【荧光玻璃的发光机理概述2600字】

荧光玻璃的发光机理概述光致发光的机理荧光材料受到激发后，荧光材料吸收能量从基态跃迁到激发态，激发态的能量大部分为电磁辐射释放出来，就是发光过程。另一部分通过热能释放出来。根据被激发的方式（射线、高能粒子、电子束、外电场等），发光过程可以分为光致发光、电致发光、阴极射线发光、X射线及高能粒子发光、化学发光和生物发光等。在玻璃基质中掺杂发光离子（稀土离子、过渡金属离子）的发光是光致发光，光激发产生的发光现象称为光致发光。它分为三个阶段：光的吸收、能量传递和光的发射。都与激发态有关，光的吸收是跃迁到激发态，光的发射是从激发态跃迁发光，而能量传递则是激发态与激发态之间的转移，也就是所谓的斯托克斯偏移。荧光材料可以吸收从紫外光区域、可见光区域及红外光区域的辐射能量。当受到来自这些区域的激发光激发时，荧光材料会吸收激发光，进行发光，或者敏化离子先吸收能量，随后再将能量转移给发光离子吸收。发光离子在吸收能量后，从基态跃迁到激发态。然后从激发态回到基态，消耗了能量。在跃迁过程中，能量一部分以无辐射的形式变成热逸散出去，一部分以辐射方式跃迁到基态发光。荧光玻璃中掺杂稀土离子作为发光中心的研究对象，其原因是由于稀土离子的电子排列形式为1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p64ƒN(4ƒN-15d1)6s2，其中，4f电子层有5s和5p两个稳定的电子轨道，都是属于需要填满的电子层。因此，稀土离子不易收到晶体场的影响而具有稳定的光学性能。另外，稀土离子的激发波段和发射波段都极其丰富，多色稀土离子共掺可以实现覆盖可见光区域的宽光谱发射。稀土离子的跃迁方式主要有两种，分别为4f-4f的电子跃迁和4f-5d的电子跃迁。第一种是4f-4f的电子跃迁，4f-4f的电子跃迁是在4f电子层内部跃迁，属于内部能级间的跃迁，所以不受周围环境的影响，但是，能级相近，容易产生较窄的光谱。第二种是4f-5d的电子跃迁，4f-5d的电子跃迁是在二个能级轨道上跃迁，相比4f-4f的跃迁，能级较远，容易产生更宽一些的光谱[54,60]。过渡金属离子的3d电子跃迁轨道属于外部的电子层，对周围晶体场比较敏感，易受周围配位场的影响，从而产生晶体场能级劈裂，因而容易产生宽谱发光。其中，晶体场是指周围环境产生的电场。周围的配位场具体指的是四面体配位场和八面体配位场，四面体或八面体配位场的对称性在一些特定的结构被破环，过渡金属的能级劈裂越多。能级劈裂主要是受晶体场影响，当过渡金属离子处于四面体或八面体环境中，在激发光激发下，会受晶体场的影响将原有的能级轨道分裂成多个能级轨道，由于这些能级轨道相近，所以往往产生宽光谱发射。所以当研究荧光玻璃掺杂过渡金属发光。第一要研究的就是晶体场对过渡金属的影响。而对晶体场影响最大的是周围配位场是四面体配位或八面体配位。当过渡金属离子在四面体或八面体周围配位场环境下，其激发能级也容易受到影响，从而产生能级劈裂，造成激发态与基态之间距离改变，导致其激发光谱也往往和发射光谱类似，呈现出宽光谱发射。相比稀土离子4f-4f和4f-5d的跃迁模式，过渡金属发光的优势显而易见，更易产生宽光谱发光。同时还具备稀土发光离子的量子效率高、实现高显色指数照明。离子间的能量传递当多种发光离子共掺在同一个玻璃网络中，发光离子间会存在能量传递过程。传递能量的发光离子为敏化离子，又称敏化剂，其在受到激发光激发后，其吸收的能量会分为三部分：第一部分能量会辐射变成光子的发射，第二部分能量会以非辐射的过程转移，比如热损耗。第三部分能量会传递给另一个发光离子，需要离子间能级匹配。接收传递能量的发光离子为激活离子。粒子间的能量传递是一个很重要的指标，表明在同一激发下，多掺的发光离子可以实现多色发射，呈现出更优质的照明。离子间的能量传递过程为在激发光的激发下，敏化离子从基态跃迁到激发态，然后从激发态跃迁到发射态，跃迁过程为斯托克斯位移。这一跃迁过程种，一部分能量进行光子的发射，另一部分能量传递给激活离子，被激活离子吸收，激活离子从基态跃迁到发射态，进行光发射。如图1.4所示。其中，斯托克斯位移ΔS是指激发峰位与发射峰位之间的能量差，与平衡位移偏移ΔQe有关，公式如下[61]： (1-1) (1-2)其中为黄昆因子，为简化普朗克常数，ħω为晶格声子耦合到电子态的平均能量，为谐振子的振动角频率，即连续振动能级之间的差值。=M/，M为振动系统的简化质量。可以表征电子-晶格耦合的强度，如果S<1，为弱耦合结构；1<S<5，为中强耦合结构，S>5，则为强耦合结构。因此，斯托克斯位移是由平衡位置偏移（ΔQe）和声子能量ħω决定的。此外，斯托克斯位移通常会受到结构刚性的影响，结构刚性强会限制晶格弛豫效应，从而减小斯托克斯位移。而结构刚性与德拜温度有关，激活固体中最高能量振动所需的温度是德拜温度，德拜温度越高，结构刚性越强。图1.4能量传递能级跃迁示意图敏化离子和激活离子间的能量传递，也就是离子间的作用一般有二种方式：再吸收的方式和共振传递的方式。再吸收的方式需要敏化离子和激活离子之间的能级较远的距离且敏化离子的发射能级要和激活离子的激发能级有一定程度上的匹配，具体的外在表现就是敏化离子的发射光谱和激活离子的激发光谱存在重叠。过程是敏化离子受到激发发光后，光子在基质网络中辐射，激活离子受到此光子激发的过程。共振传递的方式需要敏化离子和激活离子之间的能级较近的距离且敏化离子的发射能级要和激活离子的激发能级有一定程度上的匹配。共振传递需要一些力的作用，比如电偶极-电偶极作用、四极-四极作用极其近场力的相互作用。这几种作用按上述顺序依次递减。导致对能量传递的影响程度也依次递减。其中，依照以上理论，在充足的激发下，掺杂发光离子的浓度越多，荧光材料的发光强度也应该随着增强。但是，实验发现掺杂的发光离子浓度达到一定比例的时候，荧光材料的发光强度就不会随着增强，反而会随之下降，甚至会出现发光消失的状况。这就是能量传递种浓度过大的结果。也就是浓度猝灭效应。我们知道发光离子（稀土离子、过渡金属离子）其自身都拥有许多的能级轨道。当多种发光离子掺杂的时候，这么多的能级间往往会出现许多能级相近且能量相匹配。所以能量传递就是在这些能级间传递。在同一基质玻璃网络中，掺杂的发光离子浓度越来越多