上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料.ppt

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1、課程名稱：發(fā)光材料陳國華主講教師：材料科學(xué)與工程學(xué)院多媒體課件8.1上轉(zhuǎn)換發(fā)光的概念上轉(zhuǎn)換發(fā)光是在長波長光激發(fā)下，可持續(xù)發(fā)射波長比激發(fā)波長短的光。早在1959年就出現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換發(fā)光的報(bào)道，Bloembergc在PhysicalReviewLetter上發(fā)表的一篇文章提出，用960nm的紅外光激發(fā)多晶ZnS，觀察到了525nm綠色發(fā)光。1966年Auzcl在研究鎢酸鐿鈉玻璃時(shí)，意外發(fā)現(xiàn)，當(dāng)基質(zhì)材料中摻入Yb離子時(shí)，Er3+、Ho3+和Tm3+離子在紅外光激發(fā)時(shí)，可見發(fā)光幾乎提高了兩個(gè)數(shù)量級，由此正式提出了“上

2、轉(zhuǎn)換發(fā)光”的觀點(diǎn)。上轉(zhuǎn)換發(fā)光本質(zhì)上是一種反stocks發(fā)光，即輻射的能量大于所吸收的能量。迄今為止,上轉(zhuǎn)換材料主要是摻雜稀土元素的固體化合物，利用稀土元素的亞穩(wěn)態(tài)能級特性，可以吸收多個(gè)低能量的長波輻射，從而可使人眼看不見的紅外光變成可見光。上轉(zhuǎn)換發(fā)光具有如下優(yōu)點(diǎn)①可以有效降低光致電離作用引起基質(zhì)材料的衰退；②不需要嚴(yán)格的相位匹配，對激發(fā)波長的穩(wěn)定性要求不高；③輸出波長具有一定的可調(diào)諧性。8.2上轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展上轉(zhuǎn)換現(xiàn)象被ObrienB發(fā)現(xiàn)于上世紀(jì)40年代中期，稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象的研究則始于20世紀(jì)5

3、0年代初的KastlerA，至60年代因夜視等軍用目的的需要，上轉(zhuǎn)換研究得到進(jìn)一步的發(fā)展。整個(gè)60－70年代，以Auzal為代表，系統(tǒng)地對摻雜稀土離子的上轉(zhuǎn)換特性及其機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，提出摻雜稀土離子形成亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)是產(chǎn)生上轉(zhuǎn)換功能的前提。80年代后期，利用稀土離子的上轉(zhuǎn)換效應(yīng)，覆蓋紅綠藍(lán)所有可見光波長范圍都獲得了連續(xù)室溫運(yùn)轉(zhuǎn)和較高效率、較高輸出功率的上轉(zhuǎn)換激光輸出。1994年Stanford大學(xué)和IBM公司合作研究了上轉(zhuǎn)換應(yīng)用的新生長點(diǎn)——雙頻上轉(zhuǎn)換立體三維顯示，并被評為1996年物理學(xué)最新成就之一。

4、2000年Chen等對比研究了Er／Yb：FOG氟氧玻璃和Er／Yb：FOV釩鹽陶瓷的上轉(zhuǎn)換特性，發(fā)現(xiàn)后者的上轉(zhuǎn)換強(qiáng)度是前者的l0倍，前者發(fā)光存在特征飽和現(xiàn)象，提出了上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)制為擴(kuò)散．轉(zhuǎn)移的新觀點(diǎn)。近幾年，人們對上轉(zhuǎn)換材料的組成與其上轉(zhuǎn)換特性的對應(yīng)關(guān)系作了系統(tǒng)的研究，得到了一些優(yōu)質(zhì)的上轉(zhuǎn)換材料。頻率上轉(zhuǎn)換研究的這些發(fā)展一方面是由于社會(huì)對其應(yīng)用技術(shù)的需求以及半導(dǎo)體激光發(fā)展的促進(jìn)所致，另一方面也是隨著上轉(zhuǎn)換的機(jī)制等基礎(chǔ)研究的突破和材料的發(fā)展而發(fā)展的。8.3稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理8.3.1激發(fā)態(tài)吸收(ESA

5、，ExcitedStateAbsorption)激發(fā)態(tài)吸收過程(ESA)是在1959Bloembergen等人提出的，其原理是同一個(gè)離子從基態(tài)能級通過連續(xù)的多光子吸收到達(dá)能量較高的激發(fā)態(tài)能級的一個(gè)過程，這是上轉(zhuǎn)換發(fā)光的最基本過程。圖1(a)是激發(fā)態(tài)吸收(ESA)過程示意圖。首先，離子吸收一個(gè)能量為hv1的光子，從基態(tài)1被激發(fā)到激發(fā)態(tài)2．然后，離子再吸收一個(gè)能量為hv2的光子，從激發(fā)態(tài)2被激發(fā)到激發(fā)態(tài)3，隨后從激發(fā)態(tài)3發(fā)射出比激發(fā)光波長更短的光子。在連續(xù)光激發(fā)下，上轉(zhuǎn)換發(fā)光(來自能級3)的強(qiáng)度通常正比于I1

6、,I2，I為激發(fā)光強(qiáng)．一些情況下，hv1=hv2，其發(fā)光強(qiáng)度通常正比于I2．更一般地，如果需要發(fā)生n次吸收，上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度將正比于In，另外，ESA過程為單個(gè)離子的吸收，具有不依賴于發(fā)光離子濃度的特點(diǎn)。8.3.2能量傳遞上轉(zhuǎn)換(ETU，EnergyTransferUpconversion)連續(xù)能量轉(zhuǎn)移(SET，SuccessiveEnergyTransfer)一般發(fā)生在不同類型的離子之間，其原理如圖2：處于激發(fā)態(tài)的一種離子(施主離子)與處于基態(tài)的另外一種離子(受主離子)滿足能量匹配的要求而發(fā)生相互作用，施

7、主離子將能量傳遞給受主離子而使其躍遷至激發(fā)態(tài)能級，本身則通過無輻射馳豫的方式返回基態(tài)。位于激發(fā)態(tài)能級上的受主離子還可能第二次能量轉(zhuǎn)移而躍遷至更高的激發(fā)態(tài)能級。這種能量轉(zhuǎn)移方式稱為連續(xù)能量轉(zhuǎn)移SET。交叉馳豫(CR，CrossRelaxation)發(fā)生在相同或不同類型的離子之間。其原理如圖3所示。同時(shí)位于激發(fā)態(tài)上的兩種離子，其中一個(gè)離子將能量傳遞給另外一個(gè)離子使其躍遷至更高能級，而本身則無輻射馳豫至能量更低的能級。圖3CR過程合作上轉(zhuǎn)換(CU，Cooperative-Upconversion）發(fā)生在同時(shí)位于

8、激發(fā)態(tài)的同一類型的離子之間，可以理解為三個(gè)離子之間的相互作用，其原理如圖4所示。首先同時(shí)處于激發(fā)態(tài)的兩個(gè)離子將能量同時(shí)傳遞給一個(gè)位于基態(tài)能級的離子使其躍遷至更高的激發(fā)態(tài)能級，而另外兩個(gè)離子則無輻射馳豫返回基態(tài)。8.3.3“光子雪崩”過程(PA，PhotonAvalanche)是ESA和ET相結(jié)合的過程，其主要特征為:泵浦波長對應(yīng)于離子的某一激發(fā)態(tài)能級與其上能級的能量差而不是基態(tài)能級與其激發(fā)態(tài)能級的能量差;其次，PA引起的上轉(zhuǎn)換