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。

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：

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、直接光學測量法［1－3］。比較測量法需要一個與待測粉體光學特性相近且量子效率已知的弱吸收標準粉體作參考；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測量法是對激發(fā)前后光譜進行直接測量的方法，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．海洋光學搭建推薦

基于海洋光學的產(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. 鹵素燈+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：

[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