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1、电子科技大学 光电信息 学院本科教学实验指导书（实验）课程名称： 发光原理基础 电子科技大学教务处制表实验一、材料的光致发光研究一、 实验目的：1、 了解发光材料的激发和发射过程2、 掌握用荧光分光光度计测量发光材料激发光谱和发射光谱的测量方法二、 实验原理：发光材料在人们的日常生活和生产实践中得到了越来越广泛的应用，适当的材料吸收高能辐射后，接着就发出光，其发射出的光子能量比激发辐射的能量低。具有这种发光行为的物质就称为发光物质。发光物质在将某种形式的能量转化为电磁辐射时，仅伴随极少量的热辐射，因此与热辐射发光具有本质的区别。图1：位形坐标发光材料由基质和激活剂（发光中心）组成，例如典型的发
2、光物质Al2O3：Cr3+和Y2O3：Eu3+，它们的基质分别为Al2O3和Y2O3，激活剂分别为Cr3+和Eu3+。发光物质可以被多种形式的能量激发，紫外或可见光激发荧光粉发光的光致发光，激发光的波长可以改变，很容易的知道辐射能在激发什么和激发哪里。正因为如此，研究材料的激发光谱、发射光谱成为发光材料研究的重要手段。发光物质的发光过程中的光吸收、辐射跃钱、无辐射跃迁、能量传输等主要过程可以用位形坐标模型来进行解释。图1为孤立发光中心的位形坐标模型，下部那条抛物线g表示系统处于最低能态即基态时的能量与位形的关系。抛物线的最低点表示离子处于平衡位置时的能量。若将金属离子与配位体当作一个谐振子，其
3、振动总能量为，其中，v是谐振量子数，v=0，1，2，正整数；是谐振子的振动频率。在绝对零度时，在最低振动能级时系统最有可能处在R0点。发光中心占据基态最低振动能级，中心离子周围的配位体在距中心大约为R0的位置上作平衡振动。在较高温度下，也可占据较高的振动能级。图2：位形坐标图中在两个发生相对位移的抛物线间的光吸收跃迁所引起的宽带吸收示意图上述关于基态的论述同样适用于激发态，只是具有不同的平衡位置和键力常数。在图1中上部那条抛物线e就表示系统处于激发态时的情况，它的抛物线位移了R。光吸收的跃迁从最低振动能级开始，因此，大多数抛物线跃迁发生在R0处，此处的振动波函数具有最大值（见图2）跃迁在激发态
4、抛物线的边缘结束，因为此时激发态的振动能激具有最大振幅，该跃迁对应于吸收带的最大值。尽管可能性较小，跃迁还有可能从比R0大或小的R开始，这样就产生了谱带的宽度。因为在RR0时的跃迁能量差要小于R=R0时的跃迁能量差，RR0时，则相反。若吸收发生在宽的吸收带，则将发光中心带到高的激发态振动能级。中心先回到较低的激发态振动能级，将多余的能量释放给周围的环境。还可以采用另一种方法来描述这一过程，中心核调节到新的位置（激发态）以便使原子之间的距离等于激发态的平衡距离。位形坐标的变化为R，该过程称为弛豫作用。通常在弛豫过程中没有发射。从激发态的最低振动能级系统可以自发的返回基态并发射辐射，与吸收带类似，
5、跃迁表现为宽带发射。通过发射，中心回到基态的高振动能级然后再次弛豫回到基态的低振动能级。由于存在弛豫过程，发射谱峰要比吸收谱峰处于更低的能量区域。激发带的最大值和发射带的最大值之间的差值称为STOKES位移。显然，R越大，STOKES位移越大，吸收、发射带越宽。综上所述，光吸收和辐射与发光材料中发光中心的能级结构密切相关，因此，紫外光激发荧光粉发光是研究发光材料发光性能和发光中心在基质晶格中能级结构的重要手段。本实验采用970CRT荧光分光光度计来研究发光材料的激发光谱和发射光谱。图4、970CRT工作原理简图970CRT荧光分光光度计的光学系统从功能上划分可分为两大部分（如图4所示），即激发
6、光路和发射检测光路。激发光路将光源发出的光分解为单色光输出，照射到发光材料上激发荧光粉发光。发光材料发出的光进入发射光检测光路，被分解为单色光照射到光电倍增管上，光电倍增管输出信号的强度与照射到其上面的光强度呈正比。根据荧光分光光度计的光学系统原理，如果固定发射光检测光路的输出波长EM，改变激发光的波长即可以得到此发光材料在发射波长为EM时的激发光谱。通过激发光谱可以确定发光材料所发射的波长为EM的发射光是由什么样的吸收光所激发的。同样，也可以测量发光材料的发射光谱。三、 实验仪器与材料：1、 970CRT荧光分光光度计；2、 荧光粉；3、 硝棉溶液；4、 玻片；5、 退火炉。四、 实验步骤A
7、、实验准备1、 取少量荧光粉与硝棉溶液混合制成荧光粉浆；2、 将荧光粉浆涂敷在玻璃基片上3、 将涂敷了荧光粉浆的玻片放入退火炉，升温至450，保温30min，使硝棉分解4、 从退火炉中取出玻片，冷却后放入970CRT荧光分光光度计样品室5、 按操作规程依次打开氙灯电源、主机电源、打印机电源、监视器电源和计算机电源6、 初始化完成后点击图谱扫描快捷键进入图谱扫描B、预扫描1、 点击参数设置按钮设置扫描参数如下：扫描方式：EM扫描； EX波长200400nm范围内设定；EM扫描范围：400800nm灵敏度：6；EX缝宽：2；EM缝宽：5；2、 按扫描键按钮开始扫描，此时，红灯亮、绿灯灭，扫描完成后
8、保存图谱。3、 根据扫描情况，调整灵敏度和狭缝宽度使输出图谱强度合适。4、 改变EX波长，重复进行EM扫描。5、 扫描完成后打开图谱，找出发射峰的位置，打印输出。C、激发光谱扫描1、 点击参数设置按钮，设置扫描方式为EX扫描，EM波长设置为发射峰的波长值，EX波长范围设置为200400nm2、 扫描完成激发光谱测量，打印输出D、发射光谱扫描1、 设置扫描方式为EM扫描，EX设定为激发光谱峰值波长，EM波长范围为400800nm2、 扫描完成激发光谱扫描，打印输出。E、激发光谱内不同波长激发光的发射光谱1、 选择激发光波长为EX峰值波长及激发光谱中的其他波长，重复完成EM扫描2、 打开图谱，打印
9、输出F、 发射光谱内不同波长发射光的激发光谱1、 选择发射光波长为EM峰值波长及发射光谱中的其他波长，重复完成EX 扫描2、 打开图谱，打印输出G、 STOKES位移计算同时打开激发光谱（EM为峰值波长）和发射光谱（EX为峰值波长）曲线，打印输出、结束实验1、 按开机相反顺序关闭仪器电源。2、 取出样品。五、 实验报告：1、 记录发光材料的涂敷过程，尤其注意焙烧过程中荧光粉薄膜的变化，并分析其原因；2、 比较不同激发光波长激发下荧光粉的发射光谱以及不同发射光波长时激发光谱的情况；3、 将激发光谱与发射光谱进行比较，取最大峰值波长计算stokes位移。六、 注意事项1、 荧光分光光度计属于精密光
10、学仪器，使用中严禁拍打和强烈震动2、 氙灯点燃和关闭时会产生高压脉冲，在系统工作过程中禁止关闭氙灯电 源。3、 样品室请勿长时间打开，以免灰尘玷污光学元件。实验二、发光材料的温度猝灭特性一、 实验目的：1、 掌握固体发光材料的温度猝灭特性；2、 掌握970 CRT 荧光分光光度计的时间扫描功能的使用。二、 实验原理：在发光材料中，无辐射跃迁与辐射跃迁同时存在，是辐射跃迁的竞争过程。图4所示为五辐射跃迁的一种过程，箭头所示为高温下从e到g的无辐射跃迁过程，它对中心的发光有猝灭作用，降低材料的发光效率。如果温度足够高，则在最初的激发态B点处不是失去振动能而是得到更多的振动能E达到e上的F点，使系统
11、有可能沿FDA曲线无辐射驰豫到基态的A点附近，激发能完全以热能的形式消散到晶格中，当B点本来就比F点高，猝灭就更容易发生了。如果B点低于F点，那末就需要较高的温度才能使发光中心获得能量E，发生猝灭。已知从B点到F点跃迁概率与成正比，那么，发光强度I与温度T的关系可由下式表达：该模型解释了发光的温度猝灭现象。R越大，交点F与C点越接近，越容易发生温度猝灭，猝灭温度越低。本实验通过测量加热状态下荧光粉的发光强度随温度的变化，研究特定荧光粉的温度猝灭特性。三、 实验仪器与材料：1、 970CRT荧光分光光度计；2、 荧光粉；3、 硝棉溶液；4、 玻片；5、 退火炉；6、 PID温度控制仪。四、 实验
12、步骤1、 按照实验一步骤测量荧光粉薄膜的激发光谱与发射光谱，确定激发光谱与发射光谱的峰值波长。2、 用软件的“to ”功能，设定激发光与发射光的波长。3、 打开图谱扫描，进行参数设置，修改扫描设置为时间扫描以及激发与发射光的波长4、 设定PID温度控制仪的升温速度为5度/分钟5、 记录显示温度，同时开始图谱扫描6、 扫描结束后记录显示的温度，关闭加热电源及温控电源。7、 保存图谱后打开图谱，移动鼠标，读出不同时间的相对发光强度。8、 打印输出后按关机步骤关闭分光光光度计。五、 试验报告：1、 每1分钟记录加热温度，以图表与曲线形式给出；2、 给出发光强度随时间变化的曲线3、 根据记录的温度时间
13、关系以及发光强度-时间关系变换出发光强度-温度关系，以图表与曲线形式给出4、 分析发光强度-温度关系六、 注意事项1、 荧光分光光度计属于精密光学仪器，使用中严禁拍打和强烈震动2、 氙灯点燃和关闭时会产生高压脉冲，在系统工作过程中禁止关闭氙灯电源。3、 样品室请勿长时间打开，以免灰尘玷污光学元件。4、 接通加热电源时检查有无短路情况。附录：970CRT荧光分光光度计使用说明书l 970CRT仪器构成图1 仪器组成图仪器由 1：主机 2：计算机 3：打印机，通过电缆连接成整机系统。 图2 主机与计算机及打印机的连接图。l 操作使用连接好所有电缆和电源线。开机步骤：（1）开氙灯电源（2）开主机电源
14、（3）开打印机电源（4）开计算机电源。关机步骤：（1）关计算机电源（2）关打印机电源（3）关主机电源（4）关氙灯电源。开氙灯电源后氙灯点亮指示应有红光，反之未点亮。 图3 氙灯点亮指示开计算机后仪器自动进入初始化，初始化大约需要5分钟时间。 图4 初始化界面注意：初始化时请不要对计算机进行任何操作。仪器初始化后工作参数已经设置为：（1）EX当前波长：350nm。（2）EM当前波长：397nm。（3）EX扫描范围：200nm-800nm。（4）EM扫描范围：200nm-800nm。（5）EX缝宽：10nm。EM缝宽：10nm。（6）扫描速度：高速。（7）灵敏度：第一位（最低挡）。（8）扫描方式：
15、EM扫描。初始化结束后仪器进入操作界面。上行为开工菜单，下行为快捷操作键。 图5 操作界面（1）文件；用鼠标左键单击本框后，可以选择：数据库文件；打印机设置（出厂时已设置好，如果要更改打印机，用户可重新设置）；退出PDQFL工作状态（关机前退出）的操作。（2）定性分析；用鼠标左键单击本框后，可以选择：图谱扫描；图谱分析；图谱运算功能。（3）定量分析；用鼠标左键单击本框后，可以选择：绘制标准曲线；测定样品浓度等功能。（4）设置及测试；用鼠标左键单击本框后，可以选择：参数设置；S/N比测定等功能。（5）帮助；使用中如有什么问题可参阅本项内容。（6）在进行定量或定性分析前首先须选设置及测试中的参数设置，在参数设置项中设置好
