日本韩国欧美,三年在线观看免费观看完整版中文,久久精品无码鲁网中文电影,日本理伦年轻的妻子

不同尋常的能級躍遷——雙光子吸收&上轉換發光

對于光的吸收過程，絕大部分的物質都是以一個光子為單位進行吸收的，即每次只吸收一個光子。而在一些具有特殊能級躍遷模式的分子中，會出現兩個及以上的多光子吸收現象。對于特殊的物質而言，激發光要達到極高的能量密度才能開啟多光子吸收效應，因此需要使用激光器作為激發光源。

雙光子吸收(Two-Photon Absorption，TPA)是多光子吸收效應的一種，也屬于三階非線性效應，其理論于1930年首次被德國物理學家Maria Goppert-Mayer提出，并在1961成功進行了實驗驗證。在雙光子吸收中，一個分子同時吸收兩個光子，分子由基態躍遷至激發態，中間經過一個虛能級完成，其吸收強度與激發光強的平方成正比，而對于單光子吸收過程，雙光子吸收的強度與激發光強呈線性關系。雙光子吸收的優勢在于其具有較寬的吸光范圍和較強的吸光效率，可以應用在上轉換發光材料、顯微光學、微加工，3D數據存儲、光動力療法等領域。

圖1. Maria Goppert-Mayer和她的TPA理論

本文使用Zolix的OmniFluo990 穩態瞬態熒光光譜儀表征了NaYF4:YbEr材料基于雙光子吸收的上轉換發光性質。

稀土離子中Er3+具有眾多的能級，其激發態到基態4I15/2 之間的躍遷可帶來紫外可見到近紅外區十分豐富的光譜信息，而且在紅外區的幾個特定波長處有強烈的吸收，是實現紅外到可見上轉換熒光的重要材料。

NaYF4:YbEr中的Yb3+在980nm處有相對更大的紅外吸收截面，而且所吸收的能量可以高效傳遞至Er3+中，因此在NaYF4:YbEr中,Er3+的上轉換發光主要通過能量傳遞來實現。下圖為在改變980nm激光功率下得到的NaYF4:YbEr的上轉換發光光譜圖（發射光譜范圍位于510nm~570nm之間）。圖2可見，隨著激光功率從100mW增大到500mW，上轉換發光的強度也隨之增加。由于稀土材料的發光峰一般都比較尖銳，進行光譜采集的時候，激發和發射的狹縫需要調小才能得到較好的分辨率。在本次測試中，激發和發射狹縫分別設置為0.15nm和0.1nm，樣品位于521.5nm，539.5nm，541nm，546.5nm 的特征發光峰清晰可見。

                  圖2. NaYF4:YbEr的變功率上轉換光譜測試

接下來對上轉換發光過程參與吸收的光子數進行進一步考察。上轉換發光通常涉及到多個光子參與的過程，其吸收光強和激發光功率之間存在指數關系，因此所發射的可見光強與激發光功率之間也同樣存在如下關系：Iuc∝(Ilaser)n, Iuc表示上轉換發光（Up Conversion）的強度，Ilaser表示用于激發的激光功率，n表示樣品每發射出一個光子所需要吸收的光子數。當對公式兩邊取對數的時候，可以得到log(Iuc) ∝nlog(Ilaser)，即在多光子過程中，上轉換發光的強度和激光功率的雙對數圖是直線關系，通過求得直線斜率n，即可得到多光子過程中吸收的的光子數n。

圖4. NaYF4:YbEr 特征峰強度VS 激發光功率的雙對數曲線

 為了分析NaYF4:YbEr的上轉換發光中的多光子吸收過程，提取NaYF4:YbEr的上轉換熒光光譜中位于521.5nm，539.5nm，541nm，546.5nm處的特征峰（圖2），作圖得到發光強度和激發功率的雙對數曲線。四條曲線的斜率約等于2，表征此樣品在這些波長為雙光子吸收過程。具體的過程為：Yb3+吸收一個980nm的光子后，從基態躍遷到激發態，并將能量傳遞（ET）給Er3+，使之躍遷到激發態，與此同時Yb3+回到基態并繼續吸收能量，處于激發態的Er3+繼續吸收Yb3+傳遞過來的能量發生更高能級的躍遷，*后以輻射躍遷的方式回到基態，并釋放出特征綠光（圖3）。

                   圖3 Yb3+和Er3+之間的能量傳遞及雙光子吸收發光過程

上轉換發光材料稀土離子能級之間的f-f躍遷屬于禁阻躍遷，存在較長壽命的中間能級或亞穩態，瞬態光譜的測試也可以提供佐證。下圖為使用980nm的脈沖調制激光器對樣品進行壽命測試的結果，經過解卷積擬合得到此上轉換發光的壽命為146μs。

圖4壽命測試光譜圖，Ex=980nm脈沖激光器，Em=539.5nm

小結：

在NaYF4:YbEr 材料中，Yb3+和Er3+之間的能量傳遞產生了上轉換發光現象，其位于可見區的一系列窄帶發射光譜可在配置980nm激光器的OmniFluo990熒光光譜儀上測試得到。通過分析發光強度和激發光功率之間的關系，證實了NaYF4:YbEr的三階非線性雙光子吸收行為，壽命測試結果也對此上轉換發光材料存在較長壽命的中間態能級進行了佐證。

實驗設備及參數設置：

Zolix OmniFluo990 穩態瞬態熒光光譜儀激發光源，功率可調的連續輸出激光器通過樣品倉側面接入光譜儀中。因為激光的功率密度較大，使用的時候要加以注意。OmniFluo990樣品倉的開蓋自鎖功能，可在樣品倉蓋打開的情況下關閉快門，保護檢測器不會受到有可能誤入的強光照射而損壞。