JP3529162B2 - Infrared visible wavelength up-conversion material - Google Patents

Infrared visible wavelength up-conversion material

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JP3529162B2
JP3529162B2 JP15861894A JP15861894A JP3529162B2 JP 3529162 B2 JP3529162 B2 JP 3529162B2 JP 15861894 A JP15861894 A JP 15861894A JP 15861894 A JP15861894 A JP 15861894A JP 3529162 B2 JP3529162 B2 JP 3529162B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、赤外光の照射により可
視域のスペクトル成分を含む再放射光を呈する赤外可視
波長上方変換材料に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared-visible wavelength up-conversion material which emits re-radiated light containing a spectral component in the visible region when irradiated with infrared light.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、赤外光を検出する素子に対する需
要が高まってきている。用途としては、レーザ、LD、
LED等の発光素子のビーム位置検出やモード形状等の
パターン識別、さらには光ファイバーケーブルの破断点
の探索等である。このような用途に適用可能なシステム
としては、半導体ホト・ダイオードを用いた光パワーメ
ータ等の純電気的なシステムと、ビジコン、イメージイ
ンテンシファイア、赤外励起蛍光体等を用いた視覚的に
検出可能なシステムとに大別することができる。ところ
が、純電気的なシステムは高感度ではあるが、視覚的に
検出できないという問題点があり、このシステムによる
ビジコン、イメージインテンシファイアは感度的にも不
十分であり、また価格が高いという欠点がある。そのた
め、視覚的に検出可能で比較的変換効率や感度が高く、
しかも安価な赤外励起蛍光体等の赤外可視波長上方変換
材料を用いたシステムが有望視されている。
2. Description of the Related Art In recent years, the demand for an element for detecting infrared light has been increasing. Applications include lasers, LDs,
For example, the beam position of a light emitting element such as an LED is detected, patterns such as mode shapes are identified, and further, the breakage point of an optical fiber cable is searched. As a system applicable to such an application, a pure electric system such as an optical power meter using a semiconductor photo diode and a visual system using a vidicon, an image intensifier, an infrared excitation phosphor, etc. It can be roughly divided into a detectable system. However, the pure electric system has a high sensitivity, but it has a problem that it cannot be detected visually, and the vidicon and the image intensifier by this system are insufficient in sensitivity, and they are expensive. There is. Therefore, it can be detected visually and has relatively high conversion efficiency and sensitivity,
In addition, a system using an infrared-visible wavelength up-conversion material such as an inexpensive infrared-excited phosphor is promising.

【0003】蛍光体は適当な励起源により励起される。
励起された蛍光体から再放射される光には、その蛍光体
の種類によって種々の分光分布を持たせることができ
る。したがって、蛍光体は適当な励起源と組み合わせる
ことによって、色々な応用分野に適用されうる。このよ
うな蛍光体の中でも赤外励起蛍光体と呼ばれる材料は、
赤外光を可視光に波長上方変換する蛍光体として知られ
ている。このように、赤外光を光子エネルギーの格段に
大きな可視光に、反ストークス的に波長変換するために
は、材料の特性と励起波長との関係を巧みに選択する必
要がある。従来の赤外可視波長上方変換材料を用いた赤
外光検出素子としてはQUANTEX社のIRセンサカ
ードがよく知られている。このIRセンサカードはこれ
に赤外光が照射されると蛍光体の材料によってたとえば
赤色、青緑色等に発光する。これらのセンサでは赤外光
照射の前に(室内光でも可能であるが)予備励起する必
要があり、この予備励起のプロセスを経て初めて赤外光
励起が可能になる。ところが、この赤外光検出素子に赤
外光を連続して照射すると、可逆的ではあるが変換効率
が経時的に変化し、可視光発光強度が徐々に低下すると
いう問題を生じる。
The phosphor is excited by a suitable excitation source.
The light re-emitted from the excited phosphor can have various spectral distributions depending on the type of the phosphor. Therefore, the phosphor can be applied to various fields of application by combining with a suitable excitation source. Among such phosphors, the material called infrared excitation phosphor is
It is known as a phosphor that up-converts the wavelength of infrared light into visible light. As described above, in order to perform anti-Stokes wavelength conversion of infrared light into visible light having a significantly large photon energy, it is necessary to skillfully select the relationship between the material characteristics and the excitation wavelength. As an infrared light detecting element using a conventional infrared visible wavelength up-conversion material, an IR sensor card manufactured by QUANTEX is well known. When this IR sensor card is irradiated with infrared light, the IR sensor card emits light, for example, red or blue-green, depending on the material of the phosphor. These sensors need to be pre-excited (though it can be indoor light) before irradiation with infrared light, and infrared light excitation can be performed only after this pre-excitation process. However, when the infrared light detection element is continuously irradiated with infrared light, there is a problem that the conversion efficiency changes reversibly with time, and the visible light emission intensity gradually decreases.

【0004】一方、予備励起を必要としない赤外可視波
長上方変換材料もいくつか報告されている。代表的な例
としては、YF3 :Er,Yb、Y3 OCl7 :Er,
Yb( H.Kuroda 他、ジャーナル・オブ・ザ・フィジカ
ル・ソサエティ・オブ・ジャパン ( J.Phys.Soc.Jpn.)
33巻 1号 (1972) pp.125-141 )、NaLnF4 :Er,
Yb(Ln:Y,Gd,La) ( T.Kano 他、ジャーナ
ル・オブ・ザ・エレクトロケミカル・ソサエティ ( J.E
lectrochem.Soc.) 119巻 11 号 (1972) pp.1561-1564
) 、BaY2 8 :Er,Yb ( Y.Mita 他、アプラ
イド. フィジックス・レターズ (Appl.Phys.Lett.) 23
巻 4号 (1973) pp.173-175 )、(PbF2−Ge
2 ):Er,Yb (PbF2 −GeO2 ):Tm,
Yb ( F.Auzel他、ジャーナル・オブ・ザ・エレクトロ
ケミカル・ソサエティ ( J.Electrochem.Soc.) 122巻 1
号 (1975) pp.101-107 ) 等である。これらの材料は量
子計数作用すなわち希土類イオン(主にEr3+イオン)
の多光子励起を利用するものである。
On the other hand, some infrared-visible wavelength up-conversion materials which do not require pre-excitation have been reported. As a typical example, YF 3 : Er, Yb, Y 3 OCl 7 : Er,
Yb (H. Kuroda et al., Journal of the Physical Society of Japan (J.Phys.Soc.Jpn.)
Vol. 33 No. 1 (1972) pp.125-141), NaLnF 4 : Er,
Yb (Ln: Y, Gd, La) (T. Kano et al., Journal of the Electrochemical Society (JE
lectrochem.Soc.) Volume 119 Issue 11 (1972) pp.1561-1564
), BaY 2 F 8 : Er, Yb (Y. Mita et al. Applied Physics Letters (Appl. Phys. Lett.) 23
Winding No. 4 (1973) pp.173-175), (PbF 2 -Ge
O 2 ): Er, Yb (PbF 2 —GeO 2 ): Tm,
Yb (F. Auzel et al., Journal of the Electrochemical Society, Vol. 122, Vol. 1)
(1975) pp.101-107). These materials have a quantum counting function, that is, rare earth ions (mainly Er 3+ ions)
It utilizes the multiphoton excitation of.

【0005】固体中における希土類イオンの発光特性
は、希土類イオン自身の濃度と希土類イオンを取り囲む
母体に強く依存する。希土類イオンの多光子励起を利用
する母体材料として、従来からふっ化物、ふっ化物と酸
化物の混合物、塩化物と酸化物の混合物等が用いられて
いた。しかしこれらの材料の赤外光に対する変換効率、
感度は低いものであった。本発明者らは、赤外可視波長
上方変換材料について探索の結果、酸素、ふっ素を含ま
ないで、しかも希土類活性イオン(Er3+イオン)を大
量かつ均一に収容する新しい母体材料を見出し、従来の
材料に比較して変換効率の高い赤外可視波長上方変換材
料を得ることができた(特願平4−115638号明細
書)。しかしながらこれらの材料が波長変換し得る照射
赤外光波長としては0.8μm帯、0.98μm帯、及
び1.5μm帯に限られていた
The emission characteristics of rare earth ions in a solid strongly depend on the concentration of the rare earth ions themselves and the host material surrounding the rare earth ions. Fluoride, a mixture of a fluoride and an oxide, a mixture of a chloride and an oxide, etc. have been conventionally used as a base material utilizing multiphoton excitation of rare earth ions. However, the conversion efficiency of these materials for infrared light,
The sensitivity was low. As a result of a search for an infrared visible wavelength up-conversion material, the present inventors have found a new host material that does not contain oxygen and fluorine and that accommodates rare earth active ions (Er 3+ ions) in a large amount and uniformly. It was possible to obtain an infrared-visible wavelength up-conversion material having a higher conversion efficiency than the above material (Japanese Patent Application No. 4-115638). However, the irradiation infrared light wavelengths capable of wavelength conversion by these materials have been limited to 0.8 μm band, 0.98 μm band, and 1.5 μm band .

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の技術的
課題を解決するためになされたもので、その目的とする
ところは予備励起が不要で、赤外光連続照射時にも可視
発光強度が変化しない、波長1.3μm帯の赤外光に対
して実用的な変換効率、感度を有する赤外光検出素子に
適用可能な赤外可視波長上方変換材料を提供することに
ある。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above technical problems. The object of the present invention is that pre-excitation is not required and that the visible light emission intensity is high even when infrared light is continuously irradiated. An object of the present invention is to provide an infrared-visible wavelength up-conversion material applicable to an infrared light detection element having practical conversion efficiency and sensitivity for infrared light having a wavelength of 1.3 μm that does not change.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明は次の(1)又は
(2)に示す構成を有する無機材料からなる赤外可視波
長上方変換材料である。(1) 下記のA群、B群及びC群の元素若しくは化合物
のそれぞれ1種以上を含む(但し、Erを含まない)
とを特徴とする赤外可視波長上方変換材料。(2) 下記のA群、B群及びD群の元素若しくは化合物
のそれぞれ1種以上、又はA群、B群、C群及びD群の
元素若しくは化合物のそれぞれ1種以上を含む(但し、
Erを含まない)ことを特徴とする赤外可視波長上方変
換材料。 A群:ディスプロシウム(Dy)及びその塩化物 B群:ネオジウム(Nd)、プラセオジウム(Pr)、
ホロミウム(Ho)及びそれらの塩化物 C群:ガドリニウム(Gd)塩化物又は酸素、ふっ素を
含まないガドリニウム化合物 D群:Ca、Sr、Y、La、Ba、Lu、Pb、T
l、Bi、K、Naの塩化物又は酸素、ふっ素を含まな
いこれらの元素の化合物
The present invention provides the following (1) or
It is an infrared-visible wavelength up-conversion material made of an inorganic material having the configuration shown in (2) . (1) An infrared-visible wavelength up-conversion material containing one or more of each of the following elements or compounds of group A, group B and group C (however, not containing Er) . (2) Contains one or more each of the following elements or compounds of group A, B and D, or one or more of each element or compound of group A, B, C and D (however,
Infrared visible wavelength up-conversion material characterized by containing no Er) . Group A: dysprosium (Dy) and its chlorides Group B: neodymium (Nd), praseodymium (Pr),
Holmium (Ho) and chlorides thereof Group C: Gadolinium (Gd) Chloride or Gadolinium compound containing no oxygen or fluorine D Group: Ca, Sr, Y, La, Ba, Lu, Pb, T
l, Bi, K, Na chloride or compounds of these elements that do not contain oxygen or fluorine

【0008】本発明では、1.3μm帯に吸収準位を持
つ元素を、可視領域に発光準位を持つ元素と共添加する
ことにより、これまで報告例のない、1.3μm帯でよ
り高い感度を持つ赤外可視波長上方変換材料を得た。即
ち、本発明の赤外可視波長上方変換材料は、吸収中心の
役割を果たす添加物質としてDyを、発光中心の役割を
果たす添加物質としてはNd、Pr、Hoの内の少なく
とも1つ以上の元素を、元素又は塩化物等の形で含み、
それらを安定に取り込む母体材料として、少なくともG
dとClあるいはその酸素、ふ素を含まない化合物を
含むことを特徴とする。ここでGdに代えて、Ca、S
r、Y、La、Ba、Lu、Pb、Tl、Bi、K、N
a等を使用することもできる。
In the present invention, an element having an absorption level in the 1.3 μm band is co-added with an element having an emission level in the visible region, so that the higher level in the 1.3 μm band, which has never been reported before. An infrared visible wavelength up-conversion material with sensitivity was obtained. That is, the infrared visible wavelength up-conversion material of the present invention is Dy as an additive substance that plays a role of absorption center, and at least one element of Nd, Pr and Ho as an additive substance that plays a role of emission center. , In the form of element or chloride,
At least G
d and Cl, or its oxygen, characterized in that it comprises a compound containing no oxygen Tsu Fu. Here, instead of Gd, Ca, S
r, Y, La, Ba, Lu, Pb, Tl, Bi, K, N
It is also possible to use a or the like.

【0009】本発明の材料中で母体材料を構成する塩化
物系の材料では、従来使用されていた酸化物やフッ化物
系材料と比較して母体のフォノンエネルギーが小さい。
従って励起準位から直下の準位への非輻射遷移が起きに
くくなり、励起準位での寿命が長くなったため、効率の
よい発光遷移が可能になったものと考えられる。
The chloride-based material constituting the host material in the material of the present invention has a lower phonon energy of the host material than the conventionally used oxide or fluoride-based materials.
Therefore, it is considered that non-radiative transition from the excited level to the level immediately below is less likely to occur and the lifetime at the excited level is lengthened, which enables efficient luminescent transition.

【0010】本発明の赤外可視波長上方変換材料は、例
えば次のような方法により製造することができる。すな
わち、DyとNdとガドリニウム(Gd)と塩素(C
l)、あるいは酸素、フッ素を含まないそれらの化合物
から成る材料を所定の配合比で混合し、適当な容器で加
熱し焼成する。使用する原料としてはDyCl3 、Nd
Cl3 、GdCl3 などの塩化物が好ましいが、Dy2
3 、Nd2 3 、Gd2 3 等の酸化物原料その他の
原料を使用し、雰囲気炉中で加熱しながら、HClやC
2 等の反応性の強いガスを流し、塩化反応をさせなが
ら焼成してもよい。焼成条件は、使用する原料の種類、
配合割合、目的とする製品の性状等により適切な範囲を
定めればよいが、例えば加熱炉中で、650〜1200
℃の温度で、10分〜数10時間加熱することによって
行うことができる。
The infrared / visible wavelength up-conversion material of the present invention can be produced, for example, by the following method. That is, Dy, Nd, gadolinium (Gd), chlorine (C
l), or a material composed of a compound containing neither oxygen nor fluorine is mixed in a predetermined mixing ratio and heated and baked in an appropriate container. The raw materials used are DyCl 3 , Nd
Chlorides such as Cl 3 and GdCl 3 are preferred, but Dy 2
Using oxide raw materials such as O 3 , Nd 2 O 3 and Gd 2 O 3 and other raw materials, while heating in an atmosphere furnace, HCl and C
It is also possible to flow a highly reactive gas such as l 2 and to carry out the calcination while causing the chlorination reaction. The firing conditions are the type of raw material used,
An appropriate range may be determined depending on the mixing ratio, the properties of the intended product, etc., for example, in a heating furnace, 650 to 1200
It can be performed by heating at a temperature of 10 ° C. for 10 minutes to several tens of hours.

【0011】この間、Ar、Cl2 及びH2 の混合ガス
あるいはCCl4 及びN2 の混合ガス等を流し、酸素や
水分の混入を防ぐとともに、原料中に含まれる酸化物等
を塩化させる雰囲気としておくのが好ましい。焼成後の
材料は、600〜650℃付近までは比較的緩やかな降
温速度、例えば5℃/分程度の速度で徐々に降温させる
のが好ましい。また、酸素や水分との接触による原料の
酸化を防止するため、原料の秤量から、調合、溶解、焼
成までのすべての操作はN2 あるいはArガス雰囲気下
に行うのが好ましい。
During this time, a mixed gas of Ar, Cl 2 and H 2 or a mixed gas of CCl 4 and N 2 is flowed to prevent mixing of oxygen and water, and as an atmosphere for chlorinating oxides and the like contained in the raw material. It is preferable to set. It is preferable that the material after firing is gradually cooled down to a temperature of about 600 to 650 ° C. at a relatively moderate temperature lowering rate, for example, about 5 ° C./minute. Further, in order to prevent oxidation of the raw material due to contact with oxygen or moisture, it is preferable to perform all operations from weighing the raw material to blending, melting and firing under N 2 or Ar gas atmosphere.

【0012】焼成時に使用する原料容器としては、焼成
温度において原料と反応せず、塩素系のガスにも腐食さ
れない材質のものを使用する。本発明の目的のためには
グラシーカーボン(glassy carbon)、石
英、白金、金等のルツボが好適である。
As a raw material container used at the time of firing, a material that does not react with the raw material at the firing temperature and is not corroded by chlorine-based gas is used. For the purposes of the present invention, crucibles such as glassy carbon, quartz, platinum and gold are suitable.

【0013】また、固相又は液相反応の他に、真空蒸着
法やスパッタ蒸着法、化学的気相成長(CVD)法等の
気相反応により材料作製を行ってもよい。また、本発明
の赤外可視波長上方変換材料は前記原料のほかに増感剤
としてのYb等特定の機能を有する第三成分を添加する
など、本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の変更或
いは改良を行ったものも含むことは言うまでもない。
In addition to the solid phase or liquid phase reaction, the material may be produced by a vapor phase reaction such as a vacuum vapor deposition method, a sputter vapor deposition method, and a chemical vapor deposition (CVD) method. In addition, the infrared-visible wavelength up-conversion material of the present invention may be added with a third component having a specific function such as Yb as a sensitizer in addition to the above-mentioned raw materials, within a range not departing from the spirit of the present invention. It goes without saying that it includes those that have been changed or improved.

【0014】[0014]

【作用】本発明の赤外可視波長上方変換材料を波長1.
3μm帯の半導体レーザー(LD)光で励起した際の発
光スペクトルの一例を図1に示す。Nd3+イオンによる
発光ピーク波長は、520〜540nm、580〜60
0nm、660〜670nm、800〜830nmであ
る。可視領域の内、580〜600nmの発光強度が最
も強く、肉眼では黄色として認識される。この1.3μ
m帯から可視光への波長変換には、予備励起は不要であ
る。また、1.3μm帯の赤外光を照射し続けた場合で
も、可視発光強度は変化することがない。この結果か
ら、本赤外可視波長上方変換材料は、予備励起が不要
で、赤外光連続照射時にも可視発光強度が変化せず、し
かも波長1.3μm帯の赤外光に対して感度を有するこ
とがわかる。なお本赤外可視波長上方変換材料は1.3
μm帯の外にも0.8μm帯の赤外光に対しても高感度
を有する。
The function of the infrared / visible wavelength up-conversion material of the present invention is 1.
FIG. 1 shows an example of the emission spectrum when excited with a semiconductor laser (LD) light in the 3 μm band. The emission peak wavelengths by Nd 3+ ions are 520 to 540 nm and 580 to 60
0 nm, 660 to 670 nm, and 800 to 830 nm. The emission intensity of 580 to 600 nm is the strongest in the visible region and is recognized as yellow by the naked eye. This 1.3μ
No pre-excitation is required for wavelength conversion from m band to visible light. Further, the visible light emission intensity does not change even when the infrared light in the 1.3 μm band is continuously irradiated. From this result, this infrared visible wavelength up-conversion material does not require pre-excitation, does not change the visible emission intensity even during continuous irradiation of infrared light, and has sensitivity to infrared light in the wavelength range of 1.3 μm. You know that you have. In addition, this infrared visible wavelength up-conversion material is 1.3
It has high sensitivity to infrared light in the 0.8 μm band as well as in the μm band.

【0015】図2に530nm、590nm、670n
m、810nm各発光ピーク強度の1.3μm励起光強
度依存性を示す。各発光ピーク強度の励起光強度に対す
る勾配〔Sx、X:発光波長(nm)〕は、それぞれ、
2<S530 <3、2S590 <3、2<S670 <3、1S
810 <2であった。この結果は、1.3μmから530
nm、590nm、670nmへの波長変換には3段階
の励起過程が必要であり、1.3μmから810nmへ
の波長変換には2段階励起過程が必要であることを示し
ている。
In FIG. 2, 530 nm, 590 nm and 670 n
The dependency of the emission peak intensity of each of m and 810 nm on the excitation light intensity of 1.3 μm is shown. The gradient of each emission peak intensity with respect to the excitation light intensity [Sx, X: emission wavelength (nm)] is
2 <S 530 <3, 2S 590 <3, 2 <S 670 <3, 1S
810 <2. This result is 1.3 μm to 530
It is shown that the wavelength conversion to nm, 590 nm and 670 nm requires a three-step excitation process, and the wavelength conversion from 1.3 μm to 810 nm requires a two-step excitation process.

【0016】図3に、Dy3+、及びNd3+イオンの4f
電子のエネルギー準位図を示す。図1の発光スペクトル
における、530nm、590nm、670nm、およ
び810nmの各ピークは、それぞれNd3+イオンの4
f電子の励起準位から基底準位への輻射遷移、 47/2
49/2 45/2 (あるいは 27/2 )→
49/ 2 49/2 49/2 、および 29/2 4
9/2 による発光と思われる。
FIG. 3 shows 4f of Dy 3+ and Nd 3+ ions.
The energy level diagram of an electron is shown. In the emission spectrum of FIG. 1, 530 nm, 590 nm, 670 nm, and the peak of 810nm are respectively Nd 3+ ions 4
Radiative transition of f-electron from excited level to ground level, 4 G 7/2
4 I 9/2 , 4 G 5/2 (or 2 G 7/2 ) →
4 I 9/2, 4 F 9/2 → 4 I 9/2, and 2 H 9/24 I
Probably emitted by 9/2 .

【0017】1.3μm帯の赤外光照射による530n
m、590nm発光過程として考えられるメカニズムの
一例を次に記す。図3において、1.3μmの赤外光照
射により、Dy3+イオンの4f電子の基底準位( 6
15/2)から励起準位( 69/2)への遷移と、励起準位
から基底準位への遷移( 69/2 615/2)が生じ
る。この時の遷移エネルギーが非輻射で隣接するNd3+
イオンに伝達され、Nd3+イオンの基底準位
49/2 )から励起準位( 415/2)に励起される。
そして同様のエネルギー伝達が2回繰り返されることに
より、Nd3+イオンの励起準位( 415/2)から更に上
の励起準位( 29/2 )に二段階励起され、更に同励起
準位( 29/2 )から更に上の励起準位( 47/2 )に
三段階励起される。そして、Nd3+イオンの一部は励起
準位( 47/2 )から基底準位への遷移( 47/ 2 4
9/2 )して530nmの発光となり、別の一部は励起
準位( 47/2 )から非輻射で直下の準位( 45/2
るいは 27/2 )に緩和し、その準位から基底準位への
遷移( 45/2 あるいは 27/2 49/2 )して59
0nmの発光となる。
530n by irradiation with infrared light in the 1.3 μm band
An example of a possible mechanism of the m, 590 nm emission process will be described below. 3, by infrared light irradiation of 1.3 .mu.m, Dy 3+ ions 4f electrons of the ground level (6 H
15/2 ) to the excitation level ( 6 H 9/2 ) and the transition from the excitation level to the ground level ( 6 H 9/26 H 15/2 ). The transition energy at this time is non-radiative and adjacent to Nd 3+
It is transmitted to the ions and excited from the ground level ( 4 I 9/2 ) of the Nd 3+ ion to the excitation level ( 4 I 15/2 ).
By repeating the same energy transfer twice, two-stage excitation is performed from the excitation level ( 4 I 15/2 ) of the Nd 3+ ion to the higher excitation level ( 2 H 9/2 ). Three-stage excitation is performed from the excitation level ( 2 H 9/2 ) to the higher excitation level ( 4 G 7/2 ). The transition of a part of Nd 3+ ions from the excited state (4 G 7/2) to ground level (4 G 7/2 4
I 9/2 ) resulting in emission of 530 nm, and another part is relaxed from the excitation level ( 4 G 7/2 ) to the level directly below ( 4 G 5/2 or 2 G 7/2 ) without radiation. Then, the transition from that level to the ground level ( 4 G 5/2 or 2 G 7/24 I 9/2 ) is performed and 59
The light emission is 0 nm.

【0018】以下に本発明の好ましい実施態様を要約し
て示す。 (1)A群、B群及びC群の元素もしくは化合物のそれ
ぞれ1種以上、又はA群、B群及びD群の元素もしくは
化合物のそれぞれ1種以上、又はA群、B群、C群及び
D群の元素もしくは化合物のそれぞれ1種以上からなる
材料を所定の配合比で混合し、適当な容器を用い、N2
もしくはAr雰囲気中で約650〜1200℃の温度に
10分〜数10時間加熱焼成し、次いで約600〜65
0℃の温度迄徐冷することを特徴とする赤外可視波長上
方変換材料の製造方法。
The preferred embodiments of the present invention will be summarized below. (1 ) One or more each of an element or compound of group A , B and C, or one or more each of an element or compound of group A, B and D, or group A, group B, group C and Materials composed of one or more of each of the elements or compounds of group D are mixed in a predetermined mixing ratio, and N 2 is used in an appropriate container.
Alternatively, it is heated and baked at a temperature of about 650 to 1200 ° C. for 10 minutes to several tens of hours in an Ar atmosphere, and then about 600 to 65.
A method for producing an infrared-visible wavelength up-conversion material, which comprises gradually cooling to a temperature of 0 ° C.

【0019】(2)A群、B群及びC群の材料が下記の
組成範囲にある赤外可視波長上方変換材料: A群:0.1〜5モル% (好適には、0.1〜2モル%) B群:0.1〜30モル% (好適には、0.5〜15モル%) C群:65〜99.8モル% (好適には、83〜99.4モル%) ()A群、B群及びD群の材料が下記の組成範囲にあ
る赤外可視波長上方変換材料: A群:0.1〜5モル% (好適には、0.1〜2モル%) B群:0.1〜30モル% (好適には、0.5〜15モル%) D群:65〜99.8モル% (好適には、83〜99.4モル%) ()A群、B群、C群及びD群の材料が下記の組成範
囲にある赤外可視波長上方変換材料: A群:0.1〜5モル% (好適には、0.1〜2モル%) B群:0.1〜30モル% (好適には、0.5〜15モル%) C群:0.1〜99.7モル% (好適には、53〜98.4モル%) D群:0.1〜99.7モル% (好適には、1〜30モル%)
(2 ) Infrared visible wavelength up-conversion material in which the materials of Group A, Group B and Group C are in the following composition ranges: Group A: 0.1 to 5 mol% (preferably 0.1 to 5 mol%) 2 mol%) Group B: 0.1 to 30 mol% (preferably 0.5 to 15 mol%) Group C: 65 to 99.8 mol% (preferably 83 to 99.4 mol%) ( 3 ) Infrared visible wavelength up-conversion material in which the materials of Group A, Group B and Group D are in the following composition ranges: Group A: 0.1 to 5 mol% (preferably 0.1 to 2 mol% ) Group B: 0.1 to 30 mol% (preferably 0.5 to 15 mol%) D group: 65 to 99.8 mol% (preferably 83 to 99.4 mol%) ( 4 ) Infrared / visible wavelength up-conversion material in which the materials of Group A, Group B, Group C and Group D are in the following composition ranges: Group A: 0.1 to 5 mol% (preferably 0.1 to 2 mol% ) Group B: 0. -30 mol% (preferably 0.5-15 mol%) C group: 0.1-99.7 mol% (preferably 53-98.4 mol%) D group: 0.1-99 0.7 mol% (preferably 1 to 30 mol%)

【0020】[0020]

【実施例】次に本発明、およびその効果を実施例により
具体的に説明する。なお、本発明、およびその効果は下
記実施例中に記述した材料、組成、および作製方法に何
等限定されるものではない。例えば、本発明で用いた材
料中にDy、あるいはNdを他の化合物、あるいは単元
素として添加した場合や、添加濃度を変えた場合、また
これらに加えて同時に他の不純物元素を添加して用いた
場合、例えば増感剤としてYb等を添加した場合や、あ
るいは材料母体組成を変えた場合、例えば、GdをY、
La、Lu等の他の希土類元素や、Ca、Sr等のアル
カリ土類元素や、Pb、Tl、Bi等の重金属元素や、
K、Na等のアルカリ元素に変えた場合や、あるいは、
さらに他の化合物を含む母体とした場合でも同様の効果
が期待できる。また、LD光源の代わりに同様の発光ス
ペクトル成分を有する他の発光素子を用いても同様の効
果が得られることは言うまでもない。
EXAMPLES Next, the present invention and its effects will be specifically described by way of examples. The present invention and its effects are not limited to the materials, compositions, and manufacturing methods described in the examples below. For example, when Dy or Nd is added to the material used in the present invention as another compound or as a single element, the addition concentration is changed, or in addition to these, another impurity element is added at the same time. When, for example, Yb or the like is added as a sensitizer, or when the material matrix composition is changed, for example, Gd is Y,
Other rare earth elements such as La and Lu, alkaline earth elements such as Ca and Sr, heavy metal elements such as Pb, Tl and Bi,
When changing to an alkaline element such as K or Na, or
Similar effects can be expected even when the base material contains other compounds. Needless to say, the same effect can be obtained by using another light emitting element having a similar emission spectrum component instead of the LD light source.

【0021】(実施例1)図1に示した発光スペクトル
を再放射する赤外可視波長上方変換材料は以下の手順で
作製する。まず市販の粉末試薬であるDyCl3 、Nd
Cl3 、GdCl 3 (いずれも99.9%以上の純度)
を所定の組成(例えば、DyCl3 :NdCl3 :Gd
Cl3 =0.5:0.5:99mol%)に秤量した
後、乳鉢で粉砕すると同時に攪拌混合した。次に、この
混合原料粉末をグラシーカーボンルツボに入れた。そし
て、このルツボを650℃に保った電気炉中に入れた
後、電気炉の温度を昇温させた。焼成温度は750〜8
50℃とし1時間程度保持して原料を十分に溶解、反応
させた後、5℃/分程度の速度で徐々に降温させた。炉
温が650℃程度に到達した後、試料を取り出して作製
を完了した。なお、焼成時の炉内には常にAr+Cl2
+H2 ガス(あるいはCCl4 +N2 ガス等)を流し、
酸素や水分の混入を防ぐと共に、原料中に含まれる酸化
物等を塩化させる雰囲気とした。また、酸素や水分との
接触による原料の酸化を防止するため、試薬の秤量か
ら、調合、溶解、焼結までのすべての操作はN2 あるい
はArガス雰囲気中で行った。このようにして作製した
赤外可視波長上方変換材料を、1.3μmのLD光(1
4mWのパワー)で励起した時の発光スペクトルを図1
に示す。この時の発光は肉眼では黄色として認識され
る。
Example 1 The emission spectrum shown in FIG.
The infrared visible wavelength up-conversion material that re-emits
Create. First, DyCl, a commercially available powder reagent3, Nd
Cl3, GdCl 3(All are 99.9% or more pure)
To a predetermined composition (for example, DyCl3: NdCl3: Gd
Cl3= 0.5: 0.5: 99 mol%)
After that, the mixture was ground in a mortar and stirred and mixed at the same time. Then this
The mixed raw material powder was put into a glassy carbon crucible. That
Then, the crucible was placed in an electric furnace maintained at 650 ° C.
After that, the temperature of the electric furnace was raised. Firing temperature is 750-8
Hold at 50 ° C for about 1 hour to fully dissolve and react the raw materials
After that, the temperature was gradually lowered at a rate of about 5 ° C./minute. Furnace
After the temperature reaches 650 ℃, take out the sample and make
Completed. Note that Ar + Cl is always present in the furnace during firing.2
+ H2Gas (or CClFour+ N2Gas etc.)
Oxidation contained in the raw material while preventing the mixture of oxygen and water
The atmosphere was such that things were salified. Also, with oxygen and moisture
To prevent the oxidation of the raw materials due to contact, weigh the reagents.
, All the operations from blending, melting, and sintering are N2There
Was performed in an Ar gas atmosphere. Made in this way
Infrared visible wavelength up-conversion material, 1.3μm LD light (1
Fig. 1 shows the emission spectrum when excited with a power of 4 mW).
Shown in. The luminescence at this time is recognized as yellow by the naked eye.
It

【0022】(実施例2)DyCl3 、PrCl3 、G
dCl3 (いずれも99.9%以上の純度)を所定の組
成(例えば、DyCl3 :PrCl3 :GdCl3
1:0.5:98.5mol%)とし、実施例1と同様
の方法で赤外可視波長上方変換材料を作製した。このよ
うにして作製した赤外可視波長上方変換材料を、1.3
μmのLD光(14mWのパワー)で励起した時の発光
スペクトルを図4に示す。この時の発光は肉眼では橙色
として認識される。図4の発光スペクトルにおける、6
00nm、および810nmの各ピークは、それぞれP
3+イオンの4f電子の励起準位から基底準位等への輻
射遷移、 12 34 、および 12 36 (ある
いはDy3+イオンの 65/2 615/2)による発光と
考えられる。図5に、600nm発光ピーク強度の1.
3μm励起光強度依存性を示す。発光ピーク強度の励起
光強度に対する勾配は、2<S600 <3であった。この
結果は1.3μmから600nmへの波長変換には3段
階の励起過程が必要であることを示しており、実施例1
の場合と同様にDy3+イオンからPr3+イオンにエネル
ギー伝達が起こり、Pr3+イオンが多段階励起( 34
34 14 12 )されることにより、Pr3+
イオンの発光が得られるものと考えられる。
Example 2 DyCl 3 , PrCl 3 and G
dCl 3 (both having a purity of 99.9% or more) is formed into a predetermined composition (for example, DyCl 3 : PrCl 3 : GdCl 3 =
1: 0.5: 98.5 mol%), and an infrared-visible wavelength up-conversion material was produced in the same manner as in Example 1. The infrared visible wavelength up-conversion material produced in this way was
FIG. 4 shows the emission spectrum when excited with LD light of μm (power of 14 mW). The luminescence at this time is recognized as orange by the naked eye. 6 in the emission spectrum of FIG.
The peaks at 00 nm and 810 nm are P
Radiant transition of 4f electron of r 3+ ion from excited level to ground level, etc., 1 D 23 H 4 , and 1 D 23 H 6 (or 6 F 5/2 → of Dy 3+ ion) It is considered that the emission is due to 6 H 15/2 ). In FIG. 5, 1.
The dependence of 3 μm excitation light intensity is shown. The gradient of the emission peak intensity with respect to the excitation light intensity was 2 <S 600 <3. This result indicates that the wavelength conversion from 1.3 μm to 600 nm requires three-step excitation process.
As in the case of, energy transfer occurs from the Dy 3+ ion to the Pr 3+ ion, and the Pr 3+ ion undergoes multi-step excitation ( 3 H 4
3 by F 4 → 1 G 4 → 1 D 2) is the fact, Pr 3+
It is considered that luminescence of ions can be obtained.

【0023】(実施例3)DyCl3 、HoCl3 、G
dCl3 (いずれも99.9%以上の純度)を所定の組
成(例えば、DyCl3 :HoCl3 :GdCl3
0.5:10:89.5mol%)とし、実施例1と同
様の方法で赤外可視波長上方変換材料を作製した。この
ようにして作製した赤外可視波長上方変換材料を、1.
3μmのLD光(14mWのパワー)で励起した時の発
光スペクトルを図6に示す。この時の発光は肉眼では橙
色として認識される。図6の発光スペクトルにおける、
可視領域の650nm、540nmの各ピークは、それ
ぞれHo3+イオンの4f電子の励起準位から基底準位等
への輻射遷移、 55 58 、および 52 58
による発光と考えられる。図7に、650nm、540
nm各発光ピーク強度の1.3μm励起光強度依存性を
示す。各発光ピーク強度の励起光強度に対する勾配は、
それぞれ2<S65 0 <3、2<S540 <3であった。こ
の結果は1.3μmから650nm、540nmへの波
長変換にはそれぞれ3段階の励起過程が必要であること
を示しており、実施例1の場合と同様にDy3+イオンか
らHo3+イオンにエネルギー伝達が起こり、Ho3+イオ
ンが多段階励起( 58 57 54 53 )さ
れることにより、Ho3+イオンの発光が得られるものと
考えられる。
Example 3 DyCl 3 , HoCl 3 , G
dCl 3 (each having a purity of 99.9% or more) is formed into a predetermined composition (for example, DyCl 3 : HoCl 3 : GdCl 3 =
0.5: 10: 89.5 mol%), and an infrared-visible wavelength up-conversion material was produced in the same manner as in Example 1. The infrared / visible wavelength up-conversion material thus produced was
FIG. 6 shows an emission spectrum when excited with LD light of 3 μm (power of 14 mW). The luminescence at this time is recognized as orange by the naked eye. In the emission spectrum of FIG.
The peaks at 650 nm and 540 nm in the visible region are radiative transitions from the excitation level of the 4f electron of the Ho 3+ ion to the ground level, 5 F 55 I 8 , and 5 S 25 I 8 respectively.
It is considered that the light is emitted by. In FIG. 7, 650 nm and 540
nm emission peak intensity dependency of 1.3 μm excitation light intensity is shown. The slope of each emission peak intensity with respect to the excitation light intensity is
Were respectively 2 <S 65 0 <3,2 < S 540 <3. This result shows that wavelength conversion from 1.3 μm to 650 nm and 540 nm requires three stages of excitation processes, respectively. As in the case of Example 1, Dy 3+ ions are converted to Ho 3+ ions. It is considered that the energy transfer occurs and the Ho 3+ ions are excited in multiple stages ( 5 I 85 I 75 I 45 F 3 ), whereby the emission of the Ho 3+ ions can be obtained.

【0024】(実施例4)DyCl3 、NdCl3 、B
aCl2 (いずれも99.9%以上の純度)を所定の組
成(例えば、DyCl3 :NdCl3 :BaCl2
0.5:0.5:99mol%)とし、実施例1と同様
の方法で赤外可視波長上方変換材料を作製した。このよ
うにして作製した赤外可視波長上方変換材料を、1.3
μmのLD光で励起すると、図1と類似の発光スペクト
ルが得られ、この時の発光は肉眼では黄色として認識さ
れた。
Example 4 DyCl 3 , NdCl 3 , B
aCl 2 (each having a purity of 99.9% or more) with a predetermined composition (for example, DyCl 3 : NdCl 3 : BaCl 2 =
0.5: 0.5: 99 mol%), and an infrared-visible wavelength up-conversion material was produced in the same manner as in Example 1. The infrared visible wavelength up-conversion material produced in this way was
When excited with LD light of μm, an emission spectrum similar to that in FIG. 1 was obtained, and the emission at this time was visually recognized as yellow.

【0025】(実施例5)DyCl3 、PrCl3 、B
aCl2 (いずれも99.9%以上の純度)を所定の組
成(例えば、DyCl3 :PrCl3 :BaCl2
1:0.5:98.5mol%)とし、実施例1と同様
の方法で赤外可視波長上方変換材料を作製した。このよ
うにして作製した赤外可視波長上方変換材料を、1.3
μmのLD光で励起すると、図4と類似の発光スペクト
ルが得られ、この時の発光は肉眼では橙色として認識さ
れた。
Example 5 DyCl 3 , PrCl 3 , B
aCl 2 (each having a purity of 99.9% or more) has a predetermined composition (for example, DyCl 3 : PrCl 3 : BaCl 2 =
1: 0.5: 98.5 mol%), and an infrared-visible wavelength up-conversion material was produced in the same manner as in Example 1. The infrared visible wavelength up-conversion material produced in this way was
When excited with LD light of μm, an emission spectrum similar to that in FIG. 4 was obtained, and the emission at this time was visually recognized as orange.

【0026】(実施例6)DyCl3 、HoCl3 、B
aCl2 (いずれも99.9%以上の純度)を所定の組
成(例えば、DyCl3 :HoCl3 :BaCl2
0.5:10:89.5mol%)とし、実施例1と同
様の方法で赤外可視波長上方変換材料を作製した。この
ようにして作製した赤外可視波長上方変換材料を、1.
3μmのLD光で励起すると、図6と類似の発光スペク
トルが得られ、この時の発光は肉眼では橙色として認識
された。
(Example 6) DyCl 3 , HoCl 3 , B
aCl 2 (each having a purity of 99.9% or more) with a predetermined composition (for example, DyCl 3 : HoCl 3 : BaCl 2 =
0.5: 10: 89.5 mol%), and an infrared-visible wavelength up-conversion material was produced in the same manner as in Example 1. The infrared / visible wavelength up-conversion material thus produced was
When excited with LD light of 3 μm, an emission spectrum similar to that of FIG. 6 was obtained, and the emission at this time was visually recognized as orange.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の赤外可視
波長上方変換材料は、波長1.3μm帯の赤外光に対し
て高い感度を有するので、予備励起が不要で、赤外光連
続照射時にも可視発光強度が変化しない、視覚的な赤外
光検出が可能な素子に適用できるという利点がある。
As described above, since the infrared / visible wavelength up-conversion material of the present invention has high sensitivity to infrared light in the wavelength band of 1.3 μm, pre-excitation is not required and the infrared light There is an advantage that it can be applied to an element capable of visually detecting infrared light, in which the visible light emission intensity does not change even during continuous irradiation.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の赤外可視波長上方変換材料を波長1.
3μmの赤外光により励起した際に得られる発光スペク
トルの一例を示すグラフである。
FIG. 1 shows an infrared / visible wavelength up-conversion material of the present invention having a wavelength of 1.
It is a graph which shows an example of an emission spectrum obtained when excited by infrared light of 3 μm.

【図2】本発明の赤外可視波長上方変換材料を波長1.
3μmの赤外光により励起した際に得られる発光スペク
トルにおける、各発光ピーク強度の励起光強度依存性の
一例を示すグラフである。
FIG. 2 shows the infrared-visible wavelength up-conversion material of the present invention having a wavelength of 1.
It is a graph which shows an example of the excitation light intensity dependence of each emission peak intensity in the emission spectrum obtained when excited by 3 μm infrared light.

【図3】図1に示す発光スペクトルを再放射光として呈
する赤外可視波長上方変換材料を波長1.3μm帯の赤
外光により励起した際の530nm、590nm発光過
程等を示す、Dy3+、及びNd3+イオンの4f電子のエ
ネルギー準位図である。
FIG. 3 shows Dy 3+ showing a 530 nm and 590 nm emission process when the infrared visible wavelength up-conversion material exhibiting the emission spectrum shown in FIG. 1 as re-emitted light is excited by infrared light in the wavelength band of 1.3 μm. 2 is an energy level diagram of 4f electrons of Nd 3+ ions.

【図4】本発明の赤外可視波長上方変換材料を波長1.
3μmの赤外光により励起した際に得られる発光スペク
トルの一例を示すグラフである。
FIG. 4 shows an infrared / visible wavelength up-conversion material of the present invention having a wavelength of 1.
It is a graph which shows an example of an emission spectrum obtained when excited by infrared light of 3 μm.

【図5】本発明の赤外可視波長上方変換材料を波長1.
3μmの赤外光により励起した際に得られる発光スペク
トルにおける、発光ピーク強度の励起光強度依存性の一
例を示すグラフである。
FIG. 5 shows the infrared visible wavelength up-conversion material of the present invention having a wavelength of 1.
It is a graph which shows an example of the excitation light intensity dependence of the emission peak intensity in the emission spectrum obtained when excited by 3 μm infrared light.

【図6】本発明の赤外可視波長上方変換材料を波長1.
3μmの赤外光により励起した際に得られる発光スペク
トルの一例を示すグラフである。
FIG. 6 shows the infrared visible wavelength up-conversion material of the present invention having a wavelength of 1.
It is a graph which shows an example of an emission spectrum obtained when excited by infrared light of 3 μm.

【図7】本発明の赤外可視波長上方変換材料を波長1.
3μmの赤外光により励起した際に得られる発光スペク
トルにおける、各発光ピーク強度である。
FIG. 7 shows the infrared visible wavelength up-conversion material of the present invention having a wavelength of 1.
It is each emission peak intensity in an emission spectrum obtained when excited by infrared light of 3 μm.

フロントページの続き (72)発明者 王 宇湖 埼玉県浦和市針ケ谷四丁目7番25号 株 式会社住田光学ガラス内 (56)参考文献 特開 平2−168688(JP,A) Journal of The Ph ysical Society of Japan,1972年,Vol.33,N o.1,125−141 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 2/02 C09K 11/08 JICSTファイル(JOIS) CA(STN)Continued Front Page (72) Inventor Wu Uhu 4-7-25 Harigaya, Urawa-shi, Saitama, Ltd. Sumita Optical Glass Co., Ltd. (56) Reference JP-A-2-168688 (JP, A) Journal of the Ph Physical Society of Japan, 1972, Vol. 33, No. 1,125-141 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 2/02 C09K 11/08 JISST file (JOIS) CA (STN)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 無機材料からなる赤外可視波長上方変換
材料において、前記材料が少なくとも次のA群B群
びC群の元素若しくは化合物のそれぞれ1種以上を含む
(但し、Erを含まない)ことを特徴とする赤外可視波
長上方変換材料。 A群:ディスプロシウム(Dy)及びその塩化物 B群:ネオジウム(Nd)、プラセオジウム(Pr)、
ホロミウム(Ho)及びそれらの塩化物C群:ガドリニウム(Gd)塩化物又は酸素、ふっ素を
含まないガドリニウム化合物
1. A infrared visible wavelength up-conversion material composed of an inorganic material, said material at least the following group A, B group
And at least one element or compound of group C
(However, Er is not included) Infrared visible wavelength up-conversion material characterized by the above-mentioned. Group A: dysprosium (Dy) and its chlorides Group B: neodymium (Nd), praseodymium (Pr),
Holmium (Ho) and their chloride group C: gadolinium (Gd) chloride or oxygen, fluorine
Gadolinium compound not containing
【請求項2】 無機材料からなる赤外可視波長上方変換
材料において、前記材料が少なくとも次のA群、B群及
D群の元素若しくは化合物のそれぞれ1種以上を含む
(但し、Erを含まない)ことを特徴とする赤外可視波
長上方変換材料。 A群:ディスプロシウム(Dy)及びその塩化物 B群:ネオジウム(Nd)、プラセオジウム(Pr)、
ホロミウム(Ho)及びそれらの塩化物D群:Ca、Sr、Y、La、Ba、Lu、Pb、T
l、Bi、K、Naの塩化物又は酸素、ふっ素を含まな
いこれらの元素の化合物
2. An infrared-visible wavelength up-conversion material made of an inorganic material, wherein the material contains at least one of each of the following elements A, B and D elements or compounds.
(However, Er is not included) Infrared visible wavelength up-conversion material characterized by the above-mentioned. Group A: dysprosium (Dy) and its chlorides Group B: neodymium (Nd), praseodymium (Pr),
Holmium (Ho) and their chlorides Group D: Ca, Sr, Y, La, Ba, Lu, Pb, T
l, Bi, K, Na chloride or oxygen, fluorine is not included
Compounds of these elements
【請求項3】 無機材料からなる赤外可視波長上方変換
材料において、前記材料が少なくとも次のA群、B群
C群及びD群の元素若しくは化合物のそれぞれ1種以上
を含む(但し、Erを含まない)ことを特徴とする赤外
可視波長上方変換材料。 A群:ディスプロシウム(Dy)及びその塩化物 B群:ネオジウム(Nd)、プラセオジウム(Pr)、
ホロミウム(Ho)及びそれらの塩化物C群:ガドリニウム(Gd)塩化物又は酸素、ふっ素を
含まないガドリニウム化合物 D群:Ca、Sr、Y、La、Ba、Lu、Pb、T
l、Bi、K、Naの塩化物又は酸素、ふっ素を含まな
いこれらの元素の化合物
3. An infrared-visible wavelength up-conversion material comprising an inorganic material, wherein the material is at least the following Group A, Group B ,
An infrared-visible wavelength up-conversion material containing at least one element (not including Er) of each of the elements or compounds of group C and group D. Group A: dysprosium (Dy) and its chlorides Group B: neodymium (Nd), praseodymium (Pr),
Holmium (Ho) and their chloride group C: gadolinium (Gd) chloride or oxygen, fluorine
Gadolinium compound D group not containing : Ca, Sr, Y, La, Ba, Lu, Pb, T
l, Bi, K, Na chloride or compounds of these elements that do not contain oxygen or fluorine
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