【文章內(nèi)容簡介】 表達式中，表達式()求從0到無窮的積分，考慮到實驗所用樣品產(chǎn)生的是平面極化輻射，取為1，并轉(zhuǎn)化球面度單位到平面單位，可得灰體輻射輻射強度的公式，即： ()表達式中取，，為黑體輻射強度公式。通過這一關(guān)系可以看出當為確定值時，黑體輻射與灰體輻射存在線性關(guān)系。 黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)理論模型從黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)的基本模型出發(fā)，即。表達式中表示樣品吸收光強，即： ()其中，表示Yb離子的共振吸收系數(shù)，非共振吸收系數(shù)（背景散射）。是輻射強度，包括三部分，即： ()其中表示納米材料中稀土離子吸收能量產(chǎn)生的熒光輻射光強能量，表示樣品產(chǎn)生的黑體輻射的能量，表示熱傳導的能量。熒光輻射光強可以表示為： ()公式中，為樣品吸收光強，單位為W/m2，表示Tm離子的熒光輻射頻率，單位為Hz，表示泵浦光的頻率，即激光器的頻率，單位為Hz，為表示多光子弛豫過程中的離子激發(fā)比，即1個Tm離子輻射需要的Yb離子的個數(shù)，實驗中取為3。表示Yb離子的量子傳遞效率，表示Tm離子的輻射量子效率，表示Tm離子的逃逸量子效率。是關(guān)于溫度T的函數(shù)，它與Yb離子的輻射躍遷速率和無輻射躍遷速率有關(guān)，具體表達式為： ()表示Yb離子的輻射躍遷速率，單位為Hz，表示Yb離子的無輻射躍遷速率，單位為。也是關(guān)于溫度T的函數(shù)，它的表達式為： ()表達式中h為普朗克常數(shù)，1034，單位為Js，c為光速，108m/s，k為波爾茲曼常數(shù)，1023J/K，λ為Tm的輻射波長，其值為801nm，N為Tm離子激發(fā)態(tài)能級無輻射弛豫所釋放的聲子數(shù)，在本課題中取1。樣品產(chǎn)生黑體輻射的強度為，其表達式為： ()公式中σ為斯蒂芬—波爾茲曼常數(shù)，其值為W/K4m2，T0表示實驗環(huán)境的室溫，在課題進行的實驗中取300K。任何物體都有熱導，樣品的導熱使得樣品產(chǎn)生的能量向外傳遞。熱導的輻射強度為： （）K(T)為樣品的熱導率，是關(guān)于溫度的函數(shù)，單位為W/(Km)。根據(jù)熱導作為一個重要的參數(shù)，它對黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)有重要影響。為了探究它的變化規(guī)律，我們采用S. M. Redmond論文中提到的數(shù)據(jù)用函數(shù)y = A1*exp (x/t1) + y0 擬合[18]?？芍?，當溫度較低(T1000K)時，K(T)隨著溫度T的增加成指數(shù)下降關(guān)系，即激光器的隨著輸出功率升高，熱導的下降速度越快。當溫度較高時(T1000K)時，K(T)基本為常數(shù)，(Km)。 樣品熱導率隨溫度的變化規(guī)律作為產(chǎn)生雙穩(wěn)態(tài)的理論模型，公式()—()帶入公式()可得樣品吸收強度與熒光輻射強度、黑體輻射強度、熱傳導強度的關(guān)系： ()公式中K的取值為常數(shù)，αs為非共振吸收系數(shù)，即背景的吸收和散射造成的輻射。公式（）是討論黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生原因的重要依據(jù)，將在第四章中討論。 實驗材料的制備按一定的化學計量比稱取硝酸氧鋯[ZrO(NO3)2]和Yb(NO3)Tm(NO3)3溶于水中， g EDTA（乙二胺四乙酸，質(zhì)量分數(shù)為2%）（金屬離子：尿素=1：2），攪拌20 min，移入坩堝內(nèi)，在100度下燒1 h，再升溫至800度燒3 h。調(diào)整加入的試劑量可制成不同摻雜濃度的。本實驗采用Yb:Tm=8%:%的樣品。Tm,Yb:ZrO2納米晶體的形貌用掃描電子顯微鏡（SEM）顯示，掃描圖像如圖2所示，納米顆粒近球形，平均直徑約3050 nm。最樣品燒制成后呈白色粉末狀，用壓片機將粉末壓成直徑10 mm厚度約1 mm的納晶薄片，即制成最終測試樣品。 由掃描電鏡的到的樣品微觀圖像 本章小結(jié)本章綜合概述了有關(guān)黑體輻射的相關(guān)基礎(chǔ)知識，納米材料產(chǎn)生黑體輻射的原因和黑體雙穩(wěn)態(tài)非線性變化的理論依據(jù)。其中論文中提到的黑體輻射雙穩(wěn)態(tài)行為的變化依據(jù)和灰體輻射公式是結(jié)合了相關(guān)文獻后完成的。這一部分為之后兩章的實驗結(jié)果分析打下了良好的基礎(chǔ)。第3章 Tm,Yb:ZrO2黑體輻射特性 納米材料黑體輻射模型以確定的激光器輸出強度激發(fā)樣品，樣品溫度的快速增加使得樣品產(chǎn)生的輻射強度快速增加。當不斷增加激光器的激發(fā)強度，溫度也跟隨著升高，襯底氧化鋯由固態(tài)向液態(tài)變化，這時熱導有明顯的減小。在470K時，襯底ZrO2發(fā)生了結(jié)構(gòu)性相變，而這個溫度低于襯底的熔點。同樣由于固液相變時納米材料反射率的突然降低，增加了材料對激光器入射的吸收[18]。在熒光淬滅之后材料吸收的激光能量不再轉(zhuǎn)化成光能，更多的以熱輻射的形式發(fā)出。這是由于熒光淬滅后，Tm離子能級之間的躍遷以多聲子弛豫過程為主[19]。實驗樣品屬于非晶固體，而聲子是樣品產(chǎn)生熱輻射的能量量子。因而在淬滅之后激光功率越高，產(chǎn)生的聲子越多，熱輻射強度越高[2022]。而實驗中得到的輻射源可否認近似認為是黑體下面將作出解釋。 輻射點源的黑體近似 實驗方案實驗采用輻射光譜作為分析研究摻雜稀土離子的納米材料黑體輻射特性的工具。激發(fā)光譜通常用來檢驗關(guān)于能量轉(zhuǎn)換盒上轉(zhuǎn)換發(fā)光晶體能級的相關(guān)假設(shè)。為了得到輻射光譜，實驗設(shè)備開始于波長為972nm的半導體激光器，實驗對光束不進行任何處理，直接照射在固定在實驗臺上的實驗樣品上，激光器對樣品進行激發(fā)。激光光束激發(fā)樣品產(chǎn)生輻射后，激發(fā)的光束經(jīng)過由兩個平凸透鏡組成的匯聚系統(tǒng)，對光束進行聚焦可以減少樣品被激發(fā)輻射的發(fā)散損耗，有利于的探測設(shè)備進行探測。采用TE制冷型銦鎵砷探測器探測，對樣品激發(fā)后的光譜進行探測。由于激光器的本身波長是972nm，為了避免激光器對光譜探測時的干擾，實驗跳過了9001000nm這一波段。探測器的終端是采用Zolix光柵光譜儀，光譜儀采用DSC103數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對光譜儀收集到的數(shù)據(jù)進行采集。光譜儀采集到的信息在計算機上顯示為相對強度依賴于波長的變化規(guī)律。利用上述的實驗設(shè)備可以得到激光器激發(fā)樣品產(chǎn)生的輻射光譜，為接下來與理論黑體輻射譜擬合提供了數(shù)據(jù)。使用上述的實驗方案，減少了輻射散射的損耗，通過光譜圖可以直接觀察峰值變化和峰值對應波長的變化。 9001000nm波段探測裝置圖雖然通過上述的實驗方案可以得到相對強度隨波長的變化規(guī)律，但是考慮到探測器的響應區(qū)間，因此收集到數(shù)據(jù)之后，需要通過HL2000CAL輻射校正標準能量燈對實驗數(shù)據(jù)進行必要的校正。校正光路只是在收集輻射譜實驗設(shè)備上進行修改，用標準燈替換包括激發(fā)樣品在內(nèi)的之前的實驗設(shè)備。HL2000CAL輻射校正標準能量燈在300—1050nm區(qū)間內(nèi)是準確的，實驗中得到的紅外部分數(shù)據(jù)在大部分在這個范圍之外，紅外部分的校正通過擬合得到。 校正裝置圖 測量方案和結(jié)果測量數(shù)據(jù)時，觀察產(chǎn)生到樣品產(chǎn)生熒光。之后緩慢增大激光器的工作電流，可以發(fā)現(xiàn)隨著激光器工作電流的增大，樣品產(chǎn)生的熒光逐漸減小，熒光顏色從藍色向紅色變化，直到淬滅。，此時，樣品表面產(chǎn)生強烈的白熾現(xiàn)象，樣品進入黑體輻射區(qū)。接著開始探測激光器誘導得到的光譜，探測時跳過9501000nm部分。因為激光器本身的波長為972nm，跳過該波段避免激光器波長對光譜的影響。、、。(a)(b)所示。（a） （b） 樣品輻射源的黑體近似比較所得樣品激發(fā)后輻射源的光譜圖，(a)(b)，橫坐標為波長，縱坐標為相對強度。圖中峰值清晰可見，隨著激光器工作電流增大，樣品產(chǎn)生的輻射峰值的相對強度增大。每條曲線的變化規(guī)律基本相同。通過數(shù)據(jù)采集卡得到的輻射相對強度隨著波長變化數(shù)據(jù)，采用origin8軟件，和普朗克黑體輻射公式進行擬合。使用的擬合公式為 ()擬合公式中，m為擬合參數(shù)，由數(shù)據(jù)和普朗克公式擬合后由軟件給出，分別為常數(shù)，1016Wm2和WK。為波長，單位為nm，T為溫度，單位為K。(a)(b)給出。通過擬合數(shù)據(jù)，可以得到對應工作電流時的輻射溫度。(a) (b) 根據(jù)上面所得的數(shù)據(jù)擬合圖像，黑色的散點是表示光譜中，每一個波長對應的相對強度。曲線是所得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過和普朗克黑體輻射公式擬合后得到的曲線。通過擬合曲線，可以明顯的看出，在波長1500nm附近存在峰值。隨著工作電流增大，光譜的峰值的相對強度也在增大。光譜本身的輻射曲線與擬合曲線，雖然沒有完全擬合，但是在變化規(guī)律上基本一致，可以清晰的辨別出峰值、下降、上升的趨勢。由于實驗數(shù)據(jù)都經(jīng)過了標準譜校正，而課題送用的標準譜缺少10001800nm這一部分的標準值，論文所用的標準值是經(jīng)過公式擬合得到，考慮到實驗設(shè)備本身存在誤差，以及熱動力學的影響，因此造成標注實驗結(jié)果與數(shù)據(jù)擬合上有差別，可以認為樣品經(jīng)過激光器的誘導得到了近似的黑體輻射點源。對于得到的輻射點源的尺度，經(jīng)過掃描電鏡的測量。這是應為激光的光輻射和樣品產(chǎn)生黑體輻射后產(chǎn)生了大量的熱，使得樣品表面溫度高于樣品的熔點，發(fā)生了相變。待激光器停止提供能量后，溫度降低，材料冷卻留下了孔洞。 掃描電鏡得到的輻射點源觀察由掃描電鏡得到的樣品表面圖像，可以清晰地看到樣品被激光器激發(fā)的表面和周圍沒有被激發(fā)地方相比不再平整，樣品上被打出了孔洞。這正是由于在樣品表面發(fā)生固液相變，表面的樣品被融化并且再次凝固帶來的結(jié)果。當然，課題所得到的并不是黑體。通過和灰體輻射的公式即公式()進行擬合。 通過灰體輻射擬合的圖像，很坐標為波長，縱坐標為輻射強度的相對值。黑點表示每一波長對應的輻射強度的相對值，紅色曲線是和灰體產(chǎn)生輻射公式擬合后的圖像?？梢钥闯鰯M合出的灰體輻射曲線基本符合實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，可以清晰分辨出來曲線的上升、峰值、下降。在變化規(guī)律上遵循熱輻射的變化規(guī)律。同樣，灰體輻射所用的實驗數(shù)據(jù)依舊受到了標準譜不平坦的影響，和實際的實驗結(jié)果產(chǎn)生了誤差。自然界中，并不存在真正意義上的黑體，課題利用納米材料在發(fā)生熒光淬滅現(xiàn)象后，產(chǎn)生黑體輻射的特性，得到了大小約為200nm的黑體輻射點源。點源的輻射強度和波長的變化關(guān)系基本滿足了普朗克黑體輻射定律，因此課題得到了近似的黑體點源。黑體點源的溫度隨激光激發(fā)功率的變化規(guī)律將在下一節(jié)介紹。測量樣品產(chǎn)生可見光部分（400900nm）的輻射光譜，課題采用了類似于測量10001800nm 部分的實驗裝置。只不過在采用了光電倍增管探測器代替了TE制冷型銦鎵砷探測器探測。放大倍數(shù)300倍。相比紅外波段，可見光波段的能量較弱，未經(jīng)放大的數(shù)據(jù)不方便觀察輻射強度和激發(fā)功率的關(guān)系。使用光電倍增管探測器，適當?shù)膶悠返妮椛渥V進行放大，即在光譜顯示上為輻射點源產(chǎn)生的輻射強度的的相對值隨波長的變化關(guān)系。方便討論黑體輻射點源溫度和激發(fā)功率的關(guān)系。 400900nm輻射譜測量裝置圖同樣，為了避免激光器本征波長972nm對光譜儀探測的影響，方案依然跳過了9001000nm這個范圍不做探測。測量數(shù)據(jù)時，觀察產(chǎn)生到樣品產(chǎn)生熒光。之后緩慢增大激光器的工作電流，可以發(fā)現(xiàn)隨著激光器工作電流的增大，樣品產(chǎn)生的熒光逐漸減小，熒光顏色從藍色向紫色變化，直到淬滅。，此時，樣品表面產(chǎn)生強烈的白熾現(xiàn)象，樣品進入黑體輻射區(qū)。 (a) 始探測激光器誘導得到的光譜，、、。所測光譜處在黑體輻射譜的上升段，沒有峰值。 可見光部分輻射溫度與激發(fā)功率的關(guān)