# 應(yīng)用背景——上轉(zhuǎn)換材料與關(guān)鍵參數(shù)

上轉(zhuǎn)換發(fā)光是指材料分子吸收兩個(gè)或兩個(gè)以上低能光子而輻射一個(gè)高能光子的發(fā)光現(xiàn)象。目前研究的重點(diǎn)是能夠?qū)⒔t外光（波長(zhǎng)較長(zhǎng)，低能）轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光（波長(zhǎng)較短，高能）的上轉(zhuǎn)換材料——例如稀土上轉(zhuǎn)換材料。事實(shí)上，稀土離子的上轉(zhuǎn)換發(fā)光幾乎覆蓋了可見(jiàn)光的各個(gè)波段，其在近紅外量子計(jì)數(shù)器、激光器、三維立體顯示、熒光粉、醫(yī)學(xué)成像及生物傳感器等方面己經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用。

圖1. 上轉(zhuǎn)換發(fā)光原理示意

以生物醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用為例，傳統(tǒng)的熒光探針需要較短波長(zhǎng)的激發(fā)光——由于波長(zhǎng)越短，光在組織中的穿透能力越低——從而限制了成像的深度。而稀土上轉(zhuǎn)換發(fā)光納米材料（upconversion nanoparticles，UCNPs）作為熒光探針，通常可以采用近紅外連續(xù)激光器（典型的是980 nm，808nm）作為激發(fā)光源，其特點(diǎn)如下：（1）獲得較深的成像深度，（2）波長(zhǎng)較長(zhǎng)的近紅外光對(duì)生物組織的損傷較小，（3）能夠完全避免熒光成像中常見(jiàn)的生物組織背景熒光，從而獲得更高的圖像質(zhì)量。

在上轉(zhuǎn)換材料的研究中，量子產(chǎn)率、吸收光譜、發(fā)射光譜、壽命等都是經(jīng)常需要測(cè)量的參數(shù)。濱松針對(duì)上轉(zhuǎn)換材料研究中的具體需求（詳細(xì)見(jiàn)下）設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)試系統(tǒng)、可見(jiàn)近紅外熒光壽命測(cè)試系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的配件。

# 量子產(chǎn)率

材料發(fā)出光子的數(shù)目與所吸收光子數(shù)目的比值稱為量子產(chǎn)率。由于量子產(chǎn)率很大程度上反應(yīng)了材料對(duì)激發(fā)光的利用效率，所以為了獲得更廣闊的應(yīng)用前景，量子產(chǎn)率的提升是上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料研究中一個(gè)繞不過(guò)去的話題。

# 發(fā)射光譜

除了量子產(chǎn)率，上轉(zhuǎn)換材料的發(fā)射光譜也非常關(guān)鍵。大多數(shù)“上轉(zhuǎn)換材料”不僅會(huì)發(fā)出基于上轉(zhuǎn)換原理、波長(zhǎng)較短的光譜，還會(huì)同時(shí)發(fā)出基于下轉(zhuǎn)換原理波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光譜；兩者很有可能一個(gè)在可見(jiàn)光波段，一個(gè)在近紅外波段。在不同的應(yīng)用中，對(duì)兩者的關(guān)注有可能各有側(cè)重；但同時(shí)得到兩者的數(shù)據(jù)在材料研究中非常重要。

# 寬廣而精準(zhǔn)的光譜測(cè)量

由于常見(jiàn)的上轉(zhuǎn)換材料都是將近紅外光轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光，所以橫跨可見(jiàn)光到近紅外波段的吸收光譜/發(fā)射光譜也是上轉(zhuǎn)換材料的研究和研發(fā)中所關(guān)注的重要參數(shù)。而且對(duì)光譜的準(zhǔn)確測(cè)量也是絕對(duì)量子產(chǎn)率測(cè)量的基礎(chǔ)。

為了契合這樣的需要，濱松Quantaurus-QY plus中不僅配備了高靈敏度高信噪比背照式CCD探測(cè)器（探測(cè)范圍從紫外至約1100nm的近紅外，如圖2上左），而且配備了專門用于近紅外波段的InGaAs探測(cè)器（從850nm至1650nm，如圖2上右）。作為在光電行業(yè)深耕細(xì)作幾十年，光探測(cè)器產(chǎn)品線非常寬廣的技術(shù)型公司，濱松在Quantaurus系列產(chǎn)品中均選用了自產(chǎn)的探測(cè)器。并基于對(duì)探測(cè)器的深刻理解與定制，開(kāi)發(fā)出了特有的“光譜無(wú)縫縫合”技術(shù)，使得通過(guò)可見(jiàn)光探測(cè)器和近紅外探測(cè)器所得到的光譜能夠完美地銜接在一起（如圖2），從而使用戶可以在300-1650nm的范圍內(nèi)，橫跨可見(jiàn)及近紅外區(qū)域得到完整且精準(zhǔn)的光譜和真實(shí)的量子產(chǎn)率數(shù)值（例如圖3）。

# 低至萬(wàn)分之一的量子產(chǎn)率檢測(cè)

上轉(zhuǎn)換發(fā)光所吸收的光子能量低于所發(fā)射的光子能量（稱為反Stokes發(fā)光）；其發(fā)光機(jī)理是基于雙光子或多光子過(guò)程——這要求材料分子需要在很短的時(shí)間內(nèi)吸收到2個(gè)或者更多光子，否則被一個(gè)低能光子激發(fā)的材料分子，是無(wú)法輻射出一個(gè)高能光子的。上轉(zhuǎn)換發(fā)光的這個(gè)要求其實(shí)并不容易達(dá)到，至少大大難于只需要材料分子吸收一個(gè)光子的普通熒光（或者下轉(zhuǎn)換發(fā)光）。這導(dǎo)致目前常見(jiàn)的上轉(zhuǎn)換量子產(chǎn)率多為0.01%~5%，比常見(jiàn)的熒光（或下轉(zhuǎn)換發(fā)光）材料的絕對(duì)量子產(chǎn)率要低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

針對(duì)上轉(zhuǎn)換材料普遍較低的量子產(chǎn)率，濱松在內(nèi)置光源之外，還提供選配的高功率氙燈光源以及激光器。圖4所示的文獻(xiàn)中，作者就采用了980nm的近紅外激光器作為光源，利用濱松Quantaurus-QY plus測(cè)得了低至0.22%的量子產(chǎn)率。

# 靈活而專業(yè)的光源及探測(cè)器配置方案

無(wú)論是寬廣光譜的探測(cè)，極低量子產(chǎn)率的測(cè)量，還是需要采用多種不同波長(zhǎng)的激光器作為激發(fā)光源，上轉(zhuǎn)換材料的研究給儀器不斷提出新的要求，不同研究者對(duì)儀器的預(yù)期也不盡相同。這使得儀器的配置靈活性和可擴(kuò)展性變得越來(lái)越重要。

在探測(cè)器方面，濱松可以根據(jù)實(shí)際需求配置單探測(cè)器（350-1100nm），而后可以再升級(jí)成雙探測(cè)器配置（350-1650nm）。

而在光源方面，濱松不僅提供內(nèi)置光源以及選配的高功率氙燈光源和激光器，儀器上的FC和SMA外置接口更是允許用戶接入已有激光光源，以節(jié)省成本。