DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202503741
تاريخ النشر: 2026-01-12
المؤلف: Khaldoon Nasser وآخرون
الموضوع الرئيسي: خصائص اللمعان للمواد المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث تطوير ألياف مركبة جديدة تصدر ضوءًا أبيض باستخدام الفوسفور YAG:Ce³⁺ المدفون في مصفوفة زجاجية فوسفاتية مصممة خصيصًا. تم تصميم هذه المصفوفة لتعزيز الاستقرار الحراري أثناء سحب الألياف مع ضمان توافق معامل الانكسار مع الفوسفورات (1.83) للحفاظ على الشفافية. تشير التحليلات الشاملة إلى حدوث تفاعلات سطحية كبيرة بين الزجاج وجزيئات الفوسفور أثناء التحضير، بما في ذلك تغييرات الطور وانتشار العناصر؛ ومع ذلك، تحتفظ فوسفورات YAG:Ce³⁺ بخصائص انبعاث الضوء الأبيض طوال عمليات التصنيع.
تظهر عملية سحب ألياف ذات معامل انكسار واحد من شكل مركب يحتوي على 1 wt.% من فوسفور YAG:Ce³⁺ جدوى هذا النهج. تشبه طيف الانبعاثات للمركب بشكل وثيق تلك الخاصة ببلورات الفوسفور الأصلية، مما يؤكد سلامتها بعد المعالجة. يكون انتشار الضوء فعالًا على مسافات تصل إلى 4 سم، مع انبعاث الألياف للضوء المرئي (500-750 نانومتر) عند تحفيزها بواسطة LED زرقاء. على الرغم من أن كفاءة الانبعاث محدودة، فإن هذا العمل يثبت مفهومًا أساسيًا لدمج فوسفورات YAG:Ce³⁺ المتلألئة في الألياف الضوئية لتطبيقات محتملة في تقنيات الإضاءة من الجيل التالي.
مقدمة
تناقش المقدمة التقدم في الألياف التي تصدر ضوءًا أبيض (WLEFs) كحل واعد لمجموعة متنوعة من التطبيقات، بما في ذلك التنظير الطبي وتقنيات الاتصال. توفر WLEFs توصيلًا مرنًا ومحليًا للضوء مع سطوع عالٍ واستمرارية طيفية، مما يلبي الطلب المتزايد على مصادر الضوء المدمجة والفعالة. يتم تسليط الضوء على الألياف المدعومة بالمعادن النادرة (RE) لسطوعها العالي وجودة شعاعها، على الرغم من أن لديها عادة نطاقات انبعاث محدودة. يستكشف الباحثون طرقًا مختلفة لتعزيز التغطية الطيفية، بما في ذلك ليزر الألياف الفائقة الاستمرارية ودمج النقاط الكمومية (QDs) في هياكل الألياف، على الرغم من أن التحديات مثل الاستقرار والحساسية للرطوبة لا تزال قائمة.
يتم التركيز بشكل كبير على الفوسفورات المدعومة بالسيليكون YAG:Ce³⁺، التي تحول بكفاءة الضوء الأزرق أو فوق البنفسجي إلى انبعاثات واسعة الطيف وتظهر كفاءة كمومية عالية. بينما تظهر فوسفورات YAG:Ce³⁺ وعدًا في توليد ضوء أبيض عالي الجودة، تواجه دمجها في أنظمة الألياف تحديات تتعلق بالاستقرار الحراري والمتانة الميكانيكية. يحدد البحث نهجًا جديدًا باستخدام طرق التلبيد لدمج فوسفورات YAG:Ce³⁺ في مصفوفات زجاجية فوسفاتية، مما يوفر استقرارًا حراريًا وكيميائيًا محسّنًا. يهدف المؤلفون إلى تحسين تركيبة الزجاج لتحقيق الاستقرار الحراري وتوافق معامل الانكسار، مما يثبت في النهاية نجاح انتشار الضوء وانبعاث الضوء الأبيض في الألياف المركبة المصنعة.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون طرق التحضير للزجاج الفوسفاتية والمركبات والألياف. تم تصنيع الزجاج باستخدام عملية ذوبان تقليدية مع التركيبة \((75-x/2)\text{NaPO}_3-(25-x/2)\text{CaO}-x\text{Nb}_2\text{O}_5\) (بالنسبة المئوية)، حيث تراوحت \(x\) بين 10 و 20 و 25 mol% (المعينة كـ Nb10 و Nb20 و Nb25). تم خلط المواد الخام، بما في ذلك فوسفات الصوديوم وكربونات الكالسيوم وأكسيد النيوبيوم، وذوبانها عند 1250 درجة مئوية لمدة 75 دقيقة. بعد الذوبان، تم معالجة الزجاج حراريًا لتخفيف الضغوط الميكانيكية، على الرغم من ظهور مشاكل الاستقرار مع تركيزات النيوبيوم التي تتجاوز 25 mol%.
تم إنشاء كتل مركبة عن طريق دمج 1 و 2.5 wt.% من بلورات YAG:Ce\(^3+\) التجارية في تركيبة زجاجية محددة (65.5NaPO\(_3\)-12.5CaO-25Nb\(_2\)O\(_5\)). تم تبريد الخليط بسرعة بعد التحريك اليدوي. تم أيضًا إنتاج شكل مركب عن طريق إضافة 1 wt.% من بلورات YAG:Ce\(^3+\) إلى الزجاج المنصهر Nb25، والذي تم صبه بعد ذلك في قالب جرافيتي مُسخن مسبقًا. بعد المعالجة الحرارية، تم تلميع المركب وسحبه إلى ألياف ذات معامل انكسار واحد بقطر 400 ميكرومتر عند 775 درجة مئوية تحت جو الهيليوم. من الجدير بالذكر أنه لم يتم تطبيق أي طلاء بوليمري لتسهيل فحص الألياف في شكل مسحوق تحت الإضاءة الخارجية. تم توفير مخطط لعملية التصنيع في المعلومات الداعمة.
نتائج
تسلط نتائج هذه الدراسة الضوء على أهمية اختيار مصفوفة زجاجية مناسبة لفوسفورات YAG:Ce³⁺ لتحقيق خصائص بصرية مثالية، مع التركيز بشكل خاص على توافق معامل الانكسار والاستقرار الحراري. يظهر نظام الزجاج الفوسفاتية 75NaPO₃-25CaO استقرارًا حراريًا جيدًا (ΔT > 100 درجة مئوية) ولكنه يمتلك معامل انكسار أقل بكثير (≈1.5) مقارنة بفوسفور YAG (1.83). لمعالجة ذلك، تم دمج أكاسيد ذات قطبية عالية مثل Nb₂O₅ في مصفوفة الزجاج، مما أدى إلى تركيبات مثل (75-x/2)NaPO₃-(25-x/2)CaO-xNb₂O₅، حيث تتغير x (10، 20، 25 mol%). زادت إضافة Nb₂O₅ من معامل الانكسار ونقلت حافة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية إلى أطوال موجية أطول، مما يؤكد التغيرات الهيكلية من خلال تحليلات XRD وRaman وFTIR.
استكشفت الدراسة أيضًا تصنيع المركبات عن طريق دمج بلورات YAG:Ce³⁺ في مصفوفة الزجاج Nb25. أظهرت المركبات انخفاضًا كبيرًا في النفاذية (≈70%) بسبب عدم توافق معامل الانكسار وتجمع البلورات. على الرغم من ذلك، ظلت خصائص الانبعاث للمركبات إلى حد كبير دون تغيير، مما يشير إلى أن بلورات YAG:Ce³⁺ نجت من عملية الدمج. تم تحقيق سحب المركب إلى ألياف ذات معامل انكسار واحد، مع الحفاظ على انتشار الضوء على مسافات عدة سنتيمترات، على الرغم من خسائر التوهين الملحوظة (3-5 ديسيبل سم⁻¹ عند 600 نانومتر) المنسوبة إلى التشتت والعيوب. بشكل عام، تشير النتائج إلى أن الألياف المركبة المطورة يمكن أن تولد الضوء الأبيض بشكل فعال مع السماح بانتشار الضوء، مما يظهر إمكانياتها للتطبيقات البصرية.
مناقشة
في هذه الدراسة، قام المؤلفون بتوصيف مادة مركبة جديدة مصممة لعلم البصريات، تتضمن فوسفورات YAG:Ce³⁺ في مصفوفة زجاجية. تم قياس كثافة الزجاج باستخدام طريقة أرخميدس، محققة دقة ±0.02 جرام سم⁻³، بينما تم تحديد معامل الانكسار من خلال اقتران المنشور عند ستة أطوال موجية، بدقة ±0.001. تم استخدام تقنيات طيفية متنوعة، بما في ذلك مطيافية UV-vis-NIR، FTIR، حيود الأشعة السينية، ومطيافية الميكرو-رامان، لتحليل الخصائص البصرية والخصائص الهيكلية للمركبات. تم حساب فقدان الضوء في الألياف باستخدام معادلة لوغاريتمية محددة، مما يشير إلى كفاءة نقل الضوء.
أظهرت النتائج أنه يمكن سحب ألياف مركبة شفافة بنجاح من شكل يحتوي على 1 wt.% من فوسفور YAG:Ce³⁺، مع تصميم معامل الانكسار ليتوافق مع ذلك الخاص بالفوسفور. كانت طيف الانبعاث من كل من الكتلة المركبة والألياف تشبه بشكل وثيق تلك الخاصة ببلورات YAG:Ce³⁺ الأصلية، مما يؤكد استقرار الفوسفورات أثناء المعالجة. من الجدير بالذكر أن الألياف حافظت على انتشار الضوء على مسافات تصل إلى 4 سم وأظهرت انبعاثًا مرئيًا (500-750 نانومتر) عند تحفيزها بواسطة LED زرقاء. على الرغم من أن كفاءة الانبعاث كانت محدودة، فإن هذا العمل يثبت مفهومًا أساسيًا لدمج الفوسفورات المتلألئة في الألياف الضوئية لتطبيقات محتملة في توليد الضوء الأبيض.
DOI: https://doi.org/10.1002/adom.202503741
Publication Date: 2026-01-12
Author(s): Khaldoon Nasser et al.
Primary Topic: Luminescence Properties of Advanced Materials
Overview
The research presents the development of a novel white light-emitting composite fiber utilizing YAG:Ce³⁺ phosphors embedded in a specially engineered phosphate glass matrix. This matrix is designed to enhance thermal stability for fiber drawing while ensuring a refractive index match with the phosphors (1.83) to maintain transparency. Comprehensive analyses indicate that significant interfacial reactions occur between the glass and phosphor particles during preparation, including phase changes and elemental diffusion; however, the YAG:Ce³⁺ phosphors retain their white light emission properties throughout the fabrication processes.
The successful drawing of a single-index fiber from a composite preform containing 1 wt.% YAG:Ce³⁺ phosphor demonstrates the feasibility of this approach. Emission spectra of the composite closely resemble those of the original phosphor crystals, confirming their integrity post-processing. Light propagation is effective over distances up to 4 cm, with the fiber emitting visible light (500-750 nm) upon blue LED excitation. Although the emission efficiency is limited, this work establishes a proof of concept for integrating luminescent YAG:Ce³⁺ phosphors into optical fibers for potential applications in next-generation lighting technologies.
Introduction
The introduction discusses the advancements in white light-emitting fibers (WLEFs) as a promising solution for various applications, including medical endoscopy and communication technologies. WLEFs provide flexible and localized light delivery with high brightness and spectral continuity, addressing the growing demand for compact and efficient light sources. Rare-earth (RE) doped fibers are highlighted for their high brightness and beam quality, although they typically have limited emission bandwidths. Researchers are exploring various methods to enhance spectral coverage, including supercontinuum fiber lasers and the integration of quantum dots (QDs) into fiber structures, though challenges such as stability and moisture sensitivity remain.
A significant focus is placed on cerium-doped yttrium aluminum garnet (YAG:Ce³⁺) phosphors, which efficiently convert blue or UV light into broad-spectrum emissions and exhibit high quantum efficiency. While YAG:Ce³⁺ phosphors show promise for high-quality white light generation, their integration into fiber systems faces challenges related to thermal stability and mechanical robustness. The paper outlines a novel approach using sintering methods to embed YAG:Ce³⁺ phosphors in phosphate glass matrices, which offers improved thermal and chemical stability. The authors aim to optimize the glass composition for thermal stability and refractive index compatibility, ultimately demonstrating successful light propagation and white light emission in the fabricated composite fiber.
Methods
In this section, the authors detail the preparation methods for phosphate glasses, composites, and fibers. The glasses were synthesized using a conventional melting process with the composition \((75-x/2)\text{NaPO}_3-(25-x/2)\text{CaO}-x\text{Nb}_2\text{O}_5\) (in mol%), where \(x\) varied at 10, 20, and 25 mol% (designated as Nb10, Nb20, and Nb25). The raw materials, including sodium phosphate, calcium carbonate, and niobium pentoxide, were mixed and melted at 1250 °C for 75 minutes. Post-melting, the glass was annealed to relieve mechanical stresses, although stability issues arose with niobium concentrations exceeding 25 mol%.
Composite bulks were created by incorporating 1 and 2.5 wt.% of commercial YAG:Ce\(^3+\) crystals into a specific glass composition (65.5NaPO\(_3\)-12.5CaO-25Nb\(_2\)O\(_5\)). The mixture was rapidly quenched after manual stirring. A composite preform was also produced by adding 1 wt.% of YAG:Ce\(^3+\) crystals into the molten Nb25 glass, which was then cast in a preheated graphite mold. Following annealing, the composite was polished and drawn into a single-index fiber with a diameter of 400 μm at 775 °C under a helium atmosphere. Notably, no polymer coating was applied to facilitate the examination of the fiber in powder form under external illumination. A schematic of the fabrication process is provided in the supporting information.
Results
The results of this study highlight the importance of selecting an appropriate glass matrix for YAG:Ce³⁺ phosphors to achieve optimal optical properties, particularly focusing on refractive index matching and thermal stability. The phosphate glass system 75NaPO₃-25CaO exhibits good thermal stability (ΔT > 100 °C) but has a significantly lower refractive index (≈1.5) compared to YAG phosphor (1.83). To address this, high-polarizability oxides like Nb₂O₅ were incorporated into the glass matrix, resulting in compositions such as (75-x/2)NaPO₃-(25-x/2)CaO-xNb₂O₅, where x varies (10, 20, 25 mol%). The addition of Nb₂O₅ increased the refractive index and shifted the UV absorption edge to longer wavelengths, confirming the structural changes through XRD, Raman, and FTIR analyses.
The study also explored the fabrication of composites by embedding YAG:Ce³⁺ crystals into the Nb25 glass matrix. The composites demonstrated a significant decrease in transmittance (≈70%) due to refractive index mismatches and crystal clustering. Despite this, the emission properties of the composites remained largely unchanged, indicating that the YAG:Ce³⁺ crystals survived the embedding process. The successful drawing of the composite into a single-index fiber, maintaining light propagation over several centimeters, was achieved, although with notable attenuation losses (3-5 dB cm⁻¹ at 600 nm) attributed to scattering and imperfections. Overall, the findings suggest that the developed composite fibers can effectively generate white light while allowing for light propagation, showcasing their potential for optical applications.
Discussion
In this study, the authors characterized a new composite material designed for fiber optics, incorporating YAG:Ce³⁺ phosphors into a glass matrix. The density of the glasses was measured using Archimedes’ method, achieving an accuracy of ±0.02 g cm⁻³, while the refractive index was determined via prism coupling at six wavelengths, with an accuracy of ±0.001. Various spectroscopic techniques, including UV-vis-NIR spectrophotometry, FTIR, X-ray diffraction, and micro-Raman spectroscopy, were employed to analyze the optical properties and structural characteristics of the composites. The optical loss in the fibers was calculated using a specific logarithmic equation, indicating the efficiency of light transmission.
The results demonstrated that a transparent composite fiber could be successfully drawn from a preform containing 1 wt.% YAG:Ce³⁺ phosphor, with the refractive index engineered to match that of the phosphor. Emission spectra from both the composite bulk and fiber closely resembled those of the original YAG:Ce³⁺ crystals, confirming the stability of the phosphors during processing. Notably, the fiber maintained light propagation over distances of up to 4 cm and exhibited visible emission (500-750 nm) when excited by a blue LED. Although the emission efficiency was limited, this work establishes a foundational proof of concept for integrating luminescent phosphors into optical fibers for potential white light generation applications.