上转换发光材料ppt课件
第9章-发光材料ppt课件
• 二、发光材料的发光特征 • 1、颜色特征
• 不同发光材料有不同的发光颜色。
材料的发光光谱(又称 发射光谱)可分为下列 三种类型：宽带、窄 带、线谱。
宽带:半宽度～ 100nm 窄带:半宽度～ 50nm 线谱:半宽度～ 0.1nm
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稀土发光材料
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• 2、发光强度特征
• 热辐射与冷光。
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发光材料品种很多，按激发方式发光材料可以分为：
（1）光致发光材料：发光材料在光（通常是紫外光、 红外光和可见光）照射下激发发光。
（2）电致发光材料：发光材料在电场或电流作用下 的激发发光。
（3）阴极射线致发光材料：发光材料在加速电子的 轰击下的激发发光。
（4）热致发光材料：发光材料在热的作用下的激发 发光。
电子逐渐逸出，跳回价带并发射光子。
• 具有缺陷的某些复杂的无机晶体物质，在光激发 时和光激发停止后一定时间内 (>10-8 s) 能够发光， 这些晶体成为磷光材料。
• 磷光材料的主要组成部分是基质和激活剂两部分。
用作基质的有第Ⅱ族金属的硫化物、氧化物、硒
化物、氟化物、磷酸盐、硅酸盐和钨酸盐等，如
ZnS、BaS、CaS、CaWO3、Ca3(PO4)2用来作激活
• （3）两个敏化中心被激发，把激发能按先后顺序或同 时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比 激发光光子的能量更高的能级，然后驰豫下来发出波 长短得多的光。
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• 四、光致发光材料的应用
• 主要用于显示、显像、照明和日常生活中。 如荧光化妆品、荧光染料等。
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第8讲_上转换发光材料
第8讲_上转换发光材料上转换发光材料（Upconversion Luminescent Materials）上转换发光材料是一种在低能量激发下可以产生高能量发光的材料。
其发光机制与传统的下转换发光材料，如荧光粉和半导体量子点等有所不同。
下转换发光材料在受到外界激发后，会先吸收光子并将其转换为较低能量的光子发出。
而上转换发光材料则能够在较低能量的激发光下，将吸收的能量进行级联转换，最终发射出高能量光。
上转换发光材料主要有两种类型：硅基和非硅基的上转换材料。
硅基上转换材料已经取得了长足的进展，并在光伏领域中受到广泛关注。
硅基上转换材料主要的特点是其上转换效率高，可以将低能量的光激发转换为高能量的发射。
这种材料对于提高太阳能电池的转换效率有很大的潜力。
非硅基的上转换材料则具有更多的选择性，并且在通过适配光源和非线性光学过程实现上转换发光方面具有更大的优势。
上转换发光材料的发光机制可以通过光功率图谱和物质能级示意图进行解释。
光功率图谱可以揭示材料在不同波长下的发光强度，从而分析材料的上转换效率。
物质能级示意图则可以通过表示材料的能量级别来解释能量的转换过程。
上转换发光材料的能级示意图中通常会包含两个部分：上转换激发态和上转换发射态。
在受到激发光的作用下，材料的电子会从基态跃迁到激发态，并且会经过一个或多个中间态的跃迁，最终发射出高能量的光子。
另外，上转换发光材料还有一些其他的应用领域。
其中最显著的是生物医学领域。
由于上转换发光材料具有可调控的发光特性，可以在多种情况下应用于生物成像和药物传递等领域。
例如，上转换发光材料可以通过发光技术提供可见光对于红外光的扩展，从而实现更深度的生物组织成像。
此外，上转换发光材料还可以用于生产发出可见光的LED灯和激光等。
总之，上转换发光材料是一种具有广泛应用前景的新型材料。
其通过将低能量的光激发转换为高能量的发射，具有很高的上转换效率和可调控的发光特性。
上转换发光材料在太阳能电池、生物医学和光电器件等领域的应用前景广阔，将在未来的科研和产业中发挥重要作用。
第8讲上转换发光材料
第8讲上转换发光材料上转换发光材料是一种新型的发光材料，相比传统的下转换发光材料具有更高的照明效率和更广泛的应用范围。
本文将对上转换发光材料的原理、性能以及应用进行详细介绍。
上转换发光材料是通过将两个或多个低能量的光子转换成一个高能量的光子来实现发光的。
这种发光机制与传统的下转换发光材料不同，传统的下转换发光材料通过吸收高能量的光子后发出低能量的光子，而上转换发光材料则相反。
上转换发光材料可以将低能量的光直接转化为高能量的光，因此具有更高的发光效率。
上转换发光材料的原理主要包括以下几个方面：首先，需要有一个能够吸收低能量光子的发光体；其次，需要有一个能将吸收得到的能量转换为高能量光子的上转换剂。
当发光体吸收到低能量的光子后，会将能量传递给上转换剂，上转换剂再通过各种能量传递过程将能量聚集到一个特定的能级上，最后发出高能量的光子。
上转换发光材料的发光效率主要取决于上转换剂的吸收能力和能量传递效率。
上转换发光材料具有许多优点。
首先，上转换发光材料可以实现更高的发光效率。
由于上转换发光材料能够将低能量的光直接转换为高能量的光，因此可以提高发光效率，减少能源的消耗。
其次，上转换发光材料具有更广泛的应用范围。
传统的下转换发光材料主要用于照明和显示领域，而上转换发光材料还可以在光通信、生物医学和太阳能等领域得到应用。
上转换发光材料的应用前景十分广阔。
其中，光通信是上转换发光材料的一个重要应用领域。
由于上转换发光材料具有更高的发光效率和更低的损耗，因此可以有效提高光通信系统的传输速率和传输距离。
另外，上转换发光材料还可以应用于生物医学领域。
由于上转换发光材料具有更高的发射频率和更低的自发辐射强度，因此可以用于生物标记、光动力疗法和生物成像等应用。
此外，上转换发光材料还可以应用于太阳能领域。
太阳能电池是目前比较常见的太阳能转换设备，而使用上转换发光材料可以提高太阳能电池的光吸收效率和转换效率，从而提高太阳能发电效率。
上转换发光材料ppt课件
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引起的上转换发光对泵浦功率有
明显的依赖性，低于泵浦功率阀值时，只 存在很弱的上转换发光，而高于泵浦功率 阀值时，上转换发光强度明显增加，泵浦 光被强烈吸收。
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稀土五磷酸盐基质
在稀土五磷酸盐(HoP5O14) 非晶玻璃中相
继获得了紫外上转换发光和蓝绿波段的上转换 发光。
稀土五磷酸盐是一种化学计量比晶体,高浓度
掺杂,低猝灭,高增益和低阈值等优点使其受到 广泛应用。经特殊处理后成为非晶材料,它不仅 保存了晶态材料的优点,而且还克服了晶态材料 基质易开裂和不易加工的缺点。
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在(复合) 氧化物单晶中也有一些低声
子能量的材料,如YAl3 (BO3) 4 (192. 9cm-1) , ZnWO4 (199. 5cm-1) 。
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8.5.2 敏化发光
敏化上转换发光同样是提高上转换发光的 有效途径之一。例如:在氧化物中双掺 Yb3 + ,Tm3 + 离子,可使Tm3+ 离子的 上转换发光强度提高3个数量级以上。
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近年来采用氟氧化物微晶玻璃(玻璃陶瓷) 来
当基体是一种既方便又有效的方法。利用成核 剂诱发氟化物形成微小的晶相,并使稀土离子优 先富集到氟化物微晶中,稀土离子就被氟化物微 晶所屏蔽,而不与包在外面的氧化物玻璃发生作 用。这样,掺杂的氟氧化物微晶玻璃既具有了氟 化物的高转换效率,又具有了氧化物的较好的稳 定性。
和InGaAs LD 的发射波长分别位于979～
810nm、670～690nm 和940～990nm，
上转换发光材料
上转换发光材料
上转换发光材料通常由激发态离子和基态离子组成。
当激发态离子吸收高能光
子后，它会跃迁到一个更高的能级，然后再通过非辐射跃迁回到基态，释放出低能量的光子。
这个过程中，能量的损失会导致发射出的光子的波长变长，从而完成了上转换发光的过程。
上转换发光材料有着许多优点。
首先，它可以实现高效的发光，能够将电能转
化为光能，从而提高能源利用率。
其次，上转换发光材料可以实现多色光发射，通过控制材料的成分和结构，可以实现不同波长的发光，满足不同应用的需求。
此外，上转换发光材料还具有较长的寿命和稳定的性能，能够在恶劣的环境下工作。
在实际应用中，上转换发光材料被广泛应用于LED照明和显示屏领域。
LED
照明具有节能、环保、寿命长等优点，而上转换发光材料可以实现LED的多色发光，从而满足不同场合对光的需求。
在显示屏领域，上转换发光材料可以实现高亮度、高对比度的显示效果，提高了显示屏的质量和观赏性。
此外，上转换发光材料还在生物成像、激光器、光通信等领域有着重要的应用。
在生物成像领域，上转换发光材料可以实现多色荧光标记，用于细胞和组织的成像和检测。
在激光器领域，上转换发光材料可以实现激光器的多波长输出，满足不同应用对激光波长的需求。
在光通信领域，上转换发光材料可以实现高效的光源和探测器，提高了光通信系统的传输速率和稳定性。
总的来说，上转换发光材料在现代科技领域有着非常广泛的应用前景，它不仅
可以实现高效的发光，还可以实现多色发光，具有较长的寿命和稳定的性能。
随着科技的不断发展，相信上转换发光材料会有更多的应用场景和发展空间。
第9章 发光材料ppt课件
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三基色灯
三基色是指红、绿、蓝三种基本色光，荧光 灯用的红绿蓝三种基色荧光粉都以稀土元素 作为主要成分。三基色荧光灯就是在灯管上 涂有三基色稀土荧光粉，并填充高效发光气 体而制成的。三基色荧光灯是优质的绿色照 明产品，目前世界各国都在大力提倡和推广 的光源。在欧美和日本等发达国家，它已取 代了大部分的白炽灯，并逐步取代普通荧光 灯。
经紫外线消毒的房间，空气特
别清新。在公共场合，经紫外
线消毒，可避免一些病菌经空
气传播或经物体表面传播。长
寿命的紫外线杀菌灯在水消毒、 环保工程方面的应用意义重大。
紫外灯
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彩色荧光灯
彩色荧光灯灯管内壁涂有荧光粉，荧光粉 吸收紫外线的辐射能后发出可见光。荧光粉 不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可 做成白色和各种彩色的缘由。荧光灯的发光 效率远比白炽灯和卤钨灯高，是目前节能的 电光源。
彩色荧光灯
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高压汞灯
高压汞灯是玻壳内表 面涂有荧光粉的高压汞 蒸汽放电灯，发柔和的 白色灯光。结构简单， 低成本，低维修费用， 可直接取代普通白炽灯， 具有光效长，寿命长， 省电经济的特点。
高压汞灯
主要用于工业照明、仓库照明、街道照明、 泛光照明、安全照明等。 高压汞灯发出的光中 不含红色，它照射下的物体发青，因此只适于 广场、街道的照明。
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• 卤磷酸盐转换紫外光为可见光的效率较高， 发光特性稳定性好，易制成细颗粒，毒性 较小，但不能实现光效和光色同时提高。
• 稀土三基色荧光粉还具有耐高负荷、耐高 温的优异性能。
• Y2O3:Eu3+效率高、色纯度好、光衰性能稳定。
发光材料 ppt课件
光直接照射到材料上，被材料吸收并将多余 能量传递给材料，这个过程叫做光激发。这些多 余的能量可以通过发光的形式消耗掉。由于光激 发而发光的过程叫做光致发光。
光致发光高分子材料的定义
光致发光高分子材料是将荧光物质(芳香稠环、电 荷转移络合物或金属)引入高分子骨架的功能高分 子材料。
当分子中的一个电子吸收光能量被激发时，通
但是小分子发光材料在固态下易发生荧光猝 灭现象，一般掺杂方法制成的器件又容易聚集结 晶，器件寿命下降。因此众多的科研工作者一方 面致力于小分子的研究，另一方面寻找性能更好 的发光材料，高分子发光材料就应运而生了。
光致发光高分子材料
光致发光（Photoluminescence，简称 PL） 是冷发光的一种，指物质吸收光子（或电磁波） 后重新辐射出光子（或电磁波）的过程。从量子 力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光子 跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放 出光子的过程。
电致发光高分子材料发光原理
电致发光是通过正负电极向发光层的最高占有轨道 (HOMO)和最低空轨道(LUMO)分别注入空穴和电子,这些在 电极附近生成的空间电荷相对迁移,在发光层内,电子和空 穴相遇复合,形成激子,激子经过辐射衰变而发射可见光, 或者激发活性层中其他发射体分子而发光。
二、发光材料的分类
发光材料
（1） （2）
稀土上转换发光材料
稀土上转换发光及其光电产品推荐目录一、什么是上转换发光？二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理三、稀土上转换发光材料的应用四、相关光电产品推荐五、几个容易混淆的“上转换”概念一、什么是上转换发光？斯托克斯（Stokes）定律认为材料只能受到高能量的光激发，发射出低能量的光，即经波长短、频率高的光激发，材料发射出波长长、频率低的光。
而上转化发光则与之相反，上转换发光是指连续吸收两个或者多个光子，导致发射波长短于激发波长的发光类型，我们亦称之为反斯托克斯（Anti-Stokes）。
Figure 1.常规发光和上转换发光能级跃迁图Figure 2.样品被绿光激光激发之后产生荧光（左边样品为Stokes emission，右边样品为Anti-stokes emission）上转换发光在有机和无机材料中均有所体现，但其原理不同。
有机分子实现光子上转换的机理是能够通过三重态-三重态湮灭（Triplet-triplet annihilation，TTA），典型的有机分子是多环芳烃（PAHs）。
无机材料中，上转换发光主要发生在镧系掺杂稀土离子的化合物中，主要有NaYF4、NaGdF4、LiYF4、YF3、CaF2等氟化物或Gd2O3等氧化物的纳米晶体。
NaYF4是上转换发光材料中的典型基质材料，比如NaYF4:Er,Yb，即镱铒双掺时，Er做激活剂，Yb作为敏化剂。
本应用文章我们着重讲讲稀土掺杂上转换发光材料（Upconversion nanoparticles,UCNPs）。
二、镧系掺杂稀土上转换发光的发光原理无机材料有三个基本发光原理：激发态吸收(Excited-state absorption, ESA)，能量传递上转换(Energy transfer upconversion, ETU)和光子雪崩(Photon avalanche, PA)。
Figure 3.稀土上转换发光材料的发光原理(a)激发态吸收激发态吸收过程(ESA)是在1959年由Bloembergen等人提出，其原理是同一个离子从基态通过连续多光子吸收到达能量较高的激发态的过程，这是上转换发光最基本的发光过程。
稀土上转换发光纳米材料的研究.ppt
3、镧系掺杂发光纳米微粒的制备方法
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3.1 最基本的方法有两个：一是将大块的固体分裂成纳米 粒子；二是将最小单位(分子或原子)组合，在形成微粒时 控制粒子的生长，使其维持在纳米尺寸。
固相法
• 操作简单，但它对产物的形貌、大小以及粒径分 布等控制能力差，产物表面缺陷比较多。
气相法
• 能制得粒径小、尺寸分布窄的产物，但它对设备 要求高，难以大规模生产。
发现及 发展
应用
发光
UCNPs
机制
制备
方法
组成
3
1、稀土上转换发光材料的发展
4
1、1
1959 年 ， 用 960nm 的 红 外 光 激 发 多 晶 ZnS ， 观 察 到 了 525nm的绿色发光。
1962年，此种现象又在硒化物中得到了进一步的证实。
1966年， 法国科学家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，Er 3+、 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“上转换发光”的概念。
样品的扫描电镜图 a、 55000倍 b、 220000倍
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3.2.2 沉淀法
张俊文等制备的纳米上转换 发光材料Y2O2S：Yb，Er
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3.2.3 溶胶—凝胶法
基本原理是将金属醇盐或无机盐水解，然后使溶质聚合 凝胶化，再将凝胶干燥、烧培，最后得到无机材料。
3.2.4 微乳液法 所有化学反应都在液滴内部进行。
UCN Ps
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2.2 UCNPs的核/壳结构
Yb3+离子吸收光谱位于900～ 1000nm，具有较强的吸收系 数。
上转换材料及其发光机理
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 步传递过程中，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。
10-6
10-8 10-11 10-13
YF3;Yb3+,Tb3+
YbPO4 KH2PO4 CaF2;Eu2+
二、上转换材料
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 4I 4 11/2能级上的离子被积累，在 I11/2 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 4S ，然后由4S 能级产生绿色发 3/2 3/2 射（ 4S3/2 → 4I15/2 ），实现以近红 外光激发得到绿色发射。
发光要求
为了有效实现双光子或多光子效应，发光中心 的亚稳态需要有较长的能级寿命。稀土离子能级之间的跃迁 属于禁戒的f-f 跃迁，因此有长寿命，符合此条件。
能级3-2之间能量差与能级2-1之间的能量差相等。若某一辐射 的能量与上述能量差一致，则会发生激发，离子会从1激发到2， 如果能级2的寿命不是太短，则离子从2激发到3.最后就发生了 从3到1的发射。
上转换发光材料60页PPT
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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
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2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意 去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有 久久不会退去的余香。
上转换发光材料 4、守业的最好办法就是不断的发展。 5、当爱不能完美，我宁愿选择无悔，不管来生多么美丽，我不愿失 去今生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮 回里有你。
上转换材料及其发光机理PPT课件
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 多步的光子吸收实现上 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。
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三、实例分析
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。
发光要求 为了有效实现双光子或多光子效应，发光中心
的亚稳态需要有较长的能级寿命。稀土离子能级之间的跃迁 属于禁戒的f-f 跃迁，因此有长寿命，符合此条件。
能级3-2之间能量差与能级2-1之间的能量差相等。若某一辐射 的能量与上述能量差一致，则会发生激发，离子会从1激发到2， 如果能级2的寿命不是太短，则离子从2激发到3.最后就发生了 从3到1的发射。
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实际的上转换过程
能量传 递机理， 离子A 将能量 传递给 离子B， 从而能 够从更 高能级 发射
两步 吸收 机理， 仅由 一个 离子 完成
协同敏 化机理， 两个A离 子将能 量传递 给C离子， 由C的激 发产生 发射
协同发光 机理，将 两个A离 子的激发 能量结合， 形成一个 产生发射 的光量子
实力 YF3;Yb3+,Er3+
SrF2;Er3+ YF3;Yb3+,Tb3+
YbPO4 KH2PO4 CaF2;Eu2+
二、上转换材料
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4S3/2能级产生绿色发 射（ 4S3/2 → 4I15/2 ），实现以近红 外光激发得到绿色发射。
上转换发光基本知识ppt课件
上转换过程形式
优点：操作简单、流程短、能直接得到化学成分均一的粉体 材
料，可精确控制粒子的成核和长大，得到粒度可控、 分
散性较好的粉体材料 缺点：影响因素多、形成分散粒子的条件苛刻、沉淀剂容易 作
为杂质混入沉淀物、各成分分离困难、沉淀剂不溶于 水、
对多组分制备有一定的局限性等。
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分类：水溶液溶胶-凝胶法、醇盐溶液-凝胶法
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上转换过程形式
（四）共沉淀法 又称“化学沉积法”，以水溶性物质为原料，通
过液相化学反应，生成难溶物质前驱化合物从水溶液中沉 淀出来，经过洗涤、过滤、煅烧热分解而制得超细粉体发 光材料。
影响因素：溶液组成、浓度、温度、时间等。
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NaYF4是目前上转换发光效率最高的基质材料
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机理
可以把上转换过程归结为三种形式：激发态吸收、 能量传递及光子雪崩
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激发态吸收过程( ESA)
1959 年 Bloembergen 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。
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能量转移 ( ET)
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1979 年Chivian等研 究Pr 3 + 离子在 LaCl 晶体中的上转换发光 时首次提出。 “光 子雪崩”是 ESA 和 ET 相结合的过程
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上转换发光分类
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上转换材料的合成
上转换合成的方法： 1.高温固相法合成法 2.水热合成法 3.溶胶-凝胶法 4.共沉淀法
上转换发光机理及其应用
Up Conversion Photoluminescence Mechanism and Its Applications
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发光材料
主讲教师：陈国华1来自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
除此之外，上转换发光还要求多声子无辐 射跃迁几率处于较低的水平，因为低的多声子 无辐射跃迁几率除了能够保证长的激发态寿命 外，还可以保证上转换过程中的辐射跃迁不被 碎灭。
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除了掺杂稀土离子的浓度以及原料纯度 对上转换发光效率有明显的影响外,人们 就基质对稀土激活离子(RE3+ ) 的影响 已基本取得了共识:
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交叉驰豫(CR，Cross Relaxation)
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3 CR过程
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合作上转换(CU，Cooperative-
Upconversion）
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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。
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2000年Chen 等 对比研究了Er／Yb：
Successive Energy Transfer)
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。
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。
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频率上转换研究的这些发展一方面是由
上转换现象被Obrien B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50年代初的Kastler A，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。
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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,I2，
发生在同时位于激发态 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。
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8.3.3 “光子雪崩”过程 (PA ，Photon Avalanche)
PA过程取决于激发态上的粒子数积累，因
止，在稀土离子掺杂浓度足够高时，才会 发生明显的PA过程，另外，PA过程也只 需要单波长泵浦的方式，需要满足的条件 是泵浦光的能量与某一激发态与其向上能 级的能量差匹配。
图5 PA过程
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上转换发光影响因素
由于大部分上转换发光过程是分步进行的， 这就要求上转换过程的中间态能级有足够长的 寿命，以保证激发态离子有足够的时间来参与 上转换的发光或是其它的光物理过程。
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引起的上转换发光对泵浦功率有
明显的依赖性，低于泵浦功率阀值时，只 存在很弱的上转换发光，而高于泵浦功率 阀值时，上转换发光强度明显增加，泵浦 光被强烈吸收。
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。
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8.3 稀土离子上转换发光机理
8.3.1 激发态吸收(ESA， Excited State Absorption)
激发态吸收过程(ESA)是在1959 Bloembergen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。
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。
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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。
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8.2 上转换技术的发展
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“上转换
发光”的观点。
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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
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。
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8.3.2 能量传递上转换(ETU， Energy Transfer Upconversion)
连续能量转移(SET ，