光致发光和荧光量子效率计算

所谓光致发光（Photoluminescence简称PL），是指物体依赖外界光源 进行照射，从而获得能量，产生激发导致发光的现象。也指物质吸收光子（或电磁波）后重新辐射出光子(或电磁波)的过程。光致发光过程包括荧光发光和磷光发光。

从量子力学理论上，这一过程可以描述为物质吸收光子跃迁到较高能级的激发态后返回低能态，同时放出光子的过程。光致荧光发光是多种形式的荧光（Fluorescence）中的一种。原理图如下图：

图1. 荧光产生的过程

而在现阶段光致发光材料的研究中，对荧光量子效率的计算非常重要，因为这是反映光致发光材料发光能力的重要特征指标。

荧光量子效率又称荧光量子产额(quantum yield of fluorescence)和荧光效率。一般情况下，荧光量子效率、荧光量子产额与荧光效率描述等价。他们是指单位时间(秒)内，发射二次辐射荧光的光子数与吸收激发光初级辐射光子数之比值，用来描述荧光材料发光能力，可以使用下列公式表达：

另外，

其中外量子效率是直接测量对象，内量子效率很难测，一般通过出光率推算得到。

二．测试方法

现有的测定荧光外量子效率的方法有比较测量法、量热式测量法、直接光学测量法［1－3］。比较测量法需要一个与待测粉体光学特性相近且量子效率已知的弱吸收标准粉体作参考；量热式测量法需要知道粉体的吸收曲线，并且对光源性能、热敏探头灵敏度、仪器隔热性能要求都很高，而荧光粉是高吸收粉体，且吸收曲线不易测定；国外通用的直接光学测量法是对激发前后光谱进行直接测量的方法，可以采用分布光度计或带积分球的光谱仪测量。分布光度计需要大的暗室、高精度位移控设备，价格昂贵，全空间测量耗时太长[4], 而基于积分球和光谱仪的直接光学测量系统测试原理简单，设备简易，测试方便、快捷，下面我们就以积分球测量的方法做一个简单介绍。

1. 经典三步测量法（整积分球测量方案）
   1. 首先简单介绍一下积分球的测量原理，如下图：

图2. 积分球内部测试原理图

 2）测试搭建好后，按照下列步骤进行操作。（有时也可以将样品放置在球壁开口处，测量步骤与放在球中心相同）

步不放样品，激光直射入球内；

第二步样品置于积分球中心稍偏离入射光位置；

第三步样品置于积分球中心

 示意图如下图：

图3. 积分球法测试步骤

1. 将测试数据，按照下列公式进行计算

 2. 积分球半球法

1. 半球法测试方案原理如下：

图4. 半球法测试原理图

2. 半球法的优势（与整个积分球测量方式对比）：

• 与整球法相比，更具快速的量子效率测量；
• 样品安装方便，且更易添加附属的样品供电或温控模块。

3. 半球法的缺点：主要缺点在于平面镜反光涂层与积分球内漫反射材料光学特性不一致，且半球价格相对较高

根据积分球测试方法，我们可以简单归纳为以下步骤：

三．海洋光学搭建推荐

基于海洋光学的产品和方法应用，我们推荐如下搭建方案：

•       光源：

1. 激光
2. 氙灯+单色仪
3. 卤素灯+单色仪
4. 大功率LED+单色仪

•       积分球：

全半球：2英寸-6英寸

•       探测器：

                           光谱仪：高灵敏度，低杂散光 (Maya2000pro，HR，QE Pro 系列)。

•       样品支架：

  i.            可调角度和高度

  ii.            分类设计：粉末，液体，薄膜等

 iii.            带漫反射底板

参考文献：

[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