[发明专利]一种基于微纳谐振结构对掺稀土材料上转换发光实现量子调控的方法

说明书

本发明公开一种基于微纳谐振结构对掺稀土材料上转换发光发光实现量子调控的方法，通过谐振模式的调制，抑制发光通道的辐射跃迁，促使处于各激发态的粒子重新分布，包括通过不同激发态间粒子的能量转移和非辐射跃迁等过程，当微腔的共振波长处于纳米粒子发射波长时，使被允许的一个通道的激发态聚集更多的粒子数，从而增强其发光，通过对微纳谐振腔内光场模式的修正，通过谐振模式来对多能级间的多步电子跃迁过程(包括辐射和非辐射跃迁)进行量子调控；当微腔的共振波长处于纳米粒子发射波长时，会增强该处的上转换发光强度，而抑制其它不需要发射波长的上转换发光以此抑制不需要的发光过程，而助长所需要特定波长处的发光过程，从而实现单色发光。

技术领域

本发明涉及一种发光技术，特指对掺稀土材料上转换发光的控制方法。

背景技术

近年来，由于稀土镧系元素具有激发态能级寿命长、能级阶梯分布等特点， 掺杂镧系离子的上转换发光材料获得了大量研究者的关注，并逐步显露出其在 生物标记和成像、照明、三维立体显示、激光、太阳能电池等多方面的应用价 值。在上转换发光过程中，激活剂通常是作为发光中心而被掺入的离子。上转 换发光过程是指发光中心吸收两个或多个低能量光子，将基态电子激发到较低 的激发态，通过激发态吸收或非辐射能量传递等过程，使电子从高能级跃迁到 基态或低能级，从而辐射出高能量的光子。图1为Yb³⁺/Er³⁺离子的能级图并展 示了可见光范围内主要涉及的上转换发光过程。图中实线、虚线、折线分别代 表辐射跃迁和激发、能量传递、无辐射弛豫过程。在近红外光(λ～980nm)的 激发下，Yb³⁺离子吸收光子从基态2F_7/2跃迁到激发态2F_5/2，随后将能量传递到 Er³⁺离子的不同能级，位于各个激发态的Er³⁺离子通过多步的多光子无辐射弛豫 和辐射弛豫最终回到基态，并发出可见光。其中Er³⁺离子从4F_9/2到4I_15/2能级的 跃迁，发射出中心波长在650nm的红色荧光，从4S_3/2或2H_11/2到4I_15/2能级的 跃迁发射出中心波长520nm或540nm的绿色荧光。通常在980nm激发下，通过 Yb³⁺的敏化作用和Yb³⁺、Er³⁺间的相互作用，还会促进Er³⁺从4I^13/2到基态的跃迁，发出1530nm的光。

由于上转换发光是一个非线性过程，其发光过程往往涉及受激稀土离子在 多能级间的多步电子跃迁和多波长光子发射、以及相邻离子间的能量转移和淬 灭效应等(限制稀土离子掺杂浓度)，从而使掺稀土材料的发光效率(尤其是 其上转换发光)一般较低，而难以满足其在微光学器件中运用。如何提高上转换 发光效率成为研究的一大热点，除了优化纳米材料的组成和晶体结构、对纳米 晶进行包壳形成核-壳纳米结构以外，还采取了其他各种措施来提高上转换发光 的效率。其中，通过结构化的等离激元金属纳米结构来增强上转换发光效率被 广泛的研究。在这些研究中，强局域化的等离激元通常是非谐振的，或者是具 有宽共振带的低阶谐振。因此，表面等离激元的局域场增强被无选择地作用于 所有感兴趣的发射带和激发光。这导致在发射波长处上转换发光几乎均匀地增 强。但是在许多上转换发光的应用中，多色发光是不必要的，且更期望强的单 色发光。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通过调控微纳谐振腔实现上转换发光转换为音 色光的方法。