荧光 Fluorescence

2022-11-25 11:02:58 浏览:290

定义

光照射产生的发光。

荧光是一种短寿命的光致发光,通过用光照射物质激发。 照射样品的光将样品中的原子、离子或分子置于激发态(通过吸收光子),从那里它们通过荧光光子的自发发射衰变为低洼状态(例如它们的基态)。 这种现象被用于照明,特别是在荧光灯中。 在各种光泵浦激光器和放大器中,例如固态掺杂绝缘体激光器和放大器(包括光纤激光器和光纤放大器)、光泵浦半导体激光器和染料激光器中,它也会产生副作用。 由此产生的辐射称为荧光。

荧光 Fluorescence

图1:铥的荧光光谱(Tm3+)在ZBLAN光纤中的离子被工作在1140nm的激光激发下。上转换过程导致相对较高的能级人口,从那里发射蓝光甚至紫外线。 这种光纤适用于在480nm附近的蓝色光谱区域进行激光照射。 (700 nm附近的弱峰是伪影,由光谱仪中紫外线的二阶衍射引起。数据由R. Paschotta拍摄。

发出荧光的物质,或者有时只是较大分子的一部分,称为荧光团。 一些人造荧光团可以添加到荧光光谱中的样品中。

发射光谱

荧光的光谱(参见图1)通常与最初引起介质激发的光的光谱不同。 可能发生显着的斯托克斯位移(吸收和发射光的光子能量差异),因为部分激发能量在介质中转化为热量。 例如,激发的原子或离子可以首先经历光学或非辐射跃迁到某个中间能级,然后再发射跃迁到基态或某种更高能级的荧光。 也可能发生一系列排放过程,即向低洼能级的级联过渡;在这种情况下,一个吸收的光子可以发射多个荧光光子。

在固态激光增益介质中,声子导致斯塔克级流形内非常快速的热化。 由于发射发生在更长的时间尺度上,发射光谱的光谱形状不依赖于激发光的确切波长。

具有共振荧光的情况 - 最常见的是原子或分子 - 是不涉及额外跃迁的情况,其中相互作用的原子或分子可以被认为是具有一定共振频率的简单振荡器。 然后发射波长接近激发波长。

荧光衰减

用短脉冲激发后,荧光衰减通常具有指数性质,衰减常数称为荧光寿命或上态寿命(因为荧光寿命与电子跃迁上层群体的寿命相同)。 对于所谓的允许跃迁,荧光寿命通常为几纳秒。 在半导体以外的固态激光增益介质中,人们经常处理弱允许的跃迁,其中荧光寿命可能更长,例如微秒甚至毫秒。

对于非常长的衰变时间,通常涉及具有禁止跃迁的三重态,这种发光称为磷光。 也是延迟荧光的现象,这可能涉及弱系统间交叉到三重态,然后又回到原始的单重态。

各种过程可导致明显的非指数荧光衰减,激发后不久衰减较快,稍后衰减较慢。 例如,这可能是由贡献具有不同寿命的原子引起的,或者由上转换过程引起的,对于高水平种群来说,上转换过程更强。

竞争性非辐射过程

在许多情况下,存在与荧光竞争的非辐射过程,并减少甚至完全抑制它(→淬灭)。 特别是,对于能量距离最多是主体材料最大声子能量的几倍的能级对,多声子跃迁非常强。 在其他情况下,能量转移过程可以耗尽亚稳水平的人口。

来自某个水平的荧光的量子效率(或量子产率)是放入上层的每个离子获得的平均荧光光子数。 固态增益介质(例如激光晶体或稀土掺杂光纤)通常具有量子效率非常接近统一的激光跃迁,而某些水平(例如较低的激光能级)由于强烈的多声子跃迁而几乎没有荧光。

激光器和放大器中的荧光

在激光器的背景下,激光操作中自发发射的激光晶体(或其他增益介质)中的荧光会丢失,因为只有一小部分进入激光谐振器模式。 来自上激光水平的荧光寿命通常称为上态寿命。 荧光是必须克服某个激光阈值才能实现激光的最根本原因(例外:无阈值激光器)。 另请注意,当激光泵浦源打开时,激光作用通常从激光谐振器模式下的少量荧光开始,在许多谐振器往返行程中放大到高水平。

在光放大器中,荧光可能更为重要。 以放大自发发射(ASE)的形式,它可以提取大量功率,从而限制可实现的增益。 它还决定了量子噪声对激光噪声和放大器噪声的贡献。

荧光对于激光增益介质的表征非常重要:

  • 它指示来自介稳能级(不仅是上激光能级)的任何辐射跃迁,可用于测量发射带宽,从而测量增益带宽。 但请注意,准三电平激光增益介质中的重吸收损耗以及激发态吸收会导致增益带宽小于从荧光光谱获得的带宽。
  • 当可以假设量子效率接近单位时,可以使用Füchtbauer-Ladenburg方程和类似工具来计算发射截面的大小。 有关吸收的其他数据可以通过McCumber理论获得。
  • 可以测量激发后荧光的时间衰减(例如短脉冲),以量化水平寿命,特别是上态寿命。
  • 荧光可以揭示杂质的存在,例如不需要的稀土离子,以及寄生效应过程,例如协同发光。
  • 在光纤激光器和放大器中,监测光纤上的荧光强度可以确定泵浦吸收长度等参数。

荧光有时也用于对准激光。

在照明中的应用

荧光广泛用于荧光灯管中用于照明目的。 最常见的荧光灯在玻璃管内含有汞蒸气,放电激发汞原子以发射大部分紫外线。 管内表面上的荧光材料(称为荧光体)吸收紫外线并将其转化为荧光,主要在可见光谱区域。 荧光粉包含几种混合的物质,使得整体发射光谱对应于白光(根据设想的应用调整色调)。 虽然紫外线的部分能量在荧光粉中损失,但荧光灯仍然比白炽灯节能几倍。

还有发光二极管(LED),它们在涉及荧光粉激发的过程中产生白光。 然而,在这种情况下,实际的LED产生蓝色而不是紫外线,并且这种蓝光部分转换为荧光粉中的红色和绿色荧光,部分由设备发射。

在光伏太阳能聚光器中的应用

透明聚合物片中的荧光掺杂了一些发光物质,可用于发光(或荧光)太阳能聚光器[2]。 从任何方向照射聚合物片的阳光都可以被吸收并有效地转化为荧光,荧光部分被困在片材中,从而发送到边缘,太阳能电池在那里接收集中的辐射。 潜在合适的发光剂可以是某些有机染料和量子点。 需要进一步的研究来优化染料在阳光照射下的有限寿命和量子点的量子效率。

荧光太阳能聚光器可能是光伏电池板更便宜电力的基础,因为它们允许从大面积收集辐射,而只需要相对较小的光伏电池。

以其他方式使用荧光

荧光是有用的,例如直接用于光学测量,例如用于测量光学设备的透射光谱。 它也是荧光光谱、荧光显微镜和光学制冷的基础。 通过在光纤中组合多种类型的发射稀土离子,可以产生非常宽带的辐射[1]。

通过荧光相互作用

样品的单个原子、离子或分子的荧光通常以不协调的方式发生,即在所有空间方向上均匀发生,发射的光子之间没有时间相关性。 然而,某些条件会导致放大的自发发射(超发光)或超荧光,而这种情况不再如此。

参数荧光

一种特殊的荧光,与物质中原子或离子的激发无关,是非线性晶体材料中的参数荧光。 这种效应不涉及介质中电子的激发,而是非线性相互作用。 只有当一些泵浦光在培养基中传播时,才会发生这种荧光。

干扰荧光

在某些情况下,荧光效应可能会非常令人不安。 例如,某些光谱测量可能会受到玻璃窗口或管中不需要的激光诱导荧光的干扰。 这种荧光通常来自某些杂质。

参考文献

[1] L. Di Labio et al., “Superbroadband fluorescence fiber fabricated with granulated oxides”, Opt. Lett. 33 (10), 1050 (2008), doi:10.1364/OL.33.001050
[2] W. G. Van Sark et al., “Luminescent solar concentrators – a review of recent results”, Opt. Express 16 (26), 21773 (2008), doi:10.1364/OE.16.021773

基础光学

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