑭作為主體硼酸鹽110的例子,其適合與各種實施方案一起使用。將理解的是也可使用除了硼酸鋇鑭以外的其它主體硼酸鹽,例如上面列出的可選的例子以及在Me位點上具有+2價和在Re位點上具有+3價的任何此類硼酸鹽,且此類可選的實施方案被認(rèn)為是在發(fā)明主題內(nèi)容的范圍內(nèi)。
[0017]如上面所闡述的,在得到的發(fā)光硼酸鹽100中,在主體硼酸鹽110中的一種或多種可替換的元素被釹120和/或鐿130替換。例如,當(dāng)主體硼酸鹽110具有式MeReB9O16時,發(fā)光硼酸鹽100的各種實施方案包含替換至Re位點中的釹120和鐿130之一或兩者。特別地,在一種實施方案中,發(fā)光硼酸鹽100具有式MeXB9O16,其中Me,B和O與上面所闡述的相同,且X是釹120和/或鐿130以及任選地Re,其中釹、鐿和Re以多至100%的任何分?jǐn)?shù)存在于X中。如上述的主體硼酸鹽110那樣,將意識到的是上面的發(fā)光硼酸鹽100的式子代表發(fā)光硼酸鹽100的平均式,且發(fā)光硼酸鹽100潛在地具有用于發(fā)光硼酸鹽100之中不同位置的Me和Re的不同原子。
[0018]釹120和鐿130在發(fā)光硼酸鹽100中作為發(fā)射離子起作用。作為發(fā)射離子,當(dāng)接收合適的激發(fā)能量時釹120和鐿130產(chǎn)生可檢測的輻射。釹120和鐿130可通過多重機制接受用于后續(xù)福射的能量。例如,欽120能夠直接吸收激發(fā)福射,且之后欽120可福射至少一些經(jīng)吸收的能量(通常在與激發(fā)輻射不同且更長的波長下)。由此,在一種實施方案中,發(fā)光硼酸鹽100包含100%的釹120替換,正如達(dá)到大多數(shù)市售的鑒別設(shè)備例如能量色散X射線光譜法設(shè)備的檢測限所測量的。包含主體硼酸鹽110和釹120 (但沒有鐿130)的發(fā)光硼酸鹽100的實施方案在此稱作“Nd:硼酸鹽晶體”。
[0019]鐿130也可被直接激發(fā),然而鐿吸收譜帶非常接近于發(fā)射譜帶(例如吸收譜帶起始于約910 nm)o由此,在另一種實施方案中,發(fā)光硼酸鹽100包含100%的鐿130替換,正如達(dá)到大多數(shù)市售的鑒別設(shè)備例如能量色散X射線光譜法設(shè)備的檢測限所測量的。包含主體硼酸鹽110和鐿130 (但沒有釹120)的發(fā)光硼酸鹽100的實施方案在此稱作“Yb:硼酸鹽”。在另一種實施方案中,正如上面所提到的,發(fā)光硼酸鹽100包含釹120和鐿130兩者的替換。包含主體硼酸鹽110,釹120,和鐿130的發(fā)光硼酸鹽100的實施方案在此稱作“Nd:Yb:硼酸鹽晶體”。
[0020]如在此使用的,“合適的激發(fā)能量”指具有對應(yīng)于發(fā)光硼酸鹽100的吸收離子的吸收譜帶的波長范圍的激發(fā)能量。當(dāng)將合適的激發(fā)能量引導(dǎo)至上面列出的任何的實施方案中的發(fā)光硼酸鹽100時,激發(fā)能量被發(fā)光硼酸鹽100中的吸收離子吸收,且在發(fā)光硼酸鹽100之中的發(fā)射離子(即釹120和/或鐿130)可產(chǎn)生可檢測的發(fā)射。例如,在包含釹120的實施方案(例如Nd:硼酸鹽晶體或Nd:Yb:硼酸鹽晶體)中,釹120可作為吸收離子起作用,其可直接吸收合適的激發(fā)能量(例如在釹120吸收譜帶中的激發(fā)能量)。在也包含鐿130的實施方案(例如Nd:Yb:硼酸鹽)中,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)釹120有效率地將能量轉(zhuǎn)移至鐿130,且鐿130可在一個或多個鐿發(fā)射譜帶產(chǎn)生可檢測的發(fā)射。因此,釹120作為吸收離子起作用,且鐿130作為發(fā)射離子起作用。釹120也可作為發(fā)射離子起作用,其在一個或多個釹發(fā)射譜帶產(chǎn)生可檢測的發(fā)射。如在此使用的,“發(fā)射譜帶”在此定義為表示電磁光譜的波長的連續(xù)范圍,在其之中由發(fā)光材料的一種或多種發(fā)射離子發(fā)生集中的、不可忽略的(即可檢測的)發(fā)射。對于任何特定的發(fā)射離子,由較低波長(低于該波長該離子的發(fā)射是可忽略的)和較高波長(高于該波長該離子的發(fā)射是可忽略的)來對“發(fā)射譜帶”進行劃界。
[0021]發(fā)光硼酸鹽100的示例性的實施方案包含具有一種或多種可替換的元素(例如當(dāng)主體硼酸鹽110具有式MeReB9O16時為Re)的主體硼酸鹽110,所述可替換的元素被釹120以至少20%的第一替換百分比所替換,和/或所述一種或多種可替換的元素被鐿130以第二替換百分比所替換。被替換至主體硼酸鹽110中的釹120和/或鐿130的量在此按照原子百分比進行描述。第二替換百分比可等于或不同于第一替換百分比。例如,在一種實施方案中,一種或多種可替換的元素被釹120以約50%-約95%的替換百分比所替換,且一種或多種可替換的元素被鐿130以約50%-約5%的替換百分比所替換。在另一種示例性的實施方案中,第一替換百分比為約85%-約95%,且第二替換百分比為約15%-約5%。
[0022]可將主體硼酸鹽110稱作化學(xué)計量的硼酸鹽,其表示可將一種或多種發(fā)射離子(例如釹120和/或鐿130)替換至晶格中,對一種或多種可替換的元素(例如在式MeReB9O16中的Re,且Re為稀土元素例如鑭)進行100%的替換,得到的發(fā)光硼酸鹽100仍擁有有用的發(fā)光性質(zhì)。根據(jù)一種實施方案,在主體硼酸鹽110中可被釹120和/或鐿130替代的一種或多種可替換的元素的原子的數(shù)量等于100%。換句話說,釹120和鐿130對一種或多種可替換的元素Re的總的、合并的替換百分比可多至100%,然而其也可小于100%?!?00%替換”的意思為實現(xiàn)了釹120和/或鐿對一種或多種可替換的元素的完全替換,正如達(dá)到大多數(shù)市售的鑒別設(shè)備例如能量色散X射線光譜法設(shè)備的檢測限所測量的,其中痕量的一種或多種可替換的元素可能在低于設(shè)備的檢測限下存在。在其他實施方案中,至少一些的一種或多種可替換的元素可與釹120和/或鐿130 —起仍然存在于發(fā)光硼酸鹽100中,且一種或多種可替換的元素可以能夠被大多數(shù)市售鑒別設(shè)備例如能量色散X射線光譜法設(shè)備檢測的量存在。在主體硼酸鹽110中允許用釹120或鐿130原子替代的一種或多種可替換的元素的每個原子與其將被替代為的離子具有相似的尺寸,相似的裝載,和相似的配位優(yōu)先性。在形成發(fā)光硼酸鹽100的過程中,在主體硼酸鹽110中的各個位置的原子將被計作100原子%。盡管許多發(fā)射離子在遠(yuǎn)低于100%替換水平下濃度猝滅,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在一些實施方案中,可將釹120在多至100%的替換百分比下替換至主體硼酸鹽110中,而不會大量的濃度猝滅。據(jù)信由于在主體硼酸鹽I1中的釹120和/或鐿130的物理間隔足夠遠(yuǎn)離,使得交互作用(interact1n term)被顯著降低,因此高釹120替換水平是可能的。
[0023]在發(fā)光硼酸鹽100的各種實施方案中,如圖2B所顯示的,鐿130產(chǎn)生以約985納米(nm)和約1050 nm為中心的相對強的發(fā)射,且在985 nm譜帶的發(fā)射通常具有更高的強度。此外,在一些實施方案中,釹120產(chǎn)生以約880 nm和1065 nm為中心的相對強的發(fā)射,且在1065 nm的譜帶通常具有更高的強度。在圖2B中顯示的發(fā)射光譜中,來自875-910的譜帶可歸因于釹發(fā)射,來自960-1040 nm的譜帶可歸因于鐿發(fā)射,在1060 nm處的相對小的峰可歸因于Yb且在1065 nm處的相對較大的峰可歸因于釹。在圖2B的發(fā)射光譜中,對釹的相對量的減少和對鐿的相對量的相匹配的增加導(dǎo)致較少的釹發(fā)射,這是因為釹和鐿之間的能量轉(zhuǎn)移更加完全。
[0024]圖2A為根據(jù)一種示例性的實施方案來描述作為激發(fā)波長(以nm計)的函數(shù)的釹的相對吸收(以任意單位計,AU)的圖表200。更為具體地,如圖2A所示,顯示了在一種實施方案中的相對吸收,該實施方案包括硼酸鋇鑭,鑭的80%被釹替換,且鑭的20%被鐿替換(因此鑭被完全替換)。
[0025]如上所述,發(fā)光硼酸鹽100的實施方案具有使它們特別良好地適合于各種唯一性應(yīng)用的材料性質(zhì)。特別地,由于在主體硼酸鹽110中的9個硼原子的高硼含