第8讲上转换发光材料
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第8讲上转换发光材料
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。
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。
第8讲上转换发光材料
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。
第8讲上转换发光材料
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。
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。
第8讲上转换发光材料
8.2 上转换技术的发展
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。
第8讲上转换发光材料
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。
第8讲上转换发光材料
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)
第8讲上转换发光材料
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。
第8讲上转换发光材料
图3 CR过程
合作上转换(CU，Cooperative-
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。
第8讲上转换发光材料
图5 PA过程
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
课程名称：
发光材料
第8讲上转换发光材料
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。
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。
Upconversion）
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。
第8讲上转换发光材料
8.3.3 “光子雪崩”过程 (PA ，Photon Avalanche)
第8讲上转换发光材料
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。
第8讲上转换发光材料
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；
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，
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。
第8讲上转换发光材料
8.3.2 能量传递上转换(ETU， Energy Transfer Upconversion) 连续能量转移(SET ，
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。
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。
第8讲上转换发光材料
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。
第8讲上转换发光材料
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。
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。
第8讲上转换发光材料
8.2 上转换技术的发展
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。
第8讲上转换发光材料
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。
第8讲上转换发光材料
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)
第8讲上转换发光材料
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。
第8讲上转换发光材料
图3 CR过程
合作上转换(CU，Cooperative-
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。
第8讲上转换发光材料
图5 PA过程
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
课程名称：
发光材料
第8讲上转换发光材料
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。
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。
Upconversion）
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。
第8讲上转换发光材料
8.3.3 “光子雪崩”过程 (PA ，Photon Avalanche)
第8讲上转换发光材料
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。
第8讲上转换发光材料
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；
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，
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。
第8讲上转换发光材料
8.3.2 能量传递上转换(ETU， Energy Transfer Upconversion) 连续能量转移(SET ，