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熒光作為一種特殊的光物理現(xiàn)象，廣泛存在于自然界與人類生產(chǎn)生活中。深入理解熒光的產(chǎn)生原理，掌握科學(xué)的熒光測試方法，對于相關(guān)研究與應(yīng)用具有重要意義。本文將系統(tǒng)闡述熒光的基本原理，并介紹常見的熒光測試技術(shù)，構(gòu)建對熒光現(xiàn)象的全面認知。

熒光原理

熒光是物質(zhì)經(jīng)某個特征波長激發(fā)光照射后，發(fā)出不同于激發(fā)光波長的光的物理現(xiàn)象。其本質(zhì)是物質(zhì)分子吸收了激發(fā)光的能量，短波長的激發(fā)光使其周圍的電子由基態(tài)躍遷到能量更高的第一激發(fā)態(tài)，或是第二激發(fā)態(tài)。在激發(fā)態(tài)的電子非常不穩(wěn)定，它們會以多種不同的形式釋放能量，從而回到基態(tài)，這是一個很復(fù)雜的過程。

首先，高能級能帶上的電子以及第一激發(fā)態(tài)高能帶上的電子通過系統(tǒng)內(nèi)能量轉(zhuǎn)換、振動弛豫等無輻射躍遷，回到第一激發(fā)態(tài)*低的能帶上；在第一激發(fā)態(tài)*低能帶上的電子通過輻射躍遷回到基態(tài)不同能帶上，這個過程中能量以光的形式釋放出來，這就是熒光。熒光衰減時間一般可以從皮秒到微秒量級。

在另一種情況下，在第一激發(fā)態(tài)*低能帶上的電子通過系統(tǒng)間跨越，釋放能量到三線態(tài)，進而由三線態(tài)輻射躍遷回到基態(tài)不同能帶上，在這個過程中能量也以發(fā)光的形式釋放出來，這個過程所發(fā)出來的光被稱之為磷光。相對在激發(fā)光消失后立刻淬滅的熒光來講，磷光的持續(xù)時間會明顯的變長。磷光的衰減時間一般可從微秒到秒量級，有的可以到十幾秒，甚至跨越更長的時間范圍。

熒光測試方法

熒光在時域上主要分為穩(wěn)態(tài)熒光測試和瞬態(tài)熒光測試兩大類。

穩(wěn)態(tài)測試是用連續(xù)光源激發(fā)樣品，樣品分子不斷吸收能夠從基態(tài)躍遷至激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)返回基態(tài)，在此過程以發(fā)光形式釋放能量，產(chǎn)生熒光。

由于光源的不斷激勵，所以發(fā)光過程是連續(xù)的、穩(wěn)定的，被稱為穩(wěn)態(tài)光譜。通過光譜的位置、形狀我們可以分析樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能級分布、甚至結(jié)構(gòu)是否存在缺陷。

穩(wěn)態(tài)光譜，又可以分為激發(fā)光譜、發(fā)射光譜、偏振熒光、同步光譜、三維光譜等。

（1）激發(fā)光譜：固定樣品熒光的發(fā)射波長，掃描激發(fā)光波長，得到熒光強度與激發(fā)波長關(guān)系的譜圖，稱為激發(fā)光譜。

（2）發(fā)射光譜：固定激發(fā)波長，掃描樣品熒光的發(fā)射波長，得到熒光強度與發(fā)射波長關(guān)系的譜圖，稱為發(fā)射光譜。

（3）偏振熒光：實驗中激發(fā)光處理成線偏振光來激發(fā)樣品。當熒光分子受到偏振光的激發(fā)后，熒光分子的運動狀態(tài)，熒光分子與其他分子的相互作用，其所處的環(huán)境性質(zhì)（溶液的粘度、溫度、濃度）都有可能對這個熒光分子受激發(fā)后產(chǎn)生的偏振光的性質(zhì)產(chǎn)生影響。利于研究物質(zhì)活動的內(nèi)在規(guī)律，如樣品的各向異性等分析。

（4）同步光譜：發(fā)射波長與激發(fā)波長保持固定的間隔同時掃描，用于獲取樣品不同的吸收與發(fā)射峰相對位置。此間隔可以是等波長（Δλ），也可以是等能量（Δν）.

（5）三維光譜：以不同的激發(fā)波長激勵樣品，獲得對應(yīng)的樣品的發(fā)射光譜，然后將其組合成在激發(fā)波長、發(fā)射波長和熒光強度三個坐標下的三維光譜。其結(jié)果可以直接反映樣品被不同波長的激發(fā)光激發(fā)下的熒光發(fā)光特性。

瞬態(tài)熒光是用脈沖光源激發(fā)樣品，樣品分子被瞬時光源從基態(tài)激發(fā)至激發(fā)態(tài)，在激發(fā)態(tài)的分子由于弛豫時間不同（在激發(fā)態(tài)的停留時間不同），在不同時刻返回基態(tài)，同樣地返回基態(tài)時會以光的形式釋放能量，通過獲取不同時刻的發(fā)光信息，得到的時域光譜就是樣品的衰減曲線，即是瞬態(tài)光譜，再通過對衰減曲線的擬合，得到樣品分子的壽命。

瞬態(tài)光譜可以從單波長衰減曲線和時間分辨發(fā)射光譜來進行研究。

（1）衰減曲線：用脈沖光源激勵樣品，獲取樣品特征波長的熒光衰減曲線，再經(jīng)過擬合，得到樣品的壽命。

（2）時間分辨光譜：用脈沖光源激勵樣品，獲取在其發(fā)光波段內(nèi)一系列不同波長處的熒光衰減曲線，通過時間切份、強度積分得到不同時間段的時間分辨光譜。

以穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)熒光為基礎(chǔ)，配合不同的外部實驗環(huán)境和方法，比如高低溫臺、壓力裝置、磁體，可以得到不同溫度下、壓力下、磁場下的熒光光譜；

配合顯微光路，可以得到在微觀尺度下的樣品光譜或影像分析，我們的系統(tǒng)可以實現(xiàn)空間分辨精度達到1µm。

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