七铝酸十二钙（C12A7）晶体是一种具备很好集成性能的新型功能材料,在固态多色激光器及3D显示等领域具有广阔的应用前景。本论文通过Ho³⁺,Yb³⁺和Tm³⁺离子按照一定摩尔比例进行掺杂,在C12A7单晶中成功实现上转换白光输出,并对上转换白光产生的机制进行了详细的分析。通过掺杂Mg²⁺和Mn²⁺离子分别对上转换白光的光强和色度进行了调节,实现了对C12A7单晶体系上转换白光性能的精细调节。采用高温固相法合成Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺掺杂的C12A7多晶粉末,在980 nm激光激发下,样品在477 nm和652 nm处输出了对应于Tm³⁺的1G4→3H6和1G4→3F4能级跃迁引起的上转换蓝光和红光;在550 nm处输出了对应于Ho³⁺的5S2/5F4→5I8能级跃迁产生的上转换绿光,在665 nm处输出了对应于Ho³⁺的5F5→5I8能级跃迁所引起的上转换红光。通过设计正交试验来研究Ho³⁺,Yb³⁺和Tm³⁺三种稀土离子浓度对C12A7多晶上转换发光性能的影响,并最终在C12A7多晶材料中实现白光输出。采用提拉法生长不同浓度Ho³⁺,Yb³⁺和Tm³⁺离子掺杂的C12A7单晶体,研究晶体生长过程中的各参数对晶体质量的影响。利用Crysmas软件模拟不同尺寸保温罩下的晶体生长温度场,并在模拟结果的基础上,测量实际晶体生长过程中的温度梯度来与模拟结果做对比,以保证建立最适合C12A7晶体生长的温度场（27℃/cm）。通过CGsim软件模拟不同转速下熔体的界面形状,寻找最合适的晶体生长速度和旋转速度（1mm/h和25 rpm）。研究了生长气氛对晶体质量的影响,发现随着氧气含量的增加,晶体中的铱杂质含量也随之增加,这也是晶体着色的原因。最终确定了完整的稀土掺杂C12A7晶体生长工艺,并生长出质量较好的C12A7单晶。通过XRD、紫外-可见吸收光谱和上转换发光光谱研究Ho³⁺,Yb³⁺和Tm³⁺离子浓度对C12A7晶体结构和上转换发光性能的影响。稀土离子所引起的晶格形状变化以及稀土离子之间能量传递作用的变化是影响上转换发光性能的主要因素。Ho³⁺和Tm³⁺离子浓度主要对输出光的色度有很好的调节作用,Yb³⁺离子则主要改变上转换发光的光强。通过上转换功率曲线、发光能级寿命、中间态能级寿命测试以及稳态速率方程,分析了Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺/C12A7晶体中上转换白光的激发过程。在980 nm激光激发下,Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺/C12A7晶体产生的477 nm波长的蓝光为三光子连续能量传递过程,波长为550 nm的上转换绿光以及波长为652 nm和665 nm的上转换红光均为两光子连续能量传递过程。且上转换蓝光、绿光和红光的光子数排序为:蓝光>绿光>红光。研究了激发功率对Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺/C12A7晶体上转换白光性能的影响。随着激发功率的增加,上转换蓝光、绿光和红光光强均呈现逐渐增强的趋势,但增强幅度不同。上转换发光的色度逐渐由白光中心向蓝紫光交界区域偏移,这也是由于上转换蓝光的激发过程为三光子连续能量传递,而上转换绿光和红光的激发过程仅为两光子连续能量传递。研究了Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺/C12A7晶体中Tm³⁺离子3F2,3和3H4能级的热耦合行为,获得了C12A7材料较高的光学温度探测灵敏度,比较适合用于温度探测,并且较高的灵敏度来源于较高的晶体结晶度。利用第一性原理计算了Yb³⁺掺杂C12A7晶体的能带结构图和态密度图,并与未掺杂的理想C12A7晶体模型进行对比,发现稀土离子的掺入使得禁带宽度减小,但并没有改变费米能级位置。对C12A7与Yb³⁺掺杂C12A7的结构进行分析,确定了稀土离子并没有进入C12A7晶体的笼状结构内部,而是以取代Ca²⁺的形式存在。运用Judd-Ofelt理论计算了Ho³⁺及Tm³⁺掺杂C12A7材料的J-O强度参数以及光谱品质因子,计算结果表明稀土掺杂C12A7单晶材料是一种能够实现很好上转换发光的晶体材料。研究了金属离子Mg²⁺和Mn²⁺对Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺/C12A7晶体上转换白光性能的影响。Mg²⁺离子的掺杂对Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺/C12A7晶体的上转换发光强度有很好的调节作用。Mg²⁺离子的掺杂使得上转换发光过程中的中间态能级寿命增加,发光能级寿命降低,使得上转换过程所需光子数减少,宏观表现为上转换发光强度增强。Mn²⁺离子的掺杂对Ho³⁺/Yb³⁺/Tm³⁺/C12A7晶体的上转换白光色度有较好的调节作用。Mn²⁺离子的掺杂会影响Ho³⁺离子在5F5能级的粒子布居数,增加红光的发射几率,对上转换白光的色度有积极的调节作用。