上转换发光与量子剪裁上转换发光是指材料吸收了小能量的光子.DOCVIP

8.1 上转换发光与量子剪裁 上转换发光是指材料吸收了小能量的光子，发射出大能量光子的现象。上转换发光曾经是少见的现象。经常见到的情形是，材料发射的光子能量小于激发光子的能量，这就是历史上在大量实验事实的基础上归纳出来的斯托克斯定则。与这种斯托克斯发光不同 ，上转换发光是靠积聚多个光子的能量，来达到发射大能量光子的，其强度随着激发光强的增加而超线性地增长，在高激发密度下才容易观测到。上世纪60年代激光技术的发展为上转换发光的实验研究提供了高强度的光源，极大的推动了上转换发光及其应用的研究。在上转换发光深入研究的基础上，上转换激光的研究也随之兴起，开拓了短波长全固体激光器研制的新途径。上转换发光可把人眼不可见的红外光转换成可见光，这种性能本身也有不少实际应用。本节将讨论上转换发光的各种激发机理。 试对比: 量子倍增，下转换 8.1.1 孤立中心系的上转换发光 孤立中心系上转换发光的中心问题是如何光子较高的激发态即激发机理双光子提到的， 的二级微扰和一级微扰过程，在激发密度不高时，易于8.1-1给出了中心双光子吸收的示意图。频率的光与中心相互作用，中心吸收一个光子，从基态g跃迁到一虚中间态（虚线所示），紧接着又吸收另一个光子，跃迁到激发态e。按照微扰理论，在电偶极近似下，的二级微扰的贡献 （8.1-1） 其中，基态，末态， 中间态有下述两类，m表示中心的所有电子态。于是，上式可写成： （8.1-2） 也即，双光子吸收速率与两光束的强度乘积成比例。如果是由同一束光引起的双光子吸收，这相当于，。这时 （8.1-3） 2. 激发态吸收 激发态吸收是一种常见的上转换发光的激发机制。与上述典型的双光子吸收不同，这种激发机制包含两个独立的元吸收过程。图8.1.2给出了这过程的示意图。如果中心的基态g与所要达到的高激发态e之间还有适当的中间本征态m，中心可以先吸收一个较小能量（）的光子跃迁到较低激发态（中间态m），在中心处于中间态期间，有可能再吸收另一个光子，跃迁到高激发态e，从那里往基态g的跃迁所发射光子的能量自然大于所吸收单个光子能量，也即发生上转换发光。实际情况中，中心的能级结构不是那么简单，中间态m和激发态e的上面不远处还有其它能级，中心吸收光子往往是先跃迁到那里，然后很快弛豫到中间态和激发态。由于弛豫过程进行得很快，每一步吸收可以简单的当作是直接到m和e。本节后面讨论其它过程时，也都是作了这样的考虑。 这样的过程是前面讨论过的一些元过程组合而成，可以用速率方程来讨论。为简单起见，考虑一个特定的中心系，中间态恰好处在基态和末态的中间，也即能隙。因此这一体系与适当频率的激发光（，强度I）相互作用，就可以发生和的吸收跃迁。设中心的总数为N，处在基态，中间态和末态的中心数分别为。基态到中间态（）和中间态到末态（）的吸收截面分别为；的自发辐射速率分别为。不难列出下述速率方程：(不考虑受激辐射过程 （8.1-4） （8.1-5） （8.1-6） （8.1-7） 在恒定的激发光强下，中心系达到稳定态时，可以得到： （8.1-8） 上转换发光的强度与之成比例，为。原则上可以由此讨论定态上转换发光强度与激发光强，以及与各元过程速率间的依赖关系。不过，即使对这简化的模型体系，这些依赖关系也是很复杂的，只在一些特定条件下才有简单的关系。例如在外界激发较弱的条件下，式（8.1-8）分母中含激发光强的项都可略去，那时就有体现两步激发的典型关系： 以及。 图8.1-3 LaF3中Tm3+的能级图以及在647.1nm激发下的上转换发光过程 对实际的中心系，过程会更复杂，还可能通过多步吸收，达到更高的激发态。一个典型的例子如下。用Kr离子激光器的647.1 nm激光束激发LaF3:Tm3+，可以观察到明显的上转换发光，它们可以被指认为来自Tm3+离子4f组态内1G4,1D2和 1I6Tm3+的相关能级和上转换过程中涉及的跃迁。激发过程为：第一个光子把Tm3+从基态3H6激发到3F2（激发光子落在相应吸收的声子边带内），由于3F2，3F3和3H43H4。处在这一能级的离子，除了可以跃迁到基态发出红外光，还可能吸收第二个光子跃迁到1D2，或者无辐射弛豫到3F4，接着吸收第二个光子从这个能级跃迁到1G4。处在1G4的中心又可能吸收第三个光子跃迁到3P1，然后弛豫到1I6。 尽管过程中，中心也会处在3F2、3F3、3P13P0能级，由于3F2、3F3到3H4以及3P1、3P0到1I61G4, 1D2和1I6