无机发光材料是一类重要的功能材料。近年来,由于能源危机、自然资源短缺、环境污染等问题的加剧演变,以及纳米时代的来临,发光材料的研究也从日常节能型照明固态材料的开发转向能源、生物等相关领域的应用研究。而稀土离子作为发光介质中一类典型的孤立发光中心,和高科技材料的开发密切相关。因此,稀土的光学性质及相关材料研究早已成为世界范围的重要课题。在此背景下,本论文结合应用需求及存在的待解决问题,有针对性地进行了系统研究,同时提出了一些全新的概念,进行了一些探索性的尝试,具体包括以下三部分：一、基于稀土离子间能量传递的量子剪裁与光谱调控基于稀土离子间能量传递的量子剪裁与光谱调控的研究面向提高太阳能电池光电转换效率的应用,通常采用RE3+(RE3+=Tb3+、Tm3+、Pr3+等)为敏化中心,Yb3+为发光中心。然而由于这类4f-4f跃迁特性的稀土离子具有窄带弱吸收的本征弊端,仅能极弱程度地在特定锐线型范围吸收紫外/可见太阳光转换成近红外光,因此对实际应用非常不利。为了解决这一问题,我们提出了采用具有f-d跃迁特性的稀土离子为敏化中心。我们采用Eu2+在硼酸盐玻璃基质中成功演示了宽带范围内的吸收。通过吸收光谱、顺磁共振波谱分析了Eu的价态,通过常温稳态瞬态荧光光谱、和低温稳态荧光光谱测试分析了Eu2+-Yb3+之间的能量传递和单个离子的荧光量子效率,并推测两者之间因发生了协同下转换而产生了总量子效率超过100%的量子剪裁现象。考虑到太阳光的主要能量分布区域在高能可见范围,我们希望将Eu2+在硼酸盐玻璃基质中所表现的紫外吸收带红移甚至拓宽至高能可见区域。利用稀土离子f-d跃迁所遵守的配位场调控理论,我们选取了铝硅酸盐玻璃为基质,成功地将Eu2+的吸收带调节至250-480nm波长范围,同时通过Eu2+和Yb3+之间的能量传递,将该能量通过协同下转换的方式转换成近红外光输出。Eu2+宽带吸收的能量转换后只有被高效输出才能真正实现量子剪裁的价值。为此采用Er3+这种具有丰富合适能级并可输出近红外光子的离子为发光中心,期望其发生吸收一个光子输出多个近红外光子的量子剪裁。我们采用固相烧结法制备了Eu2+-Er3+掺杂的Ca8Mg(Si04)4Cl2荧光粉。通过荧光激发、发射光谱、瞬态荧光寿命、时间分辨光谱以及强度功率依赖关系分析了能量传递的机理。证实Eu2+所吸收的250-500nm范围的光,经Eu2+向Er3+相应能级发生能量传递,通过Er3+之间多次交叉弛豫可实现多光子近红外输出。不同于Eu2+这种异价态稀土离子需要通过苛刻的实验条件控制才能获得,Ce3+可直接采用三价稀土盐类引入,易于制备且价态稳定,并且仍具备f-d跃迁的宽带强吸收特性。因此,我们尝试Ce3+-Er3+的组合来进一步例证宽带吸收、多光子输出的近红外量子剪裁,选用钇铝石榴石(YAG)为基质材料。我们发现Ce3+在YAG中的吸收带覆盖了高能可见区域,并满足向Er3+发生多光子传输的能量要求。当采用467nm蓝光激发时,Ce3+敏化后的Er3+近红外发光出现了显著的增强效应。通过时间分辨光谱分析了能量传递的动力学过程,并由瞬态光谱计算了能量传递的效率。通过Er3+的掺杂浓度调节,优化近红外发光强度。为了证实Er3+近红外发光涉及多光子跃迁过程,我们将YAG:Er3+1531nm发光的激发谱和其吸收光谱进行了对比分析。为了探索近红外量子剪裁在太阳能电池中实际应用的可能性,我们选择研究最为成熟、最为理想的稀土离子组合Pr3+-Yb3+作为掺杂离子,氟氧化物透明玻璃材料为载体,结合硅太阳能电池,对比分析了理论测试结果和应用演示结果。我们发现掺杂离子的吸收造成了太阳能电池外量子效率(EQE)下降,而近红外量子剪裁对电池EQE存在一定的增强效应,但远比不上吸收带来的负作用。对此,我们提出了一些解决该问题的方案。二、基于稀土离子能量传递的上转换增强设计与应用基于稀土离子能量传递的上转换发光具有广泛的应用前景,作为近期研究热门应用领域之一的太阳能电池涌现出了众多代表性工作。它们的共通之处正是反映了上转换发光走向宽带化吸收、高效率发光的趋势。本文中提出了一种实现宽带高效上转换发光的新思路,即基于稀土离子基态吸收、激发态吸收和声子耦合吸收的多色场激发上转换发光。太阳能电池上转换材料的最终应用环境是在太阳光直接照射下的,而太阳光的实质为连续分布的多色光场,因此我们的思路将利用多色场激发来模拟太阳光照射。实验中采用双色场激发初步演示了上述构想,并得到了上转换发光的显著增强效应。我们选用Ho3+掺杂的LaF3作为上转换材料,对比分析了其在970nm、1150rim分别激发下以及两束光同时激发下的发光现象,观察到了Ho3+可见发射强度的数量级增强。并且通过强度功率依赖关系、荧光瞬态变化曲线讨论了不同激发条件下的上转换发光机理和双色场荧光增强的原因。另一方面,稀土离子掺杂上转换发光在生物荧光成像领域的应用也受到了前所未有的关注,特别是近红外至近红外的稀土离子发光。本研究中,开发了一种在纳米荧光体中实现高效近红外至近红外上转换发光和下转移发光的方法。通过仔细控制掺杂稀土离子的种类和浓度及操控其空间分布,在β-NaGdF4: Nd3+@β-NaGdF4:Tm3+-Yb3+核壳结构纳米晶中实现了高效双模式近红外至近红外发光。这一方法促成了在同一核壳结构纳米晶中获得Yb3+向Tm3+能量传递的高效上转换发光和Nd3+的下转移发光,并且得益于Yb3+和Nd3+的f-f跃迁吸收带,两种模式都可以采用近红外光激发。进一步地,通过将目标稀土离子选择性掺杂在类似复合材料纳米颗粒的不同区域,来有效抑制稀土离子之间的非辐射能量损耗,从而优化了稳态、瞬态发射的光学性质。光谱结果显示采用这种方法合成的材料相比传统方法,其发射效率至少增强了两倍。因此,通过分别探测来自Tm3+的上转换发光和来自Nd3+的下转移发光,这类具有新型激发/发射行为的核壳结构纳米晶可用于生物组织荧光成像。正如成像结果所显示的,这类材料可以成为现有生物成像近红外发光纳米材料的潜在替换者。因此,本研究提供了一种从稀土离子掺杂纳米材料中获得高效荧光的新方法,并且该方法适用于其他活性中心掺杂的光学材料设计。三、基于稀土离子能量传递的上转换发光新现象与机理探索稀土离子掺杂纳米晶的上转换发光因其在固体激光器、三维立体显示、太阳能电池、生物成像等众多领域的潜在应用价值而引起普遍关注。然而,却没有研究报道过稀土离子掺杂纳米颗粒的偏振能量传递上转换发光,尤其是对单个颗粒的研究更加稀少。因此本研究中,首次在单颗粒光谱学模式下展示了稀土离子对掺杂氟化物微米棒的偏振能量传递上转换发光。我们发现了包括晶体场作用下的能级劈裂,单重态至三重态的跃迁发光,离散发射峰随着偏振发射角呈现周期性变化等独特的光学现象。进一步地,为了分析偏振各向异性的产生机理,我们制备了尺寸及晶体对称性可控的微纳米结构。对比实验显示稀土离子在晶体场中的跃迁特性以及晶体中局域空间对称性是偏振各向异性产生的主导因素。同时,我们也采用密度泛函理论进行计算佐证。得益于稀土离子的上转换发光,我们认为该类具有偏振各项异性的氟化物单根微纳米棒或者阵列具有应用在偏振显微信号传输系统的可能性。