海洋光学QE PRO光谱仪助力自恢复短波红外力致发光的水下通信研究

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2026

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Science & Technology

力致发光（ML）材料凭借其在压缩、拉伸、摩擦等机械激励下可持续发光的特性，已成为具有广泛技术重要性的研究热点，特别是在水下无线探测领域已经展现出巨大潜力。

但是，光在真实水体中传输会受到吸收和散射效应的严重限制，这凸显了开发具有水下信号衰减优势、兼具水稳定性与高亮度的ML系统的关键需求。现有ML系统的实际应用主要受限于单模力响应性、低循环重复性和对环境干扰的弱抗性。

基于压电效应与摩擦电效应的协同耦合原理，该研究团队提出了一种在单一基底材料中实现多形式机械作用下自恢复ML的设计方案。实验表明，无论是粉末状、刚性还是柔性聚合物形态的MgNb2O6:Cr3+晶体，在长期承受压缩和摩擦载荷时，均能持续输出高亮度宽带短波红外（SWIR）机械光致发光信号。更突破性的是，研究人员首次实现了在数千次拉伸循环下具有高度重复性和循环稳定性的SWIR力致发光输出。

研究中使用海洋光学QE PRO高灵敏度光纤光谱仪收集MgNb2O6:Cr3+晶体的力致发光光谱及其在四千次拉伸-释放循环中短波红外力致发光的输出强度。

多力驱动自恢复短波红外力致发光用于水下通信

力致发光主自恢复机制示意图

压电场驱动模型可通过材料在机械作用下的弹性形变产生光子发射，使细粉状材料在摩擦载荷下或刚性环氧树脂基底在压缩应力下实现自恢复力致发光。摩擦电场诱导模型可通过两相界面位移在无机-有机复合弹性体中实现无预辐照力致发光。但现有系统在拉伸时普遍存在力致发光信号重复性差的问题，且孤立粉末对各类外力响应有限。本研究模型通过压电与摩擦电效应的协同耦合，使MgNb2O6:Cr3+在粉末、环氧树脂或 PDMS 复合形态下，无论何种机械作用都能实现高亮度且循环稳定的力致发光。

ML粉末与硬质颗粒的自修复性及其机制

细粉状MgNb2O6:Cr3+材料展现出明亮的自恢复力致发光光谱。为进行定量ML分析，研究人员搭建了专用测量系统，包含定制化机械控制单元、 NIR 相机及光纤光谱仪。实验中将粉末样品封装于透明聚对苯二甲酸乙二醇酯片材之间进行测量。在15 N机械载荷作用下，获取的ML光谱与PL光谱高度吻合，证实Cr3+跃迁在ML过程中的关键作用。ML亮度随压缩载荷呈线性增长，而更高的加载速度可显著提升力敏感性。有限元分析结果与SWIR-ML技术在压缩颗粒中直接观测到的应力分布可视化结果一致。但在应力释放阶段观察到显著差异：ML信号在完全卸载前迅速衰减。此外，在连续压缩-释放循环中持续捕获到明亮且具有自恢复特性的ML信号。ML强度的初始下降可能源于早期压缩应变导致硬质复合材料的结构形变，随后通过逐步稳定化过程形成稳定的ML输出。此外，材料在冲击载荷作用下实现了微秒级（约11.82 µs）的快速ML衰减，其衰减速率比镧系发光体（如CaZnOS:Nd3+约101.78 µs）快一个数量级，从而为高频动态应力传感提供了卓越的时间分辨率。

柔性ML弹性体的自恢复性及其机理

研究人员对柔性弹性体中的力致发光性能进行了深入评估，当样品嵌入高弹性PDMS 聚合物中时，即使在持续旋转划痕作用下，也能自发恢复并发出明亮的短波红外力致发光信号，无需外部供能。由于划痕作用同时涉及压缩载荷和摩擦载荷，我们特意添加了二甲基硅油作为润滑剂，以抑制无机颗粒与有机弹性体之间的摩擦系数，从而显著减弱了力致发光强度。值得注意的是，残余力致发光信号源自应力诱导的压电效应，这在弹性体弯曲变形时内侧可检测到的力致发光信号中得到证实。这些观察结果表明，柔性弹性体中的力致发光源于压电效应（压缩驱动）与界面摩擦电效应（摩擦驱动）之间的协同作用。

在后续实验中，研究人员捕捉到了柔性弹性体在快速弹性拉伸时产生的强烈短波红外力致发光现象——这种变形模式是可穿戴设备在身体运动引发大面积重复应变时的主要形变方式。当这种强摩擦电场与压电场协同作用时，使用海洋光学QE PRO光谱仪测试了在4000次拉伸-释放循环中实现了前所未有的稳定短波红外力致发光输出。

自供电SWIR-ML水下通信演示

基于氧化物基体的卓越稳定性，研究人员进一步评估了SWIR-ML在水下环境中的性能表现。浸入水溶液后，复合弹性体在划痕或拉伸作用下仍能保持高度可重复的机械拉伸行为。值得注意的是，即使经过数月长期浸泡，SWIR-ML对多种极性溶剂仍表现出极强的耐受性。需要说明的是，轻微的机械拉伸性能下降源于摩擦电效应减弱——这是由于水分子不可避免地渗入疏水性 PDMS 膜的微观空隙所致。自然界中持续丰富的水流或波浪动能，同样可被有效利用来驱动SWIR-ML产生明亮稳定的输出。这种能量采集与机械拉伸的双重功能，为各类自供电应用展现出巨大潜力，完美诠释了“化废为宝”的高效理念。更值得一提的是，SWIR光的较长波长通常具有较低的散射特性，因此在含有悬浮杂质的浑浊水体中，其传播性能较可见光更为优异。SWIR-ML的高亮度和循环稳定性为水下通信提供了重要机遇。作为概念验证，我们通过将MgNb1.4Ta0.6O6:Cr3+@ PDMS 紧密贴附于手指表面，设计了一种自供电的可穿戴光子显示系统，实现了由手指运动驱动的水下光发射。

参考文献

J.Sun, Y.Li, L.Wang, et al. “Multi-Force-Driven Self-Recoverable SWIR Mechanoluminescence for Underwater Communication.” Advanced Science13, no. 18 (2026): e23643. https://doi.org/10.1002/advs.202523643IF: 14.1 Q1

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