专利名称：一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法
技术领域：
本发明涉及荧光寿命的测量方法。
背景技术：
光通讯放大器一般是由Er3+离子掺杂材料制备的，Er3+离子的荧光寿命是设计光 通讯放大器时的一个重要参考数据，所以精确地测量材料中Er3+离子的荧光寿命显得非常 重要，目前测量E一+离子荧光寿命的方法主要有快离子束激光技术、延迟符合单光子计数 技术、脉冲取样技术、荧光上转换技术和泵浦探测技术，其中快离子束激光技术、延迟符合 单光子计数技术和脉冲取样技术都要求对起源于待测能级的荧光进行监视，如果待测能级 的荧光在红外区，则测量需要价格十分昂贵的红外探测器，而且除了光强的测量外，还需要 对延迟时间进行标定，设备昂贵且测试过程复杂；荧光上转换技术和泵浦-探测技术虽然 实现了红外能级在可见光区域的测量，但是这两种方法都引入了双光束和双光束之间的延 迟变化，这就大大地增加了检测的难度。

发明内容
本发明是为了解决现有的测量红外荧光寿命的方法需要昂贵的红外探测器、测试 过程复杂、需要引入双光束和双光束之间的延迟变化，检测难度大的问题，而提供一种铒离 子上转换中间能级寿命的测量方法。 本发明的一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法按以下步骤进行一、用同 轴电缆将延迟信号发生器的一个输出通道与短脉冲激光器的输出控制端连接，再将另一个 输出通道与高压脉冲发生器外触发端连接；然后用同轴电缆将高压脉冲发生器的一个输出 端与增强型电荷耦合器的外触发端口连接；将增强型电荷耦合器的控制端口与数据采集卡 连接，数据采集卡插在计算机的主板上；增强型电荷耦合器插在光栅光谱仪的出射口 ，其 中短脉冲激光器输出的脉冲波长为790nm 820nm或960nm 1020nm，脉冲持续时间为 100fs 10ns ;二、将光栅光谱仪的中心波长调至550nm或660nm，将增强型电荷耦合器的 门宽设为900ys ;三、将被测Er"离子掺杂材料样品是固定在样品架上，启动短脉冲激光 器，由短脉冲激光器发出的脉冲照射在Er3+离子掺杂材料样品上，样品发出的荧光经收集 透镜收集后进入光谱仪的入射狭缝，在计算机上显示出光强；四、调节延迟信号发生器的频 率旋钮，使激发脉冲的频率4从10Hz增加到1000Hz，并记录在不同的频率&下计算机上 所对应的光强Ii ;五、对获得的数组Ii-l/fi，以1/f为横作标，以强度I为纵作标作图，然后
用公式<formula>formula see original document page 3</formula>以合，得到荧光寿命T 。 所述的Ei^离子掺杂材料样品为Ei^+掺杂的粉末、薄膜、单晶、多晶、玻璃或陶瓷。
本发明的一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法的工作原理是(参见附图 1)在一个激光脉冲的作用下，Er3+离子基态能级(4115/2)上的电子被激发到泵浦能级(在 约800nm激光激发下泵浦能级为419/2，在约980nm的激光激发下泵浦能级为4111/2)，此过程为基态吸收(GSA)。泵浦能级不稳定，其上的电子会很快的弛豫到上转换中间能级(4I13/2) 上，上转换中间能级是一个亚稳态，电子在上转换中间能级停留数毫秒，接下来的脉冲将导 致上转换中间能级上的部分电子被进一步激发到上转换发光能级(在约800nm激光激发下 上转换发光能级为^3/2，在约980nm激光激发下上转换发光能级为4F9/2)，此过程为激发态 吸收(ESA)。最后电子从上转换发光能级通过辐射跃迁回到基态，发出可见光。整个过程就 称为激发态吸收上转换发光。 单个激光脉冲的能量保持不变，就是保持基态吸收和激发态吸收的跃迁几率不 变，分别设基态吸收的跃迁几率为WesA，激发态吸收的跃迁几率WESA，设基态电子数为N，那么 基态电子吸收激光脉冲的能量被激发到泵浦能级上的电子数就为N,^。由于弛豫到上转 换中间能级需要约几百微秒的时间，如果激光脉冲的持续时间小于10纳秒，就可以认为基 态吸收和激发态吸收不能由同一个激光脉冲激发引起，因此激发态吸收由第二个(t = t》、 第三个(t = 2t》、……激光脉冲激发引起。假设所有被GSA激发的电子都能弛豫到上转 换中间能级，当脉冲间的时间间隔大于1毫秒，就可以认为在零时刻(t = 0)上转换中间能 级上的电子数为N W^，如果上转换中间能级的寿命为t ，那么当第二个激光脉冲到达时 上转换中间能级上的电子数就为N WesA e邓(-t乂 t )，第三个激光脉冲到达时上转换中间 能级上的电子数就为N WesA e邓(-2t乂 t )，……，那么达到稳态时被激发到上转换发光
能级的电子数就为N WE:A' J] e，(-i ■ tlB)上转换发光的强度I正比于上转换
i=l ，
发光能级上的电子数，也就是1^ N ■ WKli' Wj^' Z "p(-i ■ h/T)所以上转换的发光强
i=l ，
度I中包含了上转换中间能级的寿命t信息。通过调节激光脉冲的频率f，也就是相邻两 个激光脉冲之间的时间间隔、，^作为自变量，上转换发光强度I为应变量，通过数据拟合 就可以获得中间能级的寿命t 。 本发明在保持单脉冲能量不变的条件下，通过激发脉冲频率的调节来实现脉冲 间隔的控制，用激发态吸收上转换发光来监视上转换中间能级上的粒子数变化，根据上转 换发光强度随激发脉冲的频率变化来导出上转换中间能级的寿命，避免了快离子束激光技 术、延迟符合单光子计数技术、脉冲取样技术这三种技术要使用红外区域探测器要求，采用 单光束，避免了荧光上转换技术和泵浦探测技术两种技术中的双光束问题，测量过程简单， 实现了红外能级荧光寿命用可见光探测器的探测的目的。


图1是本发明的一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法的工作原理图；图2 是具体实施方式
一的装置框图；图3是具体实施方式
九的光强与脉冲频率的关系和拟合曲 线。
具体实施例方式
具体实施方式
一 (参见附图2)本实施方式的一种铒离子上转换中间能级寿命的 测量方法按以下步骤进行一、用同轴电缆将延迟信号发生器的一个输出通道与短脉冲激光器的输出控制端连接，再将另一个输出通道与高压脉冲发生器外触发端连接；然后用同 轴电缆将高压脉冲发生器的一个输出端与增强型电荷耦合器的外触发端口连接；将增强型 电荷耦合器的控制端口与数据采集卡连接，数据采集卡插在计算机的主板上；增强型电荷 耦合器插在光栅光谱仪的出射口 ，其中短脉冲激光器输出的脉冲波长为790nm 820nm或 960nm 1020nm，脉冲持续时间为lOOfs 10ns ;二、将光栅光谱仪的中心波长调至550nm 或660nm，将增强型电荷耦合器的门宽设为900 y s ;三、将被测Er3+离子掺杂材料样品是固 定在样品架上，启动短脉冲激光器，由短脉冲激光器发出的脉冲照射在Er3+离子掺杂材料 样品上，样品发出的荧光经收集透镜收集后进入光谱仪的入射狭缝，在计算机上显示出光 强；四、调节延迟信号发生器的频率旋钮，使激发脉冲的频率fi从10Hz增加到1000Hz，并记 录在不同的频率4下计算机上所对应的光强Ii ;五、对获得的数组Ii-l/fi，以1/f为横作
T Aexp[-l/(fiT)]
标，以强度1为纵作标作图，然后用公式11= A ^-r , ^" +10拟合，得到荧
1 - exp[-l/(fii:)]
光寿命T 。
t A exp[-,)]
本实施方式的拟合公式"=A ^——r , yg ^ + Io中，li为激发频率为4
1 - exp[-l/(fii;)]
时的上转换积分强度，T为上转换中间能级的寿命，为拟合参数，A和I。为待确定常数；所 述的单脉冲能量不变是指每个激发脉冲引起的基态吸收和激发态吸收几率为一固定值。 本实施方式中的延迟信号发生器、短脉冲激光器、高压脉冲发生器、增强型电荷耦 合器和光栅光谱仪均为市售设备。图2中的虚线箭头为同轴电缆连接，实线箭头为光的传
播路线。 本实施方式在保持单脉冲能量不变的条件下，通过激发脉冲频率的调节来实现脉 冲间隔的控制，用激发态吸收上转换发光来监视上转换中间能级上的粒子数变化，根据上 转换发光强度随激发脉冲的频率变化来导出上转换中间能级的寿命，避免了快离子束激光 技术、延迟符合单光子计数技术、脉冲取样技术这三种技术要使用红外区域探测器要求，采 用单光束，避免了荧光上转换技术和泵浦_探测技术两种技术中的双光束问题，测量过程 简单，实现了红外能级荧光寿命用可见光探测器的探测的目的。
具体实施方式
二 本实施方式与具体实施方式
一不同的是步骤一中短脉冲激光 器输出的脉冲波长为795nm 815nm。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一或二不同的是步骤一中短脉冲 激光器输出的脉冲波长为800nm。其它与具体实施方式
一或二相同。 具体实施方式
四本实施方式与具体实施方式
一至三不同的是步骤一中短脉冲 激光器输出的脉冲波长为970nm 1010nm。其它与具体实施方式
一至三相同。
具体实施方式
五本实施方式与具体实施方式
一至四不同的是步骤一中短脉冲 激光器输出的脉冲波长为980nm。其它与具体实施方式
一至四相同。 具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一至五不同的是步骤一中短脉冲 激光器输出的脉冲的持续时间为150fs 5ns。其它与具体实施方式
一至五相同。
具体实施方式
七本实施方式与具体实施方式
一至六不同的是步骤一中短脉冲 激光器输出的脉冲的持续时间为500fs。其它与具体实施方式
一至六相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一至七不是的是所述的Er3+离子 掺杂材料样品为Er3+离子掺杂的粉末、薄膜、单晶、多晶、玻璃或陶瓷。其它与具体实施方式
一至七相同。
具体实施方式
九(参见附图3)本实施方式的一种铒离子上转换中间能级寿命的 测量方法按以下步骤进行一、用同轴电缆将延迟信号发生器的一个输出通道与短脉冲激 光器的输出控制端连接，再将另一个输出通道与高压脉冲发生器外触发端连接；然后用同 轴电缆将高压脉冲发生器的一个输出端与增强型电荷耦合器的外触发端口连接；将增强型 电荷耦合器的控制端口与数据采集卡连接，数据采集卡插在计算机的主板上，增强型电荷 耦合器插在光栅光谱仪的出射口 ；其中短脉冲激光器输出的脉冲波长为800nm，脉冲持续 时间为130fs ;二、将光栅光谱仪的中心波长调至550nm，将增强型电荷耦合器的门宽设为 900iis ;三、将被测Er"离子掺杂铌酸锂单晶样品是固定在样品架上，启动短脉冲激光器， 由短脉冲激光器发出的脉冲照射在Er3+离子掺杂铌酸锂单晶样品上，样品发出的荧光经收 集透镜收集后进入光谱仪的入射狭缝，在计算机上显示出光强；四、调节延迟信号发生器 的频率旋钮，使激发脉冲的频率4分别为1000Hz、500Hz、333Hz、250Hz和200Hz，计算出对 应的1/4分别为lms、2ms、3ms、4ms和5ms，并记录计算机上对应的光强^分别为1. 0cps、
0. 47cps、0. 19cps、0. 16cps和0. 15cps ;五、对获得的数组1「1/^，以1/f为横作标，以强度
T Aexp[-l/(fj)]
i为纵作标作图，然后用公式Ii- A ;-f , ^ si +10拟合，得到荧光寿命t。
1- exp[-l/(fii;)] 本实施方式中的延迟信号发生器的型号是Spectra-Physics， SDGII ;短脉冲 激光器的型号是Spectra-Physics， Spitfire ;高压脉冲发生器的型号是STANFORD RESEARCHSYSTEMS， DG535 ;增强型电荷耦合器的型号是AND0R， iStar， DH720 ;光栅光谱仪 的型号是BRUKER. Chromex 500IS/SM。 本实施方式所得的Ii-l/fi关系图如附图3所示，经拟合后的曲线为y二Ae邓(-x/ t )/[l-e邓(-x/ t )]+y。，其中A = 0. 63123， y。 = 0. 07323，拟合的确定系数为0. 9889，拟合 方差为0.0059。上式中x二 1/f，得出Ei^+掺杂铌酸锂单晶的、力能级的荧光寿命t =
1. 94170ms。理论计算的Er3+掺杂铌酸锂单晶4113/2能级的辐射寿命为2. 3ms，实际测量的 荧光寿命应该小于2. 3ms，目前报道的测量值范围为2. 2ms 4. 6ms，所以与现有的测量技 术相比，本实施方式的荧光寿命值更接近于其真实值，测量精度取决于对辐射陷阱的抑制 程度，抑制程度越高，测量出的寿命越接近真实值，本实施方式的测量值可信度高，有效抑 制了辐射陷阱的影响。
权利要求
一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法，其特征在于一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法按以下步骤进行一、用同轴电缆将延迟信号发生器的一个输出通道与短脉冲激光器的输出控制端连接，再将另一个输出通道与高压脉冲发生器外触发端连接；然后用同轴电缆将高压脉冲发生器的一个输出端与增强型电荷耦合器的外触发端口连接；将增强型电荷耦合器的控制端口与数据采集卡连接，数据采集卡插在计算机的主板上；增强型电荷耦合器插在光栅光谱仪的出射口，其中短脉冲激光器输出的脉冲波长为790nm～820nm或960nm～1020nm，脉冲持续时间为100fs～10ns；二、将光栅光谱仪的中心波长调至550nm或660nm，将增强型电荷耦合器的门宽设为900μs；三、将被测Er3+离子掺杂材料样品固定在样品架上，启动短脉冲激光器，由短脉冲激光器发出的脉冲照射在样品上，样品发出的荧光经收集透镜收集后进入光谱仪的入射狭缝，在计算机上显示出光强；四、调节延迟信号发生器的频率旋钮，使激发脉冲的频率fi从10Hz增加到1000Hz，并记录在不同的频率fi下计算机上所对应的光强Ii；五、对获得的数组Ii-1/fi，以1/f为横作标，以强度I为纵作标作图，然后用公式拟合，得到荧光寿命τ。F201010300207220100112C000011.tif
2. 根据权利要求1所述的一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法，其特征在于步 骤一中短脉冲激光器输出的脉冲波长为795nm 815nm。
3. 根据权利要求1或2所述的一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法，其特征在 于步骤一中短脉冲激光器输出的脉冲波长为970nm 1010nm。
4. 根据权利要求3所述的一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法，其特征在于步 骤一中短脉冲激光器输出的脉冲的持续时间为150fs 5ns。
5. 根据权利要求1、2或4所述的一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法，其特征 在于步骤三中所述的Er3+离子掺杂材料样品为Er3+掺杂的粉末、薄膜、单晶、多晶、玻璃或 陶瓷。
全文摘要
一种铒离子上转换中间能级寿命的测量方法，它涉及荧光寿命的测量方法，本发明解决了现有的测量红外荧光寿命的方法需要昂贵的红外探测器、测试过程复杂、需要引入双光束和双光束之间的延迟变化，检测难度大的问题。本发明该方法是由延迟信号发生器、短脉冲激光器、高压脉冲发生器、增强型电荷耦合器和光栅光谱仪组成测试系统，被测材料经脉冲照射而发出的荧光进入光谱仪检测光强；在单脉冲能量不变的条件下，测出不同激发频率下及相应的可见光强度，绘出I-1/f关系图，然后利用公式拟合，拟合的τ为上转换中间能级寿命。采用单光束，用可见光探测器测量红外能级荧光寿命，测量过程简单，可用于Er3+掺杂材料的荧光寿命。
文档编号G01N21/64GK101788485SQ20101030020
公开日2010年7月28日 申请日期2010年1月12日 优先权日2010年1月12日
发明者刘伟龙, 李艾华, 郑植仁 申请人:哈尔滨工业大学