發(fā)光原理實驗指導(dǎo)書

1、電子科技大學光電信息學院本科教學實驗指導(dǎo)書（實驗）課程名稱： 發(fā)光原理基礎(chǔ)電子科技大學教務(wù)處制表實驗一、材料的光致發(fā)光研究一、實驗?zāi)康?1、了解發(fā)光材料的激發(fā)和發(fā)射過程2、掌握用熒光分光光度計測量發(fā)光材料激發(fā)光譜和發(fā)射光譜的測量方法二、實驗原理：發(fā)光材料在人們的日常生活和生產(chǎn)實踐中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，適當?shù)?材料吸收高能輻射后，接著就發(fā)出光，其發(fā)射出的光子能量比激發(fā)輻射的能量低。 具有這種發(fā)光行為的物質(zhì)就稱為發(fā)光物質(zhì)。發(fā)光物質(zhì)在將某種形式的能量轉(zhuǎn)化為電磁輻射時，僅伴隨極少量的熱輻射，因此與熱輻射發(fā)光具有本質(zhì)的區(qū)別。發(fā)光材料由基質(zhì)和激活劑(發(fā)光中心)組成，例如典型的發(fā)光物質(zhì)A12O3：時的能

2、量與位形的關(guān)系。拋物線的最低點表示離子處于平衡位置時的能量。若將金屬離子與配位體當作一個諧振子，其振動總能量為Ev = (v + 1) V，其中，V是諧振量子數(shù)，v=0，1，2,正2圖2：位形坐標圖中在兩個發(fā) 生相對位移的拋物線間的光吸 收躍遷所引起的寬帶吸收示意整數(shù)；V是諧振子的振動頻率。在絕對零度時，在最低振動能級v 0時系統(tǒng)最 有可能處在R0點。發(fā)光中心占據(jù)基態(tài)最低振動能級，中心離子周圍的配位體在 距中心大約為R0的位置上作平衡振動。在較高 溫度下，也可占據(jù)較高的振動能級。上述關(guān)于基態(tài)的論述同樣適用于激發(fā)態(tài)，只 是具有不同的平衡位置和鍵力常數(shù)。在圖1中上 部那條拋物線e就表示系統(tǒng)處于激發(fā)

3、態(tài)時的情 況，它的拋物線位移了 R。光吸收的躍遷從最低振動能級開始，因此， 大多數(shù)拋物線躍遷發(fā)生在R0處，此處的振動波 函數(shù)具有最大值（見圖2）躍遷在激發(fā)態(tài)拋物線 的邊緣結(jié)束，因為此時激發(fā)態(tài)的振動能激具有最 大振幅，該躍遷對應(yīng)于吸收帶的最大值。盡管可 能性較小，躍遷還有可能從比R0大或小的R開 始，這樣就產(chǎn)生了譜帶的寬度。因為在RR0時 的躍遷能量差要小于R=R0時的躍遷能量差，RR0時，則相反。若吸收發(fā)生在寬的吸收帶，則將發(fā)光中心帶到高的激發(fā)態(tài)振動能級。中心先 回到較低的激發(fā)態(tài)振動能級，將多余的能量釋放給周圍的環(huán)境。還可以采用另一綜上所述，光吸收和輻射與發(fā)光材料中發(fā)光中心的能級結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，

4、因此， 紫外光激發(fā)熒光粉發(fā)光是研究發(fā)光材料發(fā)光性能和發(fā)光中心在基質(zhì)晶格中能級 結(jié)構(gòu)的重要手段。本實驗采用970CRT熒光分光光度計來研究發(fā)光材料的激發(fā)光 譜和發(fā)射光譜。970CRT熒光分光光度計的光學 系統(tǒng)從功能上劃分可分為兩大部分（如圖4所示），即激發(fā)光路和發(fā)射 檢測光路。激發(fā)光路將光源發(fā)出的光 分解為單色光輸出，照射到發(fā)光材料 上激發(fā)熒光粉發(fā)光。發(fā)光材料發(fā)出的 光進入發(fā)射光檢測光路，被分解為單 色光照射到光電倍增管上，光電倍增管輸出信號的強度與照射到其上面的發(fā)- 射： 檢：測：路:部. 分光電倍坤管光柵單色儀2樣品信號輸出光柵單色儀10氙燈激發(fā)光路部分間的差值稱為STOKES位移。顯然，A

5、R越大，STOKES位移越大，吸收、發(fā) 射帶越寬。圖4、970CRT工作原理簡圖 光強度呈正比。根據(jù)熒光分光光度計的光學系統(tǒng)原理，如果固定發(fā)射光檢測光路的輸出波長 EM，改變激發(fā)光的波長即可以得到此發(fā)光材料在發(fā)射波長為EM時的激發(fā)光譜。 通過激發(fā)光譜可以確定發(fā)光材料所發(fā)射的波長為EM的發(fā)射光是由什么樣的吸 收光所激發(fā)的。同樣，也可以測量發(fā)光材料的發(fā)射光譜。三、實驗儀器與材料：1、970CRT熒光分光光度計；2、熒光粉；3、硝棉溶液；4、玻片；5、退火爐。四、實驗步驟A、實驗準備1、取少量熒光粉與硝棉溶液混合制成熒光粉漿；2、將熒光粉漿涂敷在玻璃基片上3、將涂敷了熒光粉漿的玻片放入退火爐，升溫至

6、450C，保溫30min,使硝 棉分解4、從退火爐中取出玻片，冷卻后放入970CRT熒光分光光度計樣品室5、按操作規(guī)程依次打開氙燈電源、主機電源、打印機電源、監(jiān)視器電源和 計算機電源6、初始化完成后點擊圖譜掃描快捷鍵進入圖譜掃描B、預(yù)掃描1、點擊參數(shù)設(shè)置按鈕設(shè)置掃描參數(shù)如下：掃描方式：EM掃描；EX波長200400nm范圍內(nèi)設(shè)定；EM掃描范圍：400800nm靈敏度：6； EX縫寬：2； EM縫寬：5；2、按掃描鍵按鈕開始掃描，此時，紅燈亮、綠燈滅，掃描完成后保存圖譜。3、根據(jù)掃描情況，調(diào)整靈敏度和狹縫寬度使輸出圖譜強度合適。4、改變EX波長，重復(fù)進行EM掃描。5、掃描完成后打開圖譜，找出發(fā)射

7、峰的位置，打印輸出。C、激發(fā)光譜掃描1、點擊參數(shù)設(shè)置按鈕，設(shè)置掃描方式為EX掃描，EM波長設(shè)置為發(fā)射峰的波長值，EX波長范圍設(shè)置為200400nm2、掃描完成激發(fā)光譜測量，打印輸出D、發(fā)射光譜掃描1、設(shè)置掃描方式為EM掃描，EX設(shè)定為激發(fā)光譜峰值波長，EM波長范圍為 400800nm2、掃描完成激發(fā)光譜掃描，打印輸出。E、激發(fā)光譜內(nèi)不同波長激發(fā)光的發(fā)射光譜1、選擇激發(fā)光波長為EX峰值波長及激發(fā)光譜中的其他波長，重復(fù)完成EM 掃描2、打開圖譜，打印輸出F、發(fā)射光譜內(nèi)不同波長發(fā)射光的激發(fā)光譜1、選擇發(fā)射光波長為EM峰值波長及發(fā)射光譜中的其他波長，重復(fù)完成EX 掃描2、打開圖譜，打印輸出G、STOK

8、ES位移計算同時打開激發(fā)光譜（EM為峰值波長）和發(fā)射光譜（EX為峰值波長）曲線，打印輸出H、結(jié)束實驗I、按開機相反順序關(guān)閉儀器電源。2、取出樣品。五、實驗報告：1、記錄發(fā)光材料的涂敷過程，尤其注意焙燒過程中熒光粉薄膜的變化，并 分析其原因；2、比較不同激發(fā)光波長激發(fā)下熒光粉的發(fā)射光譜以及不同發(fā)射光波長時激 發(fā)光譜的情況；3、將激發(fā)光譜與發(fā)射光譜進行比較，取最大峰值波長計算stokes位移。六、注意事項1、熒光分光光度計屬于精密光學儀器，使用中嚴禁拍打和強烈震動2、氙燈點燃和關(guān)閉時會產(chǎn)生高壓脈沖，在系統(tǒng)工作過程中禁止關(guān)閉氙燈電 源。3、樣品室請勿長時間打開，以免灰塵玷污光學元件。實驗二、發(fā)光材料

9、的溫度猝滅特性一、實驗?zāi)康模?、掌握固體發(fā)光材料的溫度猝滅特性；2、掌握970 CRT熒光分光光度計的時間掃描功能的使用。二、實驗原理：在發(fā)光材料中，無輻射躍遷與輻射躍遷同時存在，是輻射躍遷的競爭過程。 圖4所示為五輻射躍遷的一種過程，箭頭所示為高溫下從e到g的無輻射躍遷過 程，它對中心的發(fā)光有猝滅作用，降低材料的發(fā)光效率。如果溫度足夠高，則在最初的激發(fā)態(tài)B點處不是失去振動能而是得到更多的 振動能 E達到e上的F點，使系統(tǒng)有可能沿FDA曲線無輻射馳豫到基態(tài)的A 點附近，激發(fā)能完全以熱能的形式消散到品格中，當B點本來就比F點高，猝 滅就更容易發(fā)生了。越容易發(fā)生溫度猝滅，猝滅溫度越低。如果B點低于

10、F點，那末就需要 較高的溫度才能使發(fā)光中心獲得能 量 E，發(fā)生猝滅。已知從B點到F 點躍遷概率與exp(1 + e-aE/kT)成正 比，那么，發(fā)光強度I與溫度T的關(guān) 系可由下式表達：I = I /(1 + e-aE/kT )該模型解釋了發(fā)光的溫度猝滅 現(xiàn)象。 R越大，交點F與C點越接近，本實驗通過測量加熱狀態(tài)下熒光粉的發(fā)光強度隨溫度的變化，研究特定熒光 粉的溫度猝滅特性。三、實驗儀器與材料:1、970CRT熒光分光光度計;2、熒光粉；3、硝棉溶液；4、玻片；5、退火爐；6、PID溫度控制儀。四、實驗步驟1、按照實驗一步驟測量熒光粉薄膜的激發(fā)光譜與發(fā)射光譜，確定激發(fā)光譜 與發(fā)射光譜的峰值波長。

11、2、用軟件的“to久”功能，設(shè)定激發(fā)光與發(fā)射光的波長。3、打開圖譜掃描，進行參數(shù)設(shè)置，修改掃描設(shè)置為時間掃描以及激發(fā)與發(fā) 射光的波長4、設(shè)定PID溫度控制儀的升溫速度為5度/分鐘5、記錄顯示溫度，同時開始圖譜掃描6、掃描結(jié)束后記錄顯示的溫度，關(guān)閉加熱電源及溫控電源。7、保存圖譜后打開圖譜，移動鼠標，讀出不同時間的相對發(fā)光強度。8、打印輸出后按關(guān)機步驟關(guān)閉分光光光度計。五、試驗報告：1、每1分鐘記錄加熱溫度，以圖表與曲線形式給出；2、給出發(fā)光強度隨時間變化的曲線3、根據(jù)記錄的溫度時間關(guān)系以及發(fā)光強度-時間關(guān)系變換出發(fā)光強度-溫度 關(guān)系，以圖表與曲線形式給出4、分析發(fā)光強度-溫度關(guān)系六、注意事項1

12、、熒光分光光度計屬于精密光學儀器，使用中嚴禁拍打和強烈震動2、氙燈點燃和關(guān)閉時會產(chǎn)生高壓脈沖，在系統(tǒng)工作過程中禁止關(guān)閉氙燈電 源。3、樣品室請勿長時間打開，以免灰塵玷污光學元件。4、接通加熱電源時檢查有無短路情況。附錄：970CRT熒光分光光度計使用說明書 970CRT儀器構(gòu)成圖1儀器組成圖儀器由1：主機2：計算機3：打印機，通過電纜連接成整機系統(tǒng)。圖2主機與計算機及打印機的連接圖。操作使用連接好所有電纜和電源線。開機步驟：（1）開氙燈電源（2）開主機電源（3）開打印機電源（4）開計算機電源。關(guān)機步驟：（1）關(guān)計算機電源一（2）關(guān)打印機電源一（3）關(guān)主機電源-（4）關(guān)氙燈電源。開氙燈電源后氙燈

13、點亮指示應(yīng)有紅光，反之未點亮。圖3氙燈點亮指示開計算機后儀器自動進入初始化，初始化大約需要5分鐘時間。圖4初始化界面注意：初始化時請不要對計算機進行任何操作。儀器初始化后工作參數(shù)已經(jīng)設(shè)置為：（1）EX當前波長：350nm。（2）EM當前波長：397nm。（3）EX掃描范圍：200nm-800nm。（4）EM掃描范圍：200nm-800nm。（5）EX縫寬：10nm。EM縫寬：10nm。（6）掃描速度：高速。（7）靈敏度：第一位（最低擋）。（8）掃描方式：EM掃描。初始化結(jié)束后儀器進入操作界面。上行為開工菜單，下行為快捷操作鍵。圖5操作界面（1）文件；用鼠標左鍵單擊本框后，可以選擇：數(shù)據(jù)庫文件；

14、打印機設(shè) 置（出廠時已設(shè)置好，如果要更改打印機，用戶可重新設(shè)置）；退出PDQFL工 作狀態(tài)（關(guān)機前退出）的操作。（2）定性分析；用鼠標左鍵單擊本框后，可以選擇：圖譜掃描；圖譜分 析；圖譜運算功能。（3）定量分析；用鼠標左鍵單擊本框后，可以選擇：繪制標準曲線；測 定樣品濃度等功能。（4）設(shè)置及測試；用鼠標左鍵單擊本框后，可以選擇：參數(shù)設(shè)置；S/N 比測定等功能。（5）幫助；使用中如有什么問題可參閱本項內(nèi)容。（6）在進行定量或定性分析前首先須選設(shè)置及測試中的參數(shù)設(shè)置，在 參數(shù)設(shè)置項中設(shè)置好掃描方式；EX波長和EM波長范圍或時間掃描的時間，同 時設(shè)置好靈敏度；掃描速度及EX和EM縫寬。利用仁-圖譜掃描快捷鍵進入 圖譜或時間掃描。按窗鍵開始掃描，此時紅燈亮，綠燈滅。注意：在掃描過程中請勿進行任何操作，無特殊情況不要終止掃描，直至綠 燈亮，這樣才能掃出完整圖譜。利用m圖譜分析快捷鍵進入圖譜分析。（1）先打開所需分析圖譜（1-6個）。（2