上转换发光机理与发光材料整理
上转换发光过程
上转换发光过程上转换发光过程一、引言上转换发光是一种基于荧光材料的发光技术，具有高效、可靠、稳定等特点，在LED照明、显示技术等领域得到广泛应用。
本文将详细介绍上转换发光的基本原理、材料选择和制备方法。
二、基本原理上转换发光是通过荧光材料将短波长的激发能量转化为长波长的可见光能量。
其基本原理如下：1. 荧光材料吸收能量：荧光材料吸收外部能量，如紫外线或蓝色LED 等，使其处于激发态。
2. 能量传递：激发态的荧光分子通过与周围分子碰撞而失去部分能量，并将这些能量传递给其他分子，直到最终传递到某个分子，使其达到激发态。
3. 上转换：当这个分子从激发态回到基态时，它会释放出一个比吸收时更长波长的光子，即进行了上转换。
4. 发射：释放出来的可见光经过进一步处理后形成人眼可以看到的彩色光。
三、材料选择荧光材料是实现上转换发光的关键因素。
选择合适的荧光材料可以提高发光效率、改善颜色均匀性、减少能量损失等。
常见的荧光材料有以下几种：1. 稀土离子：稀土离子是目前最常用的上转换发光材料之一，其具有较高的量子产率和较窄的发射带宽，可以实现高效率、纯净度高的发光效果。
2. 有机分子：有机分子荧光材料具有较宽的吸收带宽和调制性能，可以实现广泛的颜色选择和调节。
3. 无机晶体：无机晶体荧光材料具有较高的热稳定性和抗氧化性能，可以应用于高温环境下的照明等领域。
四、制备方法1. 溶液法：溶液法是一种简单易行且成本低廉的制备方法。
通常采用水热法或油相法将荧光物质与基质混合制备出上转换发光粒子。
2. 气相沉积法：气相沉积法是一种基于物理气相沉积技术的制备方法，通过控制反应条件和材料选择，可以实现高质量、高纯度的上转换发光材料。
3. 溅射法：溅射法是一种常用的制备薄膜的技术，通过在基底上溅射荧光材料形成薄膜，可以实现高效率、均匀性好的上转换发光薄膜。
五、结论上转换发光技术是一种高效、可靠、稳定的发光技术，在LED照明、显示技术等领域有着广泛应用。
上转换材料及其发光机理
上转换材料及其发光机理传统的荧光发光机理是通过吸收高能量光，然后再辐射出低能量的可见光。
而上转换材料的发光机理则是在光激发的条件下，将两个或多个低能量光子转变为一个高能量光子。
这种非线性的发光过程在自然界中极为罕见，但在上转换材料中可以被实现。
这种不同的发光机理大大提高了材料的发光效率和发光颜色的可调性。
上转换材料一般由稀土离子掺杂的晶体或纳米颗粒组成。
稀土离子具有特殊的能级结构，使其在光激发后能够发生上转换过程。
这些稀土离子通常是从镧系元素中选择，如铒、钆、铽等。
它们的激发能级之间存在能级差，可以产生上转换。
首先，上转换材料吸收低能量光，将其激发到高能量态的能级上。
这个步骤类似于传统的荧光发光机制。
然后，在高能量态的能级上，经过一系列的能级跃迁，将能量转移到低能量态的能级上。
这些能级跃迁发生的过程符合量子力学的选择规则，只有特定的能级跃迁才能够发生。
最后，当稀土离子从高能量态能级回到低能量态能级时，通过相应的能级跃迁过程，产生一个高能量的光子。
这个光子的能量大于输入的光子能量，完成了上转换发光。
由于上转换的发生是非线性的过程，上转换材料可以实现比传统荧光材料更高的发光效率。
值得注意的是，上转换材料的发光颜色可以通过控制稀土离子的选择和浓度来改变。
不同的稀土离子对应不同的能级跃迁过程，从而产生不同的发光颜色。
这使得上转换材料具有广泛的应用潜力，例如在生物医学成像、显示技术和激光技术等方面。
总之，上转换材料是一类非常有趣和有用的材料，其发光机理通过稀土离子的能级跃迁实现。
上转换材料的发光效率高且能够调控发光颜色，为其在多个领域的应用提供了良好的前景。
随着对其发光机理的深入研究和材料性能的改进，上转换材料有望在未来得到更广泛的应用。
上转换发光机理与发光材料整理
上转换发光机理与发光材料一、背景早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloemberge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，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，Er3+、H03+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。
二、上转换发光机理上转换材料的发光机理是基于双光子或者多光子过程。
发光中心相继吸收两个或多个光子，再经过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。
为了有效实现双光子或者多光子效应，发光中心的亚稳态需要有较长的能及寿命。
稀土离子能级之间的跃迁属于禁戒的f-f 跃迁，因此有长的寿命，符合此条件。
迄今为止，所有上转换材料只限于稀土化合物。
三、上转换材料上转换材料是一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，即将红外光转换为可见光的材料。
其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量。
这种现象违背了Stokes定律，因此又称反Stokes定律发光材料。
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。
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。
在第二部传递过程中，Tm3+从3F4能级跃迁到3F2能级，并又快速衰减到3H4。
发光学与发光材料复习总结终极版-参考资料
第一章发光学与发光材料1、发光:当某种物质受到激发（射线、高能粒子、电子束、外电场等）后，物质将处于激发态，激发态的能量会通过光或热的形式释放出来。
如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁辐射，此过程称之为发光过程。
2、单重态：一个分子中所有电子自旋都配对的电子状态三重态：有两个电子的自旋不配对而平行的状态3.振动弛豫：由于分子间的碰撞，激发态分子由同一电子能级中的较高振动能级转至较低振动能级的过程，其效率较高。
4.内转换：相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级回到低能级的分子内过程。
5.系间窜越：激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多重态发生变化的过程。
6.外转换：激发态分子与溶剂或其他溶质相互作用和能量转换而使荧光（或磷光）减弱甚至消失的过程。
7.荧光：受光激发的分子经振动驰豫、内转换、振动驰豫到达第一电子激发单重态的最低振动能级，以辐射的形式回到基态，发出荧光。
8.磷光：若第一激发单重态的分子通过系间窜跃到达第一激发三重态，再通过振动驰豫转至该激发的最低振动能级，然后以辐射的形式回到基态，发出的光线称为磷光。
9.光致发光：用光激发产生的发光叫做光致发光。
10.电致发光：用电场或电流激发产生的发光。
11.阴极射线发光：发光物质在电子束的激发下产生的发光。
荧光灯：是一种充有氩气的低气压汞蒸气的气体放电灯，在低压汞蒸气放电过程中会产生大量的波长为253.7mm的紫外线，以及少量波长为185nm的紫外线和可见光。
在灯管表面涂有荧光粉，可以将波长为253.7nm的紫外线转化为可见光。
11.激光器的基本结构包括三部分,即工作物质、激励能源和光学谐振腔。
12.等离子体：是指正负电荷共存，处于电中性的放电气体的状态。
14.晶体：有许多质点包括原子、离子、分子或原子群，在三维空间作有规则排列而成的固体物质。
单晶：整个晶格是连续的。
多晶：有大量小单晶颗粒组成的集体。
非晶：组成物质的原子或离子的排列不具有周期性。
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
上转换发光材料上转换发光的概念：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。
本质上是一种反-斯托克斯（Anti-Stokes）发光，即辐射的能量大于所吸收的能量。
斯托克斯定律认为材料只能受到高能量的光激发，发出低能量的光，换句话说，就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。
比如紫外线激发发出可见光，或者蓝光激发出黄色光，或者可见光激发出红外线。
但是后来人们发现，其实有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，于是我们称其为反斯托克斯发光，又称上转换发光。
上转换发光技术的发展：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。
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。
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。
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。
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。
上转换发光材料及发光效率研究及展望
上转换发光材料及发光效率研究及展望在现代的光电子技术领域，上转换发光材料是一种十分重要的材料，其可以将低能量的光转换为高能量的光，并且具有高效率的特点。
上转换发光材料在LED制造、激光技术以及生物分析等领域都有着广泛的应用，并且在未来还有很大的发展潜力。
上转换发光材料的主要原理是通过吸收低能量的光，并将其能量由非辐射跃迁转移到高能级激发态，从而发射出高能量的光。
一种常见的上转换发光材料是稀土离子掺杂材料，如YAG：Ce材料。
在这个材料中，铈离子可以吸收紫外光，并将其转移到高能级的氧空位，然后通过辐射跃迁释放出蓝光。
为了提高上转换发光材料的发光效率，目前的研究主要集中在两个方面：一是优化材料的结构和组分，二是改善能量传输的过程。
对于材料的结构和组分的优化，研究人员通过调节材料的晶格结构、掺杂浓度以及添加辅助剂等方式来提高发光效率。
例如，研究人员改变YAG材料的晶格结构，将其转变为纳米晶体，可以增强材料的上转换发光效率。
此外，通过调节掺杂浓度和添加适量的辅助剂，也可以有效地改善材料的上转换效果。
另一方面，改善能量传输的过程也是提高上转换发光效率的关键。
目前，研究人员主要采用能量转移杂化的方法来实现高效能量传输。
通过将异质结构、量子点等功能层引入上转换发光材料中，可以实现能量转移的优化，从而提高发光效率。
例如，在稀土离子掺杂材料中引入量子点层，可以实现能量级间的匹配，从而提高发光效率。
展望未来，上转换发光材料的研究还有很大的发展潜力。
一方面，随着材料科学与纳米技术的不断发展，研究人员可以设计和合成更加高效的上转换发光材料。
另一方面，随着激光技术、光通信以及生物分析等领域的快速发展，对于高效的发光材料的需求不断增加，这将进一步推动上转换发光材料的研究。
综上所述，上转换发光材料是一种具有广泛应用前景和发展潜力的材料。
通过优化材料的结构和组分以及改善能量传输的过程，可以提高材料的发光效率。
展望未来，上转换发光材料的研究将在材料设计和合成、激光技术等领域取得更大的突破，为光电子技术的发展做出更大的贡献。
上转换发光基本知识资料讲解
上转换发光分类
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
上转换材料的合成
（一）高温固相法合成法
利用所需氧化物高纯粉料,按化学计量比配料 混合均匀, 经高温煅烧后形成具有一定粒度的上转 换发光粉料[16]。是目前合成上转换材料的主要方 法之一。
1966年，Auzel在研究钨酸镱钠玻璃时， 发现当基质材料中掺入Yb3+离子时，在 红外光激发下Er3+、Ho3+和Tm3+离子的可 见发光提高了两个数量级，由此正式提 出了“上转换发光”的观点。
上转换发光的概念
上转换发光又称为反-斯托克斯发光（AntiStokes），斯托克斯定律认为材料只能受到 高能量波长短的光激发，发出低能量长波 长的光。而上转换发光认为长波长光激发 下，可持续发射波长比激发波长短的光。
上转换材料的合成
（三）溶胶-凝胶法 用含高化学活性组分的化合物前驱体, 在液相下
将这些原料均匀混合, 并进行水解、缩合反应, 在溶液中 形成稳定的透明溶胶体系。溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合, 形成三维网络结构的凝胶, 凝胶经干燥、烧结得到所需产 品[17]。是一种湿化学合成法。
分类：水溶液溶胶-凝胶法、醇盐溶液-凝胶法
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。
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
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上转换发光机理与发光材料
一、背景
早在1959年就出现了上转换发光的报道，Bloemberge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，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，Er3+、H03+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。
二、上转换发光机理
上转换材料的发光机理是基于双光子或者多光子过程。
发光中心相继吸收两个或多个光子，再经过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。
为了有效实现双光子或者多光子效应，发光中心的亚稳态需要有较长的能及寿命。
稀土离子能级之间的跃迁属于禁戒的f-f 跃迁，因此有长的寿命，符合此条件。
迄今为止，所有上转换材料只限于稀土化合物。
三、上转换材料
上转换材料是一种红外光激发下能发出可见光的发光材料，即将红外光转换为可见光的材料。
其特点是所吸收的光子能量低于发射的光子能量。
这种现象违背了Stokes定律，因此又称反Stokes定律发光材料。
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
4S
3/2能级产生绿色发射（ 4S
3/2 →
4I
15/2 ）
，实现以近红外光激发得到绿
色发射。
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。
在第二部传递过程中，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。
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不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。
四、优点
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。
五、稀土上转换材料的应用
随着频率上转换材料研究的深入和激光技术的发展，人们在考虑
拓宽其应用领域和将已有的研究成果转换成高科技产品。
上转换发光在上转换激光器、光纤放大器、三维立体显示和防伪领域都具有很好的应用前景。
上转换研究的一个主要应用，是以它作为泵浦机制来实现篮、绿和紫波段的激光器。
上转换激光器以其体积小、可产生可见光波长的激光倍受重视。
随着80年代半导体激光器的迅速发展和稀土离子掺杂的玻璃光纤质量的提高，以半导体激光器作共振泵浦的上转换光纤激光器的研究以其转换效率高、激光阈值低、体积小、结构简单可靠等优良性引起了重视。
随着科学技术的发展，人们已经不满足于现有的信息成果。
在显示领域中，由于经济、科技、教育、交通等领域的需要，以实现逼真及大容量信息显示的三维立体显示越来越适应人们的要求，并要求显示器能够显示更多、更快和更复杂的立体图像。
上转换三维立体显示器正是适应这种要求而产生的，它不仅可以再现各种实物的立体图像，而且可以随心所欲的显示各类计算机处理的高速动态立体图像。
六、目前存在的问题
稀土离子上转换发光材料的研究是发光材料研究中的一个热点。
就目前而言，其上转换发光的机理、稀土离子的掺杂方案、基质材料、上转换发光效率和上转换激光器件结构等仍然是研究人员所关注的
焦点。