上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理與發(fā)光材料整理

1、上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理與發(fā)光材料一、背景早在 1959年就出現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換發(fā)光的報(bào)道， Bloemberge 在Physical Review Letter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，Auzel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YbT離子時(shí)，Er3+、HCT和TnV離子在紅外光激發(fā)時(shí)，可見(jiàn)發(fā)光幾乎提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)， 由此正式提出了“上轉(zhuǎn)換發(fā)光”的觀點(diǎn)。二、上轉(zhuǎn)換發(fā)光機(jī)理上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)光機(jī)理是基于雙光子或者多光子過(guò)程。 發(fā)光中心 相繼吸收兩個(gè)或多個(gè)光子， 再經(jīng)過(guò)無(wú)輻射弛豫達(dá)到發(fā)光能級(jí)， 由此躍 遷到基態(tài)放出一可見(jiàn)光子。

2、 為了有效實(shí)現(xiàn)雙光子或者多光子效應(yīng)， 發(fā) 光中心的亞穩(wěn)態(tài)需要有較長(zhǎng)的能及壽命。 稀土離子能級(jí)之間的躍遷屬 于禁戒的 f-f 躍遷，因此有長(zhǎng)的壽命，符合此條件。迄今為止，所 有上轉(zhuǎn)換材料只限于稀土化合物。三、上轉(zhuǎn)換材料上轉(zhuǎn)換材料是一種紅外光激發(fā)下能發(fā)出可見(jiàn)光的發(fā)光材料， 即將 紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光的材料。 其特點(diǎn)是所吸收的光子能量低于發(fā)射的 光子能量。 這種現(xiàn)象違背了 Stokes 定律，因此又稱反 Stokes 定律發(fā) 光材料。1、摻雜丫聲和Er3+的材料Yb3+(2F7/2-乍5/2)吸收近紅外輻射，并將其傳 遞給 Er ，因?yàn)?Er 的 I 11/2 能級(jí)上的離子被積累，在 I 11/2 能

3、級(jí)的壽命 為內(nèi)，又一個(gè)光子被Yb3+吸收，并將其能量傳遞給Er3+，使Er3+離子 從 4I 11/2 能級(jí)躍遷到 4F7/2 能級(jí)。快速衰減，無(wú)輻射躍遷到 4S3/2 ，然后由 S2能級(jí)產(chǎn)生綠色發(fā)射(S2 f I 15/2 ),實(shí)現(xiàn)以近紅外光激發(fā)得到綠 色發(fā)射。2、摻雜丫聲和TnV的材料通過(guò)三光子上轉(zhuǎn)換過(guò)程， 可以將紅外輻射轉(zhuǎn)換為藍(lán)光發(fā)射。 第一 步傳遞之后，TriV的3H5能級(jí)上的粒子數(shù)被積累，他又迅速衰減到 3F4 能級(jí)。在第二部傳遞過(guò)程中，Tm從F4能級(jí)躍遷到F2能級(jí)，并又快 速衰減到H。緊接著，在第三步傳遞中，Tm從3HI能幾月前到1G能 級(jí)，并最終由此產(chǎn)生藍(lán)色發(fā)射。3、摻雜Er3+

4、或TnV的材料僅摻雜有一種離子的材料， 是通過(guò)兩步或者更多不的光子吸收實(shí) 現(xiàn)上轉(zhuǎn)換過(guò)程。單摻Er*的材料，吸收800nm的輻射，躍遷至可產(chǎn)生 綠色發(fā)射的4S3/2能級(jí)。單摻TnV的材料吸收650nm的輻射，被激發(fā)到 可產(chǎn)生藍(lán)色發(fā)射的1D2能級(jí)和 心能級(jí)。四、優(yōu)點(diǎn)上轉(zhuǎn)換發(fā)光具有如下優(yōu)點(diǎn)： 可以有效降低光致電離作用引起基 質(zhì)材料的衰退； 不需要嚴(yán)格的相位匹配， 對(duì)激發(fā)波長(zhǎng)的穩(wěn)定性要求 不高；輸出波長(zhǎng)具有一定的可調(diào)諧性。五、稀土上轉(zhuǎn)換材料的應(yīng)用隨著頻率上轉(zhuǎn)換材料研究的深入和激光技術(shù)的發(fā)展， 人們?cè)诳紤]拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域和將已有的研究成果轉(zhuǎn)換成高科技產(chǎn)品。 上轉(zhuǎn)換發(fā)光 在上轉(zhuǎn)換激光器、 光纖放大器、 三維

5、立體顯示和防偽領(lǐng)域都具有很好 的應(yīng)用前景。 上轉(zhuǎn)換研究的一個(gè)主要應(yīng)用， 是以它作為泵浦機(jī)制來(lái)實(shí) 現(xiàn)籃、綠和紫波段的激光器。上轉(zhuǎn)換激光器以其體積小、可產(chǎn)生可見(jiàn) 光波長(zhǎng)的激光倍受重視。隨著 80 年代半導(dǎo)體激光器的迅速發(fā)展和稀土離子摻雜的玻璃光 纖質(zhì)量的提高，以半導(dǎo)體激光器作共振泵浦的上轉(zhuǎn)換光纖激光器的研 究以其轉(zhuǎn)換效率高、激光閾值低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)良性引 起了重視。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 人們已經(jīng)不滿足于現(xiàn)有的信息成果。 在顯示領(lǐng)域中，由于經(jīng)濟(jì)、科技、教育、交通等領(lǐng)域的需要，以實(shí)現(xiàn) 逼真及大容量信息顯示的三維立體顯示越來(lái)越適應(yīng)人們的要求， 并要 求顯示器能夠顯示更多、 更快和更復(fù)雜的立體圖像。 上轉(zhuǎn)換三維立體 顯示器正是適應(yīng)這種要求而產(chǎn)生的， 它不僅可以再現(xiàn)各種實(shí)物的立體 圖像，而且可以隨心所欲的顯示各類計(jì)算機(jī)處理的高速動(dòng)態(tài)立體圖 像。六、目前存在的問(wèn)題 稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光材