光致發(fā)光和熒光量子效率計算

所謂光致發(fā)光（Photoluminescence簡稱PL），是指物體依賴外界光源 進(jìn)行照射，從而獲得能量，產(chǎn)生激發(fā)導(dǎo)致發(fā)光的現(xiàn)象。也指物質(zhì)吸收光子（或電磁波）后重新輻射出光子(或電磁波)的過程。光致發(fā)光過程包括熒光發(fā)光和磷光發(fā)光。

從量子力學(xué)理論上，這一過程可以描述為物質(zhì)吸收光子躍遷到較高能級的激發(fā)態(tài)后返回低能態(tài)，同時放出光子的過程。光致熒光發(fā)光是多種形式的熒光（Fluorescence）中的一種。原理圖如下圖：

圖1. 熒光產(chǎn)生的過程

而在現(xiàn)階段光致發(fā)光材料的研究中，對熒光量子效率的計算非常重要，因為這是反映光致發(fā)光材料發(fā)光能力的重要特征指標(biāo)。

熒光量子效率又稱熒光量子產(chǎn)額(quantum yield of fluorescence)和熒光效率。一般情況下，熒光量子效率、熒光量子產(chǎn)額與熒光效率描述等價。他們是指單位時間(秒)內(nèi)，發(fā)射二次輻射熒光的光子數(shù)與吸收激發(fā)光初級輻射光子數(shù)之比值，用來描述熒光材料發(fā)光能力，可以使用下列公式表達(dá)：

另外，

其中外量子效率是直接測量對象，內(nèi)量子效率很難測，一般通過出光率推算得到。

二．測試方法

現(xiàn)有的測定熒光外量子效率的方法有比較測量法、量熱式測量法、直接光學(xué)測量法［1－3］。比較測量法需要一個與待測粉體光學(xué)特性相近且量子效率已知的弱吸收標(biāo)準(zhǔn)粉體作參考；量熱式測量法需要知道粉體的吸收曲線，并且對光源性能、熱敏探頭靈敏度、儀器隔熱性能要求都很高，而熒光粉是高吸收粉體，且吸收曲線不易測定；國外通用的直接光學(xué)測量法是對激發(fā)前后光譜進(jìn)行直接測量的方法，可以采用分布光度計或帶積分球的光譜儀測量。分布光度計需要大的暗室、高精度位移控設(shè)備，價格昂貴，全空間測量耗時太長[4], 而基于積分球和光譜儀的直接光學(xué)測量系統(tǒng)測試原理簡單，設(shè)備簡易，測試方便、快捷，下面我們就以積分球測量的方法做一個簡單介紹。

1. 經(jīng)典三步測量法（整積分球測量方案）
   1. 首先簡單介紹一下積分球的測量原理，如下圖：

圖2. 積分球內(nèi)部測試原理圖

 2）測試搭建好后，按照下列步驟進(jìn)行操作。（有時也可以將樣品放置在球壁開口處，測量步驟與放在球中心相同）

步不放樣品，激光直射入球內(nèi)；

第二步樣品置于積分球中心稍偏離入射光位置；

第三步樣品置于積分球中心

 示意圖如下圖：

圖3. 積分球法測試步驟

1. 將測試數(shù)據(jù)，按照下列公式進(jìn)行計算

 2. 積分球半球法

1. 半球法測試方案原理如下：

圖4. 半球法測試原理圖

2. 半球法的優(yōu)勢（與整個積分球測量方式對比）：

• 與整球法相比，更具快速的量子效率測量；
• 樣品安裝方便，且更易添加附屬的樣品供電或溫控模塊。

3. 半球法的缺點：主要缺點在于平面鏡反光涂層與積分球內(nèi)漫反射材料光學(xué)特性不一致，且半球價格相對較高

根據(jù)積分球測試方法，我們可以簡單歸納為以下步驟：

三．海洋光學(xué)搭建推薦

基于海洋光學(xué)的產(chǎn)品和方法應(yīng)用，我們推薦如下搭建方案：

•       光源：

1. 激光
2. 氙燈+單色儀
3. 鹵素?zé)?單色儀
4. 大功率LED+單色儀

•       積分球：

全半球：2英寸-6英寸

•       探測器：

                           光譜儀：高靈敏度，低雜散光 (Maya2000pro，HR，QE Pro 系列)。

•       樣品支架：

  i.            可調(diào)角度和高度

  ii.            分類設(shè)計：粉末，液體，薄膜等

 iii.            帶漫反射底板

參考文獻(xiàn)：

[1］Tregellas-Williams J.Review of the measurement of the quantum efficiency of inorganic phosphors [J]. J. Electrochemical Society, 1958, 105 (3): 175-178.

[2] Demsas J N, Crosby GA. The measurement of photoluminescence quantum yields [J]. 1AReview2J. Physical Chemistry, 1971, 75 (8): 992-993.

[3] Porres L, Holland A, Monkman AP, et.al. Absolute measurements of photoluminescence quantum yields of solutions using an integrating sphere [J]. J Fluorescence, 2006, 16 (2): 267-272.

[4] Ohno Y.Detector-based luminous-flux calibration using the absolute integrating-sphere method [J]. Metrologia, 1998, 35: 473-478