测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法，包括：(1)采用多个与上转换材料系统中离子的激发能级相匹配的波长的激光对上转换材料系统进行激发，获得每个波长下稳态荧光测量数据及瞬态荧光测量数据；(2)分别采用多个波长的激光激发上转换材料，分别获得描述多个波长激发发光物理过程的多组速率方程；(3)从低能级到高能级逐级求解获得各个能级下的离子本征弛豫速率参数。采用该方法可以实现多能级上转换材料系统中各个能级的离子辐射与非辐射弛豫速率参数的高精度测量，适用于多能级本征弛豫速率参数的确定，克服了现有测量方法无法有效解析各个能级间的本征弛豫速率参数的局限性问题。能级间的本征弛豫速率参数的局限性问题。能级间的本征弛豫速率参数的局限性问题。

【技术实现步骤摘要】
测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法


[0001]本专利技术属于材料物理领域，具体涉及一种测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法。

技术介绍

[0002]上转化发光是指材料吸收两个或更多光子后发射一个光子的现象，发射光的波长短于激发光的波长。上转换发光材料可以将红外光转换为可见光，在红外探测、激光显示、能源利用、生物成像、药物治疗等领域具有重要的应用。镧系元素掺杂的上转换发光材料具有丰富的能级，其发光性能优化调控与可控制备是研究与应用的热点。上转换发光过程涉及镧系离子吸收、辐射与非辐射弛豫、能量迁移与传递等物理过程，辐射与非辐射弛豫速率参数是表征光谱性质的本征参数，是上转换发光过程建模与发光调控设计的基础数据。因此，对镧系元素离子辐射与非辐射弛豫速率参数的测量是十分必要的，是上转换发光系统光谱性质研究领域中的重要方向。
[0003]目前，镧系元素离子辐射与非辐射弛豫速率等本征弛豫速率参数的确定方法主要有两类：(A)基于Judd
‑
Ofelt理论与能隙律理论的直接计算方法；(B)基于速率方程模型的计算方法。基于上述方法，研究人员已开展了丰富的研究工作。然而，已有的本征弛豫速率参数的测量数据之间存在较大偏差，现有方法在应用中面临着如下难点问题：(1)基于JO理论与能隙率理论的直接计算方法，在应用于镧系元素离子掺杂材料体系时，由于理论假设条件限制，本征参数求解精度不高；(2)上转换发光系统涉及多能级之间的能量迁移、能量传递上转换以及交叉弛豫等物理过程，使得描述上转换发光系统的速率方程复杂性显著提高，多能级发光系统中的辐射跃迁弛豫、多声子弛豫以及离子间能量传递过程之间呈现非线性、强耦合关联，多能级下的多个本征参数的同时反演通常是不适定的，导致较大的计算误差；(3)实验测量可以获得特定能级的总弛豫速率，但由于缺少能量弛豫分支比数据，无法解析各个能级间的本征弛豫速率参数。
[0004]因此，针对于现有测量方法的局限性与难点问题，发展一种适用于镧系元素离子掺杂上转换发光系统的多能级、多参数解耦的离子本征弛豫速率参数的高精度测量方法，将是非常必要的。

技术实现思路

[0005]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法，采用该方法可以实现多能级上转换材料系统中各个能级的离子辐射与非辐射弛豫速率参数的高精度测量，适用于多能级本征弛豫速率参数的确定，克服了现有测量方法无法有效解析各个能级间的本征弛豫速率参数的局限性问题。
[0006]本专利技术提出了一种测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：
[0007](1)采用多个与上转换材料系统中离子的激发能级相匹配的波长的激光对上转换材料系统进行激发，获得每个波长下稳态荧光测量数据及瞬态荧光测量数据；
[0008](2)分别采用多个波长的激光激发上转换材料，分别获得描述多个波长激发发光物理过程的多组速率方程；
[0009](3)从低能级到高能级逐级求解获得各个能级下的离子本征弛豫速率参数。
[0010]根据本专利技术实施例的测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法，通过测量多波长激光激发下上转换材料的稳态荧光测量数据与瞬态荧光测量数据，并且结合多波长激发下的速率方程以及本征弛豫速率参数求解方法，实现了从低能级到高能级、各个能级下的离子本征弛豫参数逐级求解测量。本专利技术将原有的单一波长的一次激发条件，拓展至多个波长的多次激发条件，依次实现了简单低能级发光过程到复杂高能级发光过程的逐级过度，适用于上转换材料系统中离子多能级本征弛豫速率参数的确定，克服了现有测量方法无法有效解析各个能级间的本征弛豫速率参数的局限性问题，具有实际可行性及应用性。
[0011]另外，根据本专利技术上述实施例的测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0012]在本专利技术的一些实施例中，所述上转换材料中镧系元素离子的摩尔浓度不高于1％。由此，可以消除发光过程中的能量传递及上转换效应，从而提高多能级上转换材料系统中各个能级的离子辐射与非辐射弛豫速率参数的测量精度。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，多个波长的数量为n，分别表示为λ1>λ2L>λ
n
。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述多个波长的激光的功率密度不高于0.1W/cm2。由此，可以提高多能级上转换材料系统中各个能级的离子辐射与非辐射弛豫速率参数的测量精度。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，采用五个波长的激光激发上转换材料，对应的能级为基态能级、第一～第五激发态能级，分别记为能级1～6，在五个波长激光的激发下，发生能级1到能级6跃迁，镧系元素离子在6个能级的速率方程为式(1)所示，
[0016][0017]其中，dp
i
/dt是离子在能级i的布居概率p
i
相对于时间的变化率；
[0018]w
r,ij
是离子从能级i退激发至能级j的辐射跃迁速率，其中i>j；
[0019]w
nr,ij
是离子从能级i退激发至能级j的多声子弛豫速率，其中i＝j+1；
[0020]w
a,ij
是离子从能级i激发至能级j的吸收跃迁速率，其中i<j；
[0021]w
i
定义为离子在i能级的总弛豫速率，其表示如式2所示：
[0022]离子吸收跃迁速率w
a,ij
表示如式3所示：
[0023][0024]其中，σ
ij
是能级i
→
j对应于吸收跃迁波长的吸收截面，ρ是激光激发功率密度，τ是光源激发脉宽，E
hν
是激发波长下的单光子能量；
[0025]能级i
→
j跃迁发光辐射强度I
ij
是能级i的离子布居概率p
i
、辐射跃迁速率w
r,ij
的函数，表示为式4所示：
[0026]I
ij
＝∫I
ij
(ω)dω＝∫hωVN
D
p
i
w
r,ij
dω
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0027]其中，ω是跃迁角频率，h是约化普朗克常数，V为系统的体积，N
D
为离子掺杂浓度。
[0028]在本专利技术的一些实施例中，步骤(3)包括：(3
‑
1)在λ1波长激光激发下，处于基态的离子被激发至第一激发态，上转换材料系统为二能级系统，通过二能级的速率方程，结合λ1波长下稳态荧光测量数据及瞬态荧光测量数据，求解二能级系统中的本征弛豫速本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量上转换材料中镧系元素离子本征弛豫速率参数的方法，其特征在于，包括：(1)采用多个与上转换材料系统中离子的激发能级相匹配的波长的激光对上转换材料系统进行激发，获得每个波长下稳态荧光测量数据及瞬态荧光测量数据；(2)分别采用多个波长的激光激发上转换材料，分别获得描述多个波长激发发光物理过程的多组速率方程；(3)从低能级到高能级逐级求解获得各个能级下的离子本征弛豫速率参数。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上转换材料中镧系元素离子摩尔浓度不高于1％。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，多个波长的数量为n，分别表示为λ1>λ2L>λ
n
。4.根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述多个波长的激光的功率密度不高于0.1W/cm2。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用五个波长的激光激发上转换材料，对应的能级为基态能级、第一～第五激发态能级，分别记为能级1～6，在五个波长激光的激发下，发生能级1到能级6跃迁，镧系元素离子在6个能级的速率方程为式(1)所示，其中，dp
i
/dt是离子在能级i的布居概率p
i
相对于时间的变化率；w
r,ij
是离子从能级i退激发至能级j的辐射跃迁速率，其中i>j；w
nr,ij
是离子从能级i退激发至能级j的多声子弛豫速率，其中i＝j+1；w
a,ij
是离子从能级i激发至能级j的吸收跃迁速率，其中i<j；w
i
定义为离子在i能级的总弛豫速率，其表示如式2所示：离子吸收跃迁速率w
a,ij
表示如式3所示：其中，σ
ij
是能级i...

【专利技术属性】
技术研发人员：符泰然，付琳，吴宇颂，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：