上转换发光材料.ppt

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1、课程名称：发光材料陈国华主讲教师：材料科学与工程学院多媒体课件8.1上转换发光的概念上转换发光是在长波长光激发下，可持续发射波长比激发波长短的光。早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloembergc在PhysicalReviewLetter上发表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发多晶ZnS，观察到了525nm绿色发光。1966年Auzcl在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入Yb离子时，Er3+、Ho3+和Tm3+离子在红外光激发时，可见发光几乎提高了两个数量级，由此正式提出了“上

2、转换发光”的观点。上转换发光本质上是一种反stocks发光，即辐射的能量大于所吸收的能量。迄今为止,上转换材料主要是掺杂稀土元素的固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的长波辐射，从而可使人眼看不见的红外光变成可见光。上转换发光具有如下优点①可以有效降低光致电离作用引起基质材料的衰退；②不需要严格的相位匹配，对激发波长的稳定性要求不高；③输出波长具有一定的可调谐性。8.2上转换技术的发展上转换现象被ObrienB发现于上世纪40年代中期，稀土离子的上转换发光现象的研究则始于20世纪5

3、0年代初的KastlerA，至60年代因夜视等军用目的的需要，上转换研究得到进一步的发展。整个60－70年代，以Auzal为代表，系统地对掺杂稀土离子的上转换特性及其机制进行了深入的研究，提出掺杂稀土离子形成亚稳激发态是产生上转换功能的前提。80年代后期，利用稀土离子的上转换效应，覆盖红绿蓝所有可见光波长范围都获得了连续室温运转和较高效率、较高输出功率的上转换激光输出。1994年Stanford大学和IBM公司合作研究了上转换应用的新生长点——双频上转换立体三维显示，并被评为1996年物理学最新成就之一。

4、2000年Chen等对比研究了Er／Yb：FOG氟氧玻璃和Er／Yb：FOV钒盐陶瓷的上转换特性，发现后者的上转换强度是前者的l0倍，前者发光存在特征饱和现象，提出了上转换发光机制为扩散．转移的新观点。近几年，人们对上转换材料的组成与其上转换特性的对应关系作了系统的研究，得到了一些优质的上转换材料。频率上转换研究的这些发展一方面是由于社会对其应用技术的需求以及半导体激光发展的促进所致，另一方面也是随着上转换的机制等基础研究的突破和材料的发展而发展的。8.3稀土离子上转换发光机理8.3.1激发态吸收(ESA

5、，ExcitedStateAbsorption)激发态吸收过程(ESA)是在1959Bloembergen等人提出的，其原理是同一个离子从基态能级通过连续的多光子吸收到达能量较高的激发态能级的一个过程，这是上转换发光的最基本过程。图1(a)是激发态吸收(ESA)过程示意图。首先，离子吸收一个能量为hv1的光子，从基态1被激发到激发态2．然后，离子再吸收一个能量为hv2的光子，从激发态2被激发到激发态3，随后从激发态3发射出比激发光波长更短的光子。在连续光激发下，上转换发光(来自能级3)的强度通常正比于I1

6、,I2，I为激发光强．一些情况下，hv1=hv2，其发光强度通常正比于I2．更一般地，如果需要发生n次吸收，上转换发光强度将正比于In，另外，ESA过程为单个离子的吸收，具有不依赖于发光离子浓度的特点。8.3.2能量传递上转换(ETU，EnergyTransferUpconversion)连续能量转移(SET，SuccessiveEnergyTransfer)一般发生在不同类型的离子之间，其原理如图2：处于激发态的一种离子(施主离子)与处于基态的另外一种离子(受主离子)满足能量匹配的要求而发生相互作用，施

7、主离子将能量传递给受主离子而使其跃迁至激发态能级，本身则通过无辐射驰豫的方式返回基态。位于激发态能级上的受主离子还可能第二次能量转移而跃迁至更高的激发态能级。这种能量转移方式称为连续能量转移SET。交叉驰豫(CR，CrossRelaxation)发生在相同或不同类型的离子之间。其原理如图3所示。同时位于激发态上的两种离子，其中一个离子将能量传递给另外一个离子使其跃迁至更高能级，而本身则无辐射驰豫至能量更低的能级。图3CR过程合作上转换(CU，Cooperative-Upconversion）发生在同时位于

8、激发态的同一类型的离子之间，可以理解为三个离子之间的相互作用，其原理如图4所示。首先同时处于激发态的两个离子将能量同时传递给一个位于基态能级的离子使其跃迁至更高的激发态能级，而另外两个离子则无辐射驰豫返回基态。8.3.3“光子雪崩”过程(PA，PhotonAvalanche)是ESA和ET相结合的过程，其主要特征为:泵浦波长对应于离子的某一激发态能级与其上能级的能量差而不是基态能级与其激发态能级的能量差;其次，PA引起的上转换