上转换发光机理与发光材料整理

上转换发光机理与发光材料

一、背景

早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloemberge在Physical Review Letter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，Auzel在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺入Yb3+离子时，Er3+、H03+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“上转换发光”的观点。

二、上转换发光机理

上转换材料的发光机理是基于双光子或者多光子过程。发光中心相继吸收两个或多个光子，再经过无辐射弛豫达到发光能级，由此跃迁到基态放出一可见光子。为了有效实现双光子或者多光子效应，发光中心的亚稳态需要有较长的能及寿命。稀土离子能级之间的跃迁属于禁戒的f-f 跃迁，因此有长的寿命，符合此条件。迄今为止，所有上转换材料只限于稀土化合物。

三、上转换材料

上转换材料是一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，即将红外光转换为可见光的材料。其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量。这种现象违背了Stokes定律，因此又称反Stokes定律发光材料。

1、掺杂Yb3+和Er3+的材料Yb3+(2F7/2→2F5/2)吸收近红外辐射，并将其传

递给Er3+，因为Er3+的4I11/2能级上的离子被积累，在4I11/2能级的寿命为内，又一个光子被Yb3+吸收，并将其能量传递给Er3+，使Er3+离子从4I11/2能级跃迁到4F7/2能级。快速衰减，无辐射跃迁到4S3/2，然后由

4S

3/2能级产生绿色发射（ 4S

3/2 →

4I

15/2 ）

，实现以近红外光激发得到绿

色发射。

2、掺杂Yb3+和Tm3+的材料

通过三光子上转换过程，可以将红外辐射转换为蓝光发射。第一步传递之后，Tm3+的3H5能级上的粒子数被积累，他又迅速衰减到3F4能级。在第二部传递过程中，Tm3+从3F4能级跃迁到3F2能级，并又快速衰减到3H4。紧接着，在第三步传递中，Tm3+从3H4能几月前到1G4能级，并最终由此产生蓝色发射。

3、掺杂Er3+或Tm3+的材料

仅掺杂有一种离子的材料，是通过两步或者更多不的光子吸收实现上转换过程。单掺Er3+的材料，吸收800nm的辐射，跃迁至可产生绿色发射的4S3/2能级。单掺Tm3+的材料吸收650nm的辐射，被激发到可产生蓝色发射的1D2能级和1G4能级。

四、优点

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。

五、稀土上转换材料的应用

随着频率上转换材料研究的深入和激光技术的发展，人们在考虑

拓宽其应用领域和将已有的研究成果转换成高科技产品。上转换发光在上转换激光器、光纤放大器、三维立体显示和防伪领域都具有很好的应用前景。上转换研究的一个主要应用，是以它作为泵浦机制来实现篮、绿和紫波段的激光器。上转换激光器以其体积小、可产生可见光波长的激光倍受重视。

随着80年代半导体激光器的迅速发展和稀土离子掺杂的玻璃光纤质量的提高，以半导体激光器作共振泵浦的上转换光纤激光器的研究以其转换效率高、激光阈值低、体积小、结构简单可靠等优良性引起了重视。随着科学技术的发展，人们已经不满足于现有的信息成果。在显示领域中，由于经济、科技、教育、交通等领域的需要，以实现逼真及大容量信息显示的三维立体显示越来越适应人们的要求，并要求显示器能够显示更多、更快和更复杂的立体图像。上转换三维立体显示器正是适应这种要求而产生的，它不仅可以再现各种实物的立体图像，而且可以随心所欲的显示各类计算机处理的高速动态立体图像。

六、目前存在的问题

稀土离子上转换发光材料的研究是发光材料研究中的一个热点。就目前而言，其上转换发光的机理、稀土离子的掺杂方案、基质材料、上转换发光效率和上转换激光器件结构等仍然是研究人员所关注的

焦点。