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光电子技术系光电工程专业 发光材料与器件 西安邮电大学电子工程学院 第八讲 上转换荧光粉 The 2014 Nobel Prize in Physics Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize in Physics Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize Something about the 2014 Nobel Prize 第八讲 上转换荧光粉 应用：电子俘获材料 应用：电子俘获材料 5.9.2 上转换过程及机理 能量传递 (ETU) 合作上转换（CU） 发生过程：如果多两个或多个中心参与敏化和发光过程时, 就会发生合作上转换过程。所谓合作上转换, 就是两个或多个离子将能量传递给一个离子, 而使此离子从基态跃迁到激发态的过程。 5.9.2 上转换过程及机理 光子雪崩过程 (PA) 处于较高的发光能级3 的一个离子与处于基态的另一个离子发生交叉弛豫作用, 结果导致两个离子都处于激发态能级2 上, 然后再发生激发态吸收, 又进入能级3。这样重复进行交叉弛豫和激发态吸收, 就使得处于基态的离子数目减少, 而处于储存能级2 和发光能级3 的离子数目不断增加, 从而发生雪崩效应。 5.9.2 上转换过程及机理 光子雪崩过程特征 ①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; ②PA引起的上转换发光对泵浦功率有明显的依赖性, 低于泵浦功率阈值时, 只存在很弱的上转换发光, 而高于泵浦功率阈值时, 上转换发光强度明显增加, 泵浦光被强烈吸收。 5.9.2 上转换过程及机理 光子雪崩过程特征 高激发态与泵浦能级发生交叉弛豫后到达发光能级, 然后发出1个光子, 而泵浦能级则跃迁到储存能级。 5.9.2 上转换过程及机理 光子雪崩过程特征 处于发光能级的离子发出了1 个光子回到较低的能级, 然后与泵浦能级之间发生交叉弛豫, 一起结束于储存能级处。 5.9.3 上转换发光材料 材料研制及理论建立阶段 第一个阶段是从发现上转换现象到上转换产生机制的研究, 初步建立了3种最基本的上转换机制, 即基态吸收/激发态吸收机制、基态吸收/ 交叉弛豫机制、雪崩交叉弛豫机制。 第二个阶段是各种上转换材料的研制,对上转换材料的组成及其特性作了系统的研究, 得到了各种类型的优质上转换材料。 第三个阶段是对新的上转换机制以及上转换性能与材料的组成、结构、形成工艺条件等对应关系的研究。 5.9.3 上转换发光材料 上转换材料中的稀土发光离子 上转换材料可以分为单掺杂和双掺杂两种。由于上转换发光利用的是稀土离子的f-f 禁戒跃迁, 对激发能量吸收强度不高, 所以一般利用双掺杂的方式, 掺入高浓度的敏化离子, 增强激活离子的发光强度。 5.9.3 上转换发光材料 上转换材料中的稀土发光离子 Yb(3+)由于能级结构的特殊性, 在950～1000nm 激光区有很强的2_ F_7/2 →2_F_5/2 跃迁吸收, 其激发态高于Er3 + 、Ho3 + 和Tm3 + 的激发亚稳态, 所以Yb(3+) 常作为这些离子的敏化剂, 它的引入可以通过能量转换传递增强共掺杂的稀土离子的上转换发光效率。 5.9.3 上转换发光材料 上转换材料中的稀土发光离子 Er3 + 、Yb3 + 共掺氟氧化物红光发射上转换能量传递过程示意图 5.9.3 上转换发光材料 上转换材料中的稀土发光离子 Ho(3+) 离子的上转换发光 5.9.3 上转换发光材料 上转换材料中的稀土发光离子 Pr(3+) 离子的上转换发光 970nm 泵浦条件下, 氟化铟基玻璃中Yb 3 + 敏化Pr3 + 离子的上转换光谱表明, 产生3 P0 →3 H4 跃迁导致的蓝光、3 P0 →3 H5 跃迁导致的绿光、3 P0 →3 F2 跃迁和3 P0