【摘 要】
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凭借稀土离子丰富的能级结构和能级寿命长等特性,稀土掺杂上转换发光材料得到了广泛的应用,例如在生物医疗、3D显示、温度测量、太阳能电池等众多领域都发挥着不可或缺的作用。特别地,在生物医学领域应用时使用位于生物组织透射窗口的近红外光源,不仅可以提高探测组织的深度、提高信噪比,还可以防止短波激发对生物组织造成损伤,因此稀土掺杂上转换发光材料在光动力学疗法、生物成像等领域具有较大的应用价值。但是由于稀土离
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凭借稀土离子丰富的能级结构和能级寿命长等特性,稀土掺杂上转换发光材料得到了广泛的应用,例如在生物医疗、3D显示、温度测量、太阳能电池等众多领域都发挥着不可或缺的作用。特别地,在生物医学领域应用时使用位于生物组织透射窗口的近红外光源,不仅可以提高探测组织的深度、提高信噪比,还可以防止短波激发对生物组织造成损伤,因此稀土掺杂上转换发光材料在光动力学疗法、生物成像等领域具有较大的应用价值。但是由于稀土离子吸收截面较小且激发谱带较窄,导致上转换发光效率非常低而影响了其优势的发挥,因此本文旨在多途径增强上转换发光。理论部分简述了上转换发光的基本理论,包括上转换的发光机制、Judd-Ofelt理论以及电子能量转移机理。阐述了几种增强上转换发光的手段,包括采用低声子基质材料NaYF4、微球腔回音壁模、量子点的双光子效应以及双波长激发,并分析了它们对上转换发光增强的原理。对回音壁微球腔的特征参数、微球腔与双锥光纤的制备方法、利用双锥光纤作为耦合器激发回音壁模式、WS2量子点的性质包括尺寸效应、半导体双光子效应和共振能量转移效应进行了详细地介绍。实验部分研究了分别以1030nm和1525nm波长为激发光源时,WS2量子点双光子、三光子吸收效应和回廊模协同作用下NaYF4:Yb3+,Er3+上转换发光特性,以及双频激发对上转换发光的影响。首先在1030nm光源激发下,通过实验验证了Er3+的上转换发光为双光子过程,建立了WS2-NaYF4:Yb3+,Er3+之间的能量传递模型,通过对比实验得到在WS2量子点双光子效应和回廊模微球腔协同作用下NaYF4:Yb3+,Er3+上转换发光获得16.3倍增强。第二,利用1550nm可调谐激光器得到NaYF4:Yb3+,Er3+的最佳泵浦波长为1525nm。在1525nm激光激发下Er3+离子的上转换发光为三光子过程。对比实验结果表明WS2量子点三光子吸收效应与回廊模相结合可使NaYF4:Yb3+,Er3+上转换发光增强13.5倍。第三,研究了双频同时激发下NaYF4:Yb3+,Er3+荧光粉上转换发光特性,并对双频激发的上转换发光机理进行了详细研究。为将上转换荧光的温度特性应用于光纤测温技术,研究了以1525nm为激励光源,以陶瓷管封装NaYF4:Er3+上转换发光材料制成感温探头,以耐温300℃聚亚酰胺为外包层的400μm石英光纤为传光介质,研究了温度在160K-400K范围内样品上转换发光特性和荧光分支比随温度的变化规律。利用基于热耦合能级的荧光强度比理论对实验结果进行分析,得到Er3+离子~2H11/2和~4S3/2能级的实际能级差并计算了最大的温度灵敏度,分析了该温度传感器件的静态温度特性:线性度、迟滞特性和重复性。
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