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由于近些年新兴起来的掺杂稀土离子材料的量子剪裁下转换,能把吸收到的一个高能光子转换成两个或多个低能光子,从而可应用到等离子显示器,无汞荧光灯以及太阳能电池上,提高无汞荧光灯的发光效率和提高硅(锗)基太阳能电池的效率,因而成为科学家们的热点研究内容。而应用于太阳能电池板上的量子剪裁材料需具备良好的透光性和切割性,稀土离子掺杂的纳米非晶材料便具备此特点,它制备简单,具有良好的透光性且易于加工切割,因而它也是近红外量子剪裁现象基质材料的一个研究趋势。 本文选择五磷酸盐非晶材料作为研究红外量子剪裁现象的基质材料,对其进行荧光动力学计算模拟,从而对五磷酸盐非晶中实现近红外量子剪裁现象的物理机制进行分析研究和预测,且用此整套计算模拟方法,对掺Er3+离子的氟氧化物玻璃陶瓷材料进行计算模拟,均得到了和实验基本一致的结论。因此,此方法可以广泛应用到其它材料的研究中去。 本文在第二章主要对国内外量子剪裁的研究状况和进展进行介绍(包括可见量子剪裁和红外量子剪裁两部分),以及量子剪裁现象的发光机理和实验上求解量子剪裁效率的方法等。 第三章介绍三价稀土离子的能级结构特点。其巾由于静态奇次项晶场的作用,使具有相反宇称的4fN-1nl激发组态混入到4fN组态中,形成两种宇称的混合态,从而使电偶极跃迁宇称禁戒条件部分解除;且采用居问耦合波函数米描述稀土离子的能级。 第四章介绍稀土离子发光的基本理论,为后面进行动力学模拟所需要的各跃迁过程的速率作准备。主要介绍各单粒子过程(自发辐射过程,多声子无辐射弛豫过程,以及受激发射和受激吸收过程)和稀土离子之间的能量传递和能量反传递过程的理论模型及近似计算方法。 第五章是J-O理论在晶体基质中和在玻璃基质中的应用。分别用J-O理论计算了Er:YVO4晶体,Pr:FOV,PrYb:FOV和PrYb:FOG材料中的光谱三参量及稀土离子各激发态间跃迁的振子强度,自发辐射速率,能级寿命,荧光分支比及积分发射截面等光学参数,由此分析其可能产生激光输出的通道和其应用前景。对Er:YVO4晶体考虑了其各向异性的特点,用群论讨论了Er3+在YVO4晶场中各能级的劈裂情况及选择定则。分别用标准的和修正的J-O理论分别对Pr:FOV,PrYb:FOV和PrYb:FOG材料的吸收光谱进行了对比分析,此修正的J-O理论对于pr3+掺杂其它基质材料的光学性能的分析具有参考意义。 第六章介绍了五磷酸盐非晶中近红外量子剪裁的实验,以及近红外量子剪裁在太阳能电池上的应用。实验结果表明了在2H11/2、4G11/2和4G9/2能级的光激发下可能实现三光子和四光子的红外量子剪裁。 第七章主要根据稀土离子发光的相关理论,建立了研究掺Er3+的五磷酸盐非晶材料中量子剪裁的荧光动力学计算模型。研究了不同浓度的五磷酸盐非晶在不同光激发下发生近红外量子剪裁的可能性及相对近红外量子剪裁效率大小的估算。其中,由于Er3+离子之间的交叉能量传递是导致ErP5O14非晶产生红外量子剪裁现象的主要原因,故本文在计算能量传递速率时,考虑了能量传递Stokes过程和反Stokes过程之间的差别。结果表明,当稀土离子间距较小时,考虑这一差别对计算模拟非常重要,如在全浓度五磷酸盐非晶中,对于反Stokes过程的速率计算必须乘上因子exp{hc(-v)k/kT}。由此得到了和实验现象相一致的模拟结果。另外,还用此方法对Er(0.3):FOV材料当中的近红外量子剪裁现象进行了动力学模拟,也得到了和实验基本符合的模拟结果,但对于浅紫外光的激发,本模拟结果得到的理论量子剪裁效率值高于实验值,这也是本文有待改进的地方。