摘要
近红外（NIR）光检测技术具有响应迅速、无损检测、无污染检验等诸多优点，在热理疗、农副产品检测、食品药品鉴定、脑功能成像、肿瘤靶向定位和生物安全识别等领域应用广泛。随着便携式手持智能终端的普以及与人们对健康生活饮食的关注度日益增强，小型乃至微型近红外检测仪已逐渐成为新的发展趋势。然而，如何实现近红外光源的小型化微型化，在有限的空间里兼顾光源高效率和宽发射特征成为一个挑战。传统近红外光源以钨卤灯为例，存在工作温度高、发光效率低、寿命短等缺陷，而近红外发光二极管（NIR-LED）存在发射谱带窄的问题，均无法满足近红外光源的应用需求。因此，开发新型高效、稳定且宽带发射的NIR发光材料以及探索合适的封装工艺以满足便携式NIR检测的需求成为研究者们关注的焦点。 针对这一需求，本论文制备一种能实现高近红外光输出功率的荧光陶瓷。选取钆镓铝石榴石（Gd3AlxGa5-xO12,以下简称GAGG）作为基质，Cr3+作为发光中心。首先采用化学共沉淀法制备出前驱粉体，再经过煅烧、素坯成型、高温烧结获得高致密GAGG∶Cr3+近红外荧光陶瓷。通过晶体场调节与发光离子浓度优化，材料的发光效率与热稳定性均明显优于已有的报道结果。基于该陶瓷样品的近红外光源器件在电-光转换效率和光输出功率方面取得突破。具体研究内容和结果如下： （1）GAGG∶Cr3+近红外荧光陶瓷晶体场调节对发光性能的影响 根据晶体场理论设计了不同Al/Ga比例组分的GAGG∶Cr3+。在445nm蓝光激发下，发出650-900nm的宽带近红外光。当Al/Ga为2∶3时，发光效率与热稳定性综合性能最优，外量子效率最高可达65%。基于最佳组分陶瓷样品，将其和商用蓝光LED芯片初步封装成近红外荧光陶瓷转换的LED器件（NIRcpc-LED），实现了超过瓦级的近红外光输出功率。结果表明组分为Gd3Al2Ga3O12的基质可以为Cr3+提供合适的晶体场并能被有效激发实现宽带近红外光发射。 （2）GAGG∶xCr3+近红外荧光陶瓷发光效率优化及静脉成像应用探究 在基体组分确定的基础上，通过调节Cr3+掺杂浓度，进一步优化GAGG∶Cr3+近红外荧光陶瓷发光效率。当x=0.075时，最佳样品的内量子效率（IQE）接近100%，外量子效率（EQE）高达70.1%，并且其发光强度在150℃时仍能维持为室温强度的96.8%。将最佳陶瓷样品与微型蓝光LED芯片封装成器件，实现了650-900nm的宽带近红外光输出。当驱动电流为20mA时，器件的光-电转换效率高达31%。此外，在大功率LD芯片激发下，器件的发光饱和阈值可达7Wm-2，而近红外光输出功率高达1652.6mW。相关器件实现了掌静脉分辨成像，最高空间分辨率可达1mm。这些结果明显高于此前报道的Cr3+荧光转换材料，表明GAGG∶Cr3+近红外荧光陶瓷在大功率近红外光源应用中具有较强的优势。
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