纳米上转换环境功能材料制备研究(3)
早在 1959 年就出现了上转换发光的报道，Bloembergc 在 Physical Review
Letter上发表的一篇文章提出，用960nm的红外光激发多晶ZnS， 观察到了525nm
绿色发光。1966 年 Auzcl 在研究钨酸镱钠玻璃时，意外发现，当基质材料中掺
入 Yb3+离子时，Er3+、Ho3+和 Tm3+
离子在红外光激发下，可见发光光强度几乎
提高了两个数量级，由此而正式提出了“上转换发光”这个观点[6]。上转换现象
被 Obrien B 发现于上世纪 40 年代中期，稀土离子的上转换发光现象的研究则始
于 20 世纪 50 年代初的 Kastler A，至 60 年代因夜视等军用目的的需要，上转换
研究得到进一步的发展。整个 60－70 年代，以 Auzal 为代表，系统地对掺杂稀
土离子的上转换特性及其机制进行了深入的研究， 提出掺杂稀土离子形成亚稳激
发态是产生上转换功能的前提。80 年代后期，利用稀土离子的上转换效应，覆
盖红绿蓝所有可见光波长范围都获得了连续室温运转和较高效率、较高输出功率
的上转换激光输出。1994 年 Stanford 大学和 IBM 公司合作研究了上转换应用的
新生长点——双频上转换立体三文显示， 并被评为 1996 年物理学最新成就之一。
2000 年 Chen 等对比研究了 Er／Yb：FOG 氟氧玻璃和 Er／Yb：FOV 钒盐陶瓷
的上转换特性，发现后者的上转换强度是前者的 l0 倍，前者发光存在特征饱和
现象，提出了上转换发光机制为扩散、转移的新观点。近几年，人们对上转换材
料的组成与其上转换特性的对应关系作了系统的研究，得到了一些优质的上转换
材料。 频率上转换研究的这些发展一方面是由于社会对其应用技术的需求以及半
导体激光发展的促进所致， 另一方面也是随着上转换的机制等基础研究的突破和
材料的发展而发展的。在以后，上转换材料有了很大的发展，是一种把红外光转
变为可见光的有效材料，并达到实用效果。迄今为止,上转换材料主要是掺杂稀
土元素的固体化合物，利用稀土元素的亚稳态能级特性，可以吸收多个低能量的
长波辐射，从而可使人眼看不见的红外光变成可见光。
上转换发光具有如下优点：① 可以有效降低光致电离作用引起基质材料的
衰退； ② 不需要严格的相位匹配，对激发波长的稳定性要求不高；③ 输出波
长具有一定的可调谐性。
上转换发光影响因素：由于大部分上转换发光过程是分步进行的，这就要求
上转换过程的中间态能级有足够长的寿命， 以保证激发态离子有足够的时间来参
与上转换的发光或是其它的光物理过程。除此之外，上转换发光还要求多声子无
辐射跃迁几率处于较低的水平，因为低的多声子无辐射跃迁几率除了能够保证长
的激发态寿命外，还可以保证上转换过程中的辐射跃迁不被碎灭。
稀土离子上转换发光机理:同一个离子从基态能级通过连续的多光子吸收到
达能量较高的激发态能级的一个过程，这是上转换发光的最基本过程。
a) 激发态吸收：
图 1 是激发态吸收(ESA)过程示意图。首先，离子吸收一个能量为 hv1的光子，
从基态 1 被激发到激发态 2．然后，离子再吸收一个能量为 hv2的光子，从激发
态 2 被激发到激发态 3，随后从激发态 3 发射出比激发光波长更短的光子。在连
续光激发下，上转换发光(来自能级 3)的强度通常正比于 I1，I2，I 为激发光强．一