固体发光PPT幻灯片课件.ppt

固体发光材料与应用,任课教师：卢利平,材料科学与工程学院,通过深入浅出的讲解使同学们对光与物质相互作用的基本物理现象；固体发光的条件、过程和规律；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用等有一个较为全面的认识和了解。,课程目的与任务,课程内容目录,第一章绪论第二章发光的主要特征第三章发光中心与发光光谱第四章发光材料制备方法第五章灯用荧光材料第六章长余辉发光材料第七章上转换发光材料第八章电致发光材料第九章固体激光材料第十章LED及LED用荧光材料OLEDLCD,第一章绪论,发光：即Luminescence一词，作为一个技术名词，是专指一种特殊的光发射现象。自然界很多物体（包括固体、液体和气体，有机物和无机物），都具有发光的性能。,如发光水母一样的“希望树”种子；郁郁葱葱、奇妙的发光森林；可当房子居住的参天巨树；色彩斑斓神气活现的茂密雨林,影片阿凡达：男主角杰克潘多拉星球,非洲北部有一种发光树，白天与普通树没区别。但每到晚上，从树干到树枝通体会发出明亮的光。由于这种树发出的光比较强烈，当地人经常把它移植到自家的门前作为路灯使用。在夜间，人们可以在树下看书甚至做针线。科学家解释：这种树之所以会发光，是因为其树根特别喜欢吸收土壤中的磷。这种磷会在树体内转化成磷化氢，而磷化氢一遇到氧气就会自燃，从而使得树身磷光闪烁。,发光树：,发光树不仅在非洲有，在乌克兰西部甚至有一个能在夜间发出奇光的“发光森林”。长约1.8万米，宽约5000米。白天看起来与一般森林没有什么两样，可是一到夜间，整个树林像用荧光粉涂过一样放着耀眼的光。据称，这片森林不仅会发光，如果人靠近的话，还会有一种热乎乎的感觉。更加奇怪的是，这片林子里没有任何飞禽走兽，甚至连昆虫都没有。科学家猜测：这一地区可能有强烈的放射性辐射，草木吸收这些放射性元素后，也产生了发光效应。,发光森林：,萤火虫,栉水母,生物界说到发光，首先想到萤火虫，除此之外大自然中还有许多能够发光的生物，如一些生活在海里的鱼、虾、水母、珊瑚、贝类和蠕虫等。,百慕大三角洲发现的荧光虾,日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。,发光蚯蚓美国南部生活着一种长达45厘米的发光蚯蚓。这种蚯蚓一旦被伤害，就会分泌出闪烁着蓝光的黏液。,铁路蠕虫身上长有两种不同的发光器官。仿佛圣诞树一般，头部发出红光，身子闪烁绿光。,通常强烈发光的植物多是低等菌类(如细菌、真菌和藻类植物)。也有发朽树桩、木块，在黑暗中发出蓝白色荧光。,荧光菌,发光蘑菇,发光菌类植物：,研究发现：树桩已被假蜜环菌寄生，它们分泌酶，将纤维素、木质素转化为小分子物质，吸收后繁衍、长大，积累大量能产生荧光的物质。这些带荧光的物质在荧光酶的催化作用下进行生物氧化，并把化学能转化为光能，就是我们看到的这种生物光了。,古代“夜明珠”，是指能够在夜晚（或暗室中）自行发光的天然物体。而且这种光是人用肉眼能够直接看到的光。萤石,夜明珠：,20世纪40年代，前苏联科学家发现：在置于高频电场中的生物体周围，会闪动着色彩绚丽的光环和光点，而当生物体死亡后，这种光环和光点也随着消失。同法研究人体，惊奇的发现人体的各部位发出的光有不同的颜色：手臂是蓝色的、心脏是深蓝的、臀部是浓绿色的。更有趣的是，人体某些部位发出的光非常强，恰好与古代中国人发现的700多个穴位相对应。,人体发光：,一、发光现象,二、激发方式,三、发光材料,发光：是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。,物体发光的条件、过程和规律；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用；以光和物质的相互作用等基本物理现象。,一、发光现象,发光学内容,并非一切光辐射都称为发光。发光是光辐射一部分。,*注意*：,平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。,非平衡辐射：在某种外界作用激发下，物体偏离原来的热平衡态所产生的辐射。发光是其一种。,光辐射=平衡辐射+非平衡辐射,起因于物体的温度。T,热平衡(准平衡),相应热辐射。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。,热辐射：温度在0K以上的任何物体都有热辐射，但温度不够高时辐射波长大多在红外区，人眼看不见。物体的温度达到5000以上时，辐射的可见部分就够强了，例如烧红了的铁，电灯泡中的灯丝等等。,（1）发光与热辐射的区别：,开始不发光,黄白色,橙色,暗红,发光：叠加在热辐射之上的一种光发射。发光材料能够发出明亮的光，而它的温度却比室温高不了多少。因此发光有时也被称为“冷光”。,炼钢的热辐射,非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射、散射等。光辐射的特征一般可用5个宏观光学参量描述：亮度、光谱、相干性、偏振度和辐射期间。,（2）发光与其他非平衡辐射的区别：,亮度：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；光谱改变及非相干性：不仅在发光中存在，在联合散射和康普顿-吴有训效应中也有。而且，作为在特定条件下的发光，如激光（受激发射）及超辐射（特殊条件下的自发发射），具有相干性。偏振度：在发光现象中并没有带普遍性的特点。辐射期间：是判据。发光有一个比较长的延续时间(Duration)，这个延续时间有长有短，总之都比反射、散射的持续时间长很多。,辐射期间：,是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。此延续时间长可达几十小时，短也有10-10秒左右，总之都比反射、散射的持续时间（10-14秒）长很多。在激发(Excitation)即外界作用停止后发光不马上消失而是逐渐变弱，这个过程称为余辉(afterglow)。,荧光(Fluorescence)磷光(Phosphorescence)无机物发光领域这两词仍没有严格区分，甚至混淆。但在有机物发光中，分子从单态（singlet）跃迁到基态（也是单态）的发光叫荧光，从三重态（tripletstate）跃迁到基态的发光叫磷光，这是不容混淆的。,10-10秒数量级指标有点任意性，技术测量水平。随发展，测量时间已突破飞秒（10-15秒）。实测到的发光弛豫时间短到皮秒（10-12秒）的例子已不少。,发光体受外界作用而发光,发光学中称这种作用为激发。根据激发方式，区别发光类型。,二、激发方式,用光激发产生的发光。,光致发光PL(Photoluminescence)：,应用1：固体激光器和日光灯，即作为光源。新型长余辉材料SrAl2O4:Eu,Dy，过去是ZnS:Cu型或碱土金属硫化物类。应用2：物理上，用紫外-红外各波长激发，可研究物质结构和它接受光能后内部发生的各种变化过程（包括固体中的杂质和缺陷以及它们的结构、能量状态的变化，激发能量的转移和传递，以至化学反应中的激发态过程，光生物过程等等）。,实例1：发光二极管(LEDlightemittingdiode)LED是半导体的电致发光，利用电流通过p-n结发光。LED已是家用电器上不可缺的元件，家喻户晓。LED也用于大屏幕显示。实例2：夹在两平行板电极间薄层材料产生的发光。可用于计算机液晶显示屏的背照明。(材料可以是蒸发的薄膜，也可以是和绝缘材料混合涂敷的发光粉末；所加电压可以是交流或直流。),电致发光EL(Electroluminescence)：,用电场或电流产生的发光，最初译成场致发光。,过去，高亮度电致发光主要是由无机材料产生的。八十年代后期，在有机材料中也获得了明亮的p-n结发光，其相应研究蓬勃开展起来。,如：电弧放电、火花放电、辉光放电,是电子束激发的发光。应用：电视显像屏，当然还包括计算机、电子显微镜和各式各样电子仪器的显示屏。,阴极射线发光CL(Cathodoluminescence)：,70年代还发现了一种低到几伏至几十伏的电子激发的发光，叫做低能电子发光，资料中也常称为真空荧光(Vacuumfluorescence)。不过能产生这种荧光的物质极其有限，迄今为止，能实际应用的只有ZnO一种。但从事显示研究的科技人员仍对之很感兴趣，因为它们亮度极高。目前市场上仍然有产品。,所使用的电子能量常在几千至上万eV。高能电子束进入发光体后撞击晶格，产生数量增多的电子(次级电子)，次级电子又会产生能量不断减小，数量倍增。最后大量、能量只有几个eV的电子激发发光材料的效率达到最大，材料因此强发光。,放射线发光RL(Radioluminescence)：,应用：医用X光透视屏和摄像增感屏。,是各种射线如、等核辐射激发的发光。应用：辐射剂量计。,X射线发光RL(Radioluminescence)：,上述射线都是高能量的，主要是通过产生的次级电子激发发光。,应用：紧急照明等。如市场上产品，一种含两种隔离开化合物的透明容器，在需要时消除隔离使之混合产生化学反应而发光。这种产品能持续发光半小时以上，并有足够亮度。,化学发光(Chemiluminescence),生物发光(Bioluminescence)摩擦发光(Triboluminescence)声致发光(Sonoluminescence),三、发光材料,（1）发光与非发光材料并没有明显界限！,强激发,纯度提高,掺杂,自然界中天然或合成的发光体数量很大。人体的牙齿、指甲，动物的脂肪、卵、奶、皮肤，植物的浆液、油、果实，又如蚕丝、树脂、叶绿体、纸张等,无机固体发光材料，大致可分为：纯材料、掺杂材料,稀土元素化合物：Gd及前后邻Sm,Eu,Tb,Dy等5个元素化合物（如硫酸盐等）是本身可以发光的。,4F电子的数目发光不是线谱的元素只在作为掺杂时才发光的元素固态、液态或作为掺杂时都可发光的元素,纯发光材料：是指基质本身就可发光的材料,（2）发光材料大类：纯发光材料+掺杂发光材料,由组成化合物基质的元素发光：低温下阴极射线激发纯ZnO、CaO、SrO等，发光与中性原子Zn、Ca、Sr的电子跃迁频率间有明显关系，是后者和晶格结合的结果。由组成化合物的原子团发光：如Pt(CN)42-，UO22+，WO42-及MoO42-等。,含Pt(CN)42-材料：MxPt(CN)4YH2O形式，M代表K,Na,Ca,Sr,Ba等。在短波紫外光、核辐射及X光激发下都可发光。BaPt(CN)4长期被用来制作X光荧光屏。含UO22+化合物：如UO2SO43H2O等，易形成复合物，如K2UO2(SO4)22H2O等，它们在紫外光激发下可发光。含WO42-，MoO42-材料：在各种激发下都可发光，一般取MWO4形式，M通常是碱土金属。,杂质含量极少，如10-3。杂质可以改变发光材料的性能，包括效率、余辉、光谱等。在电致发光中，杂质可用来改变导电类型及电阻率等参量。,掺杂发光材料,实际应用对发光材料发光材料和器件的要求，主要是发光效率、亮度、余辉及光谱等基本特征，发光的技术应用就是以这些主要特征为依据而发展的。,第二章发光的主要特征,当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发后，吸收了外界能量，其电子处于激发状态，物质只要不因此而发生化学变化，当外界激发停止以后，处于激发状态的电子总要跃迁回到基态。在这个过程中，一部分多余能量通过光或热的形式释放出来。这部分能量以光的电磁波形式发射出来，即称为发光现象。概括地说，发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。,发光概念/内涵：,用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。是指激发波长落在从紫外到近红外这个范围内的发光。,光致发光概念/内涵：,2.1光致发光主要特征及一般规律,发光材料对光的吸收遵循：I()=I0()e-kx,一、吸收光谱,吸收光谱：k随波长（或频率）的变化。,当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收。只有被吸收的这部分光才对发光起作用。但是也不是所有被吸收的光的各个波长都能起激发作用。研究哪些波长被吸收，吸收多少，显然是重要的。,I0()初始强度；I()光通过厚度x后的强度k吸收系数（不依赖光强、但随波长变化而变化）,发光材料的吸收光谱，首先决定于基质，而激活剂和其他杂质也起一定的作用，它们可以产生吸收带或吸收线。,二、反射光谱,如果材料是一块单晶，经过适当的加工（如切割、抛光等），利用分光光度计并考虑到反射的损失，就可以测得吸收光谱。但是多数实用得发光材料都是粉末状，是由微小的晶粒组成的。这对精确测量吸收光谱造成很大的困难。在得不到单晶的情况下，通常只能通过材料的反射光谱来估计他们对光的吸收。,当粉末层足够厚时，光在粉末中通过无数次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射的那一侧。这样，我们就可以理解为什么反射率能够反映材料的吸收能力。同时也可以知道，在这种多次折射与反射的情况下，吸收和反射的数量关系是很复杂的。我们只能说，如果材料对某个波长的吸收强，反射率就低。反之，反射率就高。但不能认为反射光谱就是吸收光谱。,反射光谱是指反射率R随波长（或频率）的变化。,反射率是指反射光的总量（粉末，指漫反射）和入射光的总量之比。,是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）的变化。横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。,三、激发光谱,内涵：激发光谱反映不同波长的光激发材料的效果。表示对发光起作用的激发光的波长范围。吸收光谱只说明材料的吸收，至于吸收后是否发光，则不一定。把吸收光谱和激发光谱相互对比，就可判断哪些吸收对发光是有贡献的，哪些是不起作用的。,是指发光的能量按波长或频率的分布。,四、发光光谱（也称发射光谱）,通常实验测量的是发光的相对能量。发射光谱中,横坐标为波长(或频率),纵坐标为发光相对强度。,带谱,线谱,以三价稀土离子为激活剂的材料为例：这种材料的三价稀土离子的能级结构和自由的三价稀土离子非常相似，因此可以确定各条谱线的来源。这对研究发光中心及其在晶格中的位置很有用处。,一般，光谱形状可用高斯函数表示：E=E0exp-a(-0)2频率，E、E0频率,0处对应能量，正常数,颜色的单色性发射谱峰的宽窄，谱峰越窄，单色性越好。将谱峰1/2高度对应的宽度称作半宽度。依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为3种类型：宽带材料：半宽度100nm，如CaWO4；窄带材料：半宽度50nm，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+；线谱材料：半宽度0.1nm，如GdVO4)：Eu3+；,图发射峰的半宽度,发光材料究竟属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。例如，将Eu掺杂在不同的基质中，可以得到上述3种类型的发光材料，而且随着基质的改变，发光的颜色也可以改变。,（二）晶体内产生电子和空穴：将任意运动，激发状态也就不会局限在一个地方，而将发生转移。,五、能量传输,离子被激发到较高能量状态,产生电子和空穴,（一）离子被激发：处于激发态离子可以和附近离子相互作用将激发能量传出去。则原来被激发的离子回到基态，而附近的离子则转到激发态。这样的过程可以一个接一个继续下去，形成激发能量的传输。,激发的离子处于高能态，它们就不是稳定的，随时有可能回到基态。在回到基态的过程中，如果发射出光子，这就是发光，这个过程就叫做发光跃迁或辐射跃迁。如果离子在回到基态时不发射光子，而将激发能散发为热（晶格振动），这就称为无辐射跃迁或猝灭。,六、发光和猝灭,（一）离子被激发到较高能量状态情况,并不是激发能量全部都要经过传输，能量传输也不会无限的延续下去。,激发的离子是发射光子，还是发生无辐射跃迁，或者是将激发能量传递给别的离子，这几种过程都有一定的几率，决定于离子周围的情况（如近邻离子的种类、位置等）。,（二）产生电子和空穴情况,由激发而产生的电子和空穴，不稳定，最终将会复合。在复合以前有可能经历复杂的过程。如，它们可能分别被杂质离子或晶格缺陷所捕获，由于热振动而又可能获得自由，这样可以反复多次，最后才复合而放出能量。一般而言，电子和空穴总是通过某种特定的中心而实现复合的。,发光和猝灭在发光材料中互相独立互相竞争的两种过程。猝灭占优势时发光就弱，效率也低。反之，发光就强，效率也高。,若复合后发射出光子，这种中心就是发光中心（可以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂）有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热而不发射光子，这样的中心就叫做猝灭中心,发光谱带总是位于其相应激发谱带的长波边,Stokes定律：发光的光子能量小于激发光的光子能量,七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光,如把一种材料的发射光谱和激发光谱加以比较，就会发现，绝大多数的情况下，发光谱带总是位于相应的激发谱带的长波边。例如，发光在红区，激发光多半在蓝区；发光在可见区，激发光多半在紫外区。,E12,E11,E03,E02,E01,发光中心的能级结构示意图E01，E02，E03基态时的不同振动能级E11，E12，E13激发态不同的振动能级,发光的光子能量小于激发光的光子能量,吸收光子，跃迁；在E12马上与周围环境相互作用，交出部分能量，转移到E11；损失了部分能量。,一般，系统与周围环境取得热平衡后在振动能级上的分布，大致和exp(-E/KT)成正比。E是较高振动能级与最低振动能级间的距离。系统与周围晶格的热平衡所需的时间远远短于电子在激发态上的寿命。由此可见，系统一旦被激发到高的振动能级，绝大多数要趋向低振动能级。,中心从周围环境获得能量，从E12转移到E13、14，然后跃迁到E01。则发光光子能量就大于激发光子能量。这种发光称为反斯托克斯发光。,反斯托克斯发光:,这是从晶格振动取得能量，产生反Stokes发光。,通过多光子吸收，产生反Stokes发光：,两个或多个光子“合成”一个大光子过程多种多样待后面细讲,通常有三种表示法：量子效率q功率效率（能量效率）p光度效率（流明效率）l,八、发光效率,量子效率q：,是指发射的光子数Nf与激发时吸收的光子数（或电子数）Nx之比。,但一般总有能量损失，激发光光子能量常大于发射光光子能量。当激发光波长比发光波长短很多时，这种能量损失（斯托克斯损失）就很大。如日光灯中激发光波长为254nm（汞线），发光的平均波长可以算作是550nm。因此，即使量子效率为1（或100%），但斯托克斯能量损失却有1/2以上。所以量子效率反映不出来，引入功率效率。,功率效率（能量效率）p：,是指发射光的光功率Pf与被吸收的光功率Px（或激发时输入的电功率）之比。,发光器件总要作用于人眼。人眼只能感觉到可见光，且在可见光范围内，对不同波长光的敏感程度差别极大。人眼对555nm绿光最敏感，随波长变化其相对视感度通常用视见函数（）表示：,功率效率很高的发光器件发出的光，人眼看起来不见得很亮。,用人眼衡量发光器件功能时，引入流明效率。,流明效率l：,发射的光通量L（以流明为单位）与激发时输入的电功率或被吸收的其他形式能量总功率Px之比。,作业：对于光致发光来说，如果激发光是单色或接近单色的，波长为x,发射光也是单色或接近单色的,波长为f,推导量子效率与功率效率的关系。,九、发光的衰减,发光像章持续发光几小时，日光灯关闭上发光，也持续一定时间发光与其他光发射现象的根本区别就在于持续时间。这个持续时间来自于电子在各种高能量状态的寿命。,假定发光材料中某种离子被激发，没有能量传递发生，激发到高能态电子终究要回到基态。如果在某一时刻t共有n个电子处在某一激发能级，在dt时间内跃迁到基态的电子数目dn应该正比于ndt，即：dn=-andt（公式1）,比例常数a表示电子跃迁到基态的几率。,分离变量：,由此可以得到,n0是初始时刻（t=0）被激发的电子数。,dn=-andt,（公式2）,可以证明：电子在激发态的平均寿命就是1/a=。,作业：n0是初始时刻（t=0）被激发的电子数，已知寿命是指电子数变为初始电子数的1/e时所经历的时间，试证明：电子在激发态的平均寿命就是1/a。,因为,所以,令：,=,即：-at=-1求解：寿命t=1/a。,发光强度I应该正比于电子跃迁到基态的速率，即Idn/dt可得：I=I0e-at(由公式2直接得知),即：发光以指数形式衰减。在秒后，发光强度为初始强度1/e。称衰减常数。发光材料的值，短至毫微秒数量级，长达几秒、几十秒甚至更长。实验中，测出不同时间的发光强度，在单对数坐标上作图，可以得到一条直线，其斜率就是a，从而可以得到值。,指数式衰减，基本形式。复杂，叠加。很多长余辉材料的衰减遵循双曲线式。,荧光（Fluorescence）：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。磷光（Phosphorescence）：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。,依发光持续时间，可将发光分为荧光和磷光：,余辉：当激发光停止后，发光亮度（或强度）J衰减到J0的1/e（10%）时，所经历的时间称余辉时间，简称余辉。极短余辉1s,十、热致释光与红外释光,双曲线式衰减，温度对之有很大影响，温度降低到一定的程度，激发停止后的发光很快地完全停止。当温度升高时，发光又逐渐加强，这种现象称为加热发光或热致释光，有时简称热释光。注意：加热发光不是说用热来激发发光，而是用热来释放光能，意味着，发光材料能够贮存激发能，当温度升高以后，将贮存的光能逐渐释放出来。加热发光现象与发光材料中的电子陷阱相联系，因此，利用热发光可以了解晶体中定域能级的情况。,样品激发后，温度上升，在不同温度出现热释光峰。可证明，余辉越长材料，热释光峰温度越高。有的甚至在室温衰减完后,加热到高温还有热释光峰。如：SrS:Ce、Sm150左右。SrS：Eu、Sm370。这种材料存贮的激发能可通过红外线释放。红外释光材料，曾被用来探测红外线。它们和上转换材料的区别是，红外线只能释放它们本来储存着的能量而不能直接激发这种发光体。,SrS:Ce、Sm这类具有高温热释光峰的发光材料很多，LiF、Li2B4O7:Mn、CaF2:Mn、CaSO4:Mn等，可用作射线的剂量计。有些古代物体，深埋地下，受放射性射线照射，能将辐射能量保存起来，利用加热发光，可推断出埋藏的年代，这也是加热发光的一个应用。,第三章发光中心与发光光谱,第二章发光的主要特征,第一章绪论,激活剂：对某种特定的化合物（即发光材料基质）起激活作用，使原来不发光或发光很微弱的材料产生发光。这类杂质叫。（是发光中心重要组成部分）共激活剂：是与激活剂协同激活基质的杂质，加强激活剂引起的发光。(如起电荷补偿作用，使激活剂容易进入基质）敏化剂：有助于激活剂所引起的发光，使发光亮度增加的杂质。（比如吸收激发能，能量传递）惰性杂质：对发光性能影响较小，对亮度和颜色不起直接作用的杂质。(如碱金属，碱土金属，硅酸盐，硫酸盐和卤素等)猝灭剂：损害发光性能能使发光亮度降低的杂质，也叫毒化剂。,杂质类型：,激活剂、敏化剂、猝灭剂、惰性杂质,3.1激活剂在发光材料中的作用,绝大多数情况下，激活剂是材料的关键成分；激活剂不但决定材料的光谱，也决定发光效率和发光持续时间；作为激活剂的原子（离子）基本都是金属。如：过渡金属、稀土金属、及少数重金属如Sb锑ti、Bi、Sn锡、Tl等。,（一）跃迁与谱线宽度均匀线宽和非均匀宽化,激活剂处在固体中，对于一个自由离子或原子，一个跃迁对应一条谱线，即对应某一特定波长。但通常所见的光谱（包括稀土离子的线谱），是有一定宽度的。实际上，光谱线不可能无限狭窄，即使环境温度为绝对零度。由于原子、离子或分子在非零温度下的无规振动，发射光受Doppler效应影响而发生波长微小变化不可避免。因此不论气体、液体或固体，任何谱线都有一个随温度变化的均匀线宽；对于固体，需考虑一些其它原因产生的宽化。如激活剂离子所处格位的环境影响，同种激活剂所受到的晶格影响有细微差别，也会造成谱线宽化，在发光术语中，这叫做非均匀宽化。（此外，还有晶格振动、电子跃迁耦合等影响）,晶格离子的电场对激活剂离子有作用，这种作用就是对发光离子产生微扰的来源之一。,对s2电子组态离子来说，晶格对它们的影响是很大的，所以它们的发光光谱都是宽的谱带。,照明、显示显像；以肉眼为对象；禁带宽度多在3ev以上，对可见光透明；利用的是发光中心的发光；发光与所掺杂质离子本身的能级跃迁有直接联系；习惯上叫“激活剂”。,（二）绝缘体与半导体发光“主角”的习惯叫法,绝缘体发光材料,半导体发光材料,禁带宽度多在1.5ev以下；利用的是复合发光；发光与所掺杂质离子本身的能级跃迁无直接联系；不叫“激活剂”，而叫“杂质(掺杂)”，施主或受主。,绝缘体发光和半导体发光是无机材料光发射过程的两大类。,但，半导体发光材料也有例外,在含有稀土离子的发光二极管中，发射的光具有稀土离子的全部光谱特征。说明它是由稀土离子发出的，半导体材料本身只有极小的干扰。因此这种“杂质”完全可以叫做“激活剂”。,发射来自晶体中相对孤立的原子,离子（包括离子团如WO42）。基质晶格虽然能影响发光中心的能级（如改变能级位置、降低能级简并度、改变能级之间跃迁几率等等），但这些影响基本属于微扰，光发射的主体仍然是这些中心。一般，分立中心发光遵循指数式衰减规律。分立的发光中心可直接被激发也可通过基质或敏化剂得到能量。当中心被直接激发时，电子一般不离开中心，因此发光不伴随光电导。,分立中心发光,（三）分立中心发光和复合发光,绝缘体发光和半导体发光是无机材料光发射过程的两大类。苏联学者把它们分别叫做分立中心发光和复合发光。,通过对晶格作用大小的理论估算，能够把自由离子的能级和它们在晶体中的发光光谱对应起来。,复合发光,是指导带电子和价带空穴复合产生的光发射。基质本身吸收光，激发必定产生载流子，因而伴随着光电导。衰减规律复杂，可远远偏离指数式。,固然也需要掺杂，但杂质并不是发射主体；参与发光的是整个晶体，很难把自由杂质离子的能级和固体发射的光谱对应起来。即：决定材料发光光谱的是整个晶体的能谱而不是离散的杂质离子能级。,3.2自由离子的电子结构,根据前面所述，分立中心发光基本上就是一些掺杂离子的发光。这些离子的状态、能级结构以及它们与晶格的耦合强弱是重要的参量。能级决定发射谱线的频率，能级间的跃迁几率决定它们的强度，而离子和晶格的耦合既影响能级的结构又影响跃迁的几率等。首先介绍原子中电子的状态、量子数以及光谱项：,在原子或离子中，每个电子的状态决定于四个量子数：主量子数n,轨道量子数l,磁量子数m,自旋量子数s。n=1,2,；ln2），入射角1与折射角2之间服从n1/n2=sin1/sin2的折射定律。1增大时2也相应增加，当2=/2，1=arcsin(n2/n1)时，入射光全返回原来介质中全反射。,光纤芯料折射率高于包层材料折射率当入射光由内层射到两层界面时，控制入射角，可使光线全反射折回内层，完全避免了传输过程中的折射损耗。,二、光在光纤中的传播原理,石英玻璃光纤多组分氧化物玻璃光纤非氧化物玻璃光纤晶体光纤高聚物光纤,三、常用光纤材料,石英光纤是以SiO2为主成分制成的目前通讯用光纤都是SiO2玻璃光纤,了解专题3：LED用荧光材料,发光二极管(LED),LED有15种独特的优点,节能环保安全寿命长低耗低热色光白光高亮度防水微型防震易调光光束集中维护简便,LED白光的三种发光原理,广告和装饰照明道路照明道路交通信号光源汽车指示灯和刹车灯庭园灯飞机和车厢内阅读灯。,LED应用,要求LED光通量大，现单颗LED的光通量仅几十流明，与照明需求相距甚远。散热（在环境温度高时，LED光源发光下降）。驱动电路和寿命等多种性能有待改进和提高.LED应用直流电压和恒电流驱动方式。220V或110V交流电须用电源供应器得到24V或10V的直流电。LED价格过高，难以在一般照明中推广应用。,LED应用中注意问题,2.1基本概念2.2灯用荧光材料,第二章光致发光,2.2.1基本知识2.2.2电光源的分类及参数2.2.3常用电光源2.2.4应急照明,2.3发光二极管(LED)用荧光材料,(1)电磁波谱与所有物质一样，光也是物质的一种存在形式，是能引起视觉的辐射能，它以电磁波的形式在空间传播。可见光的波长在380780纳米(nm)范围内，不同波长的光给人的颜色感觉不同，如图2.1所示。(2)光谱光源辐射的光往往由许多波长的单色光组成，把光线中不同强度的单色光按波长长短依次排列，称为光源的光谱。,2.1基本概念,电磁波谱(2)光谱(3)光通量(4)发光强度(5)照度(6)亮度(7)色温(8)显色性和显色指数(9)频闪效应(10)反射率,图2.1电磁波谱,(3)光通量光源在单位时间内，向周围空间辐射出的、使人眼产生光感觉的能量，称为光通量，用符号表示，单位为流明(lm)。人们通常以电光源消耗1W电功率所发出的流明数(lmW)来表征电光源的特性，称为发光效率，简称光效。电光源的光效越高越好。人眼对可见光中波长为555nm的黄绿色光最灵敏，波长离555nm越远(如波长较长的红光和波长较短的紫光)灵敏度越低，所以光通量与光辐射的强弱及其波长都有关系。,(4)发光强度发光强度是表征光源(物体)发光能力大小的物理量。光源在某一特定方向上单位立体角内(每球面度，球的面积为4R2所张球面度为4）辐射的光通量，称为光源在该方向上的发光强度(简称光强)，用符号I表示，单位为坎德拉(cd)。如图2.2所示，对于向各方向均匀辐射光通量的光源，各方向的光强相等，其值为：,图2.2发光强度的定义,(5)照度对被照物体表面而言，它单位面积上所接受的光通量，称为该被照面的照度，照度用符号E表示，单位为勒克斯（lx）被光均匀照射的平面照度为：表2.1给出了一些情况下的照度。,表2.1一些情况下照度值,(6)亮度某一物体(或发光体)的表面亮度是该物体单位面积向视线方向发出的发光强度。亮度用符号L表示，其单位为坎德拉每平方米(cd/m2)。由于物体在各个方向的亮度不一定相同，因此常在符号L的右下角注明角度，用以表示与物体表面法线成角方向的亮度。物体的亮度越大，人们就会感到它越亮。,(7)色温色温是电光源的技术参数之一。当光源的发光颜色与黑体(能吸收全部光能的物体）加热到某一个温度所发出的光的颜色相同时，称该温度为光源的颜色温度，简称色温。(8)显色性和显色指数同一物体在不同的光源照射下，显示出不同的颜色，光源对被照物体颜色呈现的真实程度称为光源的显色性。对同一物体，在被测光源的光照射下呈现的颜色，与在标准光源的光照射下呈现的颜色的一致程度愈高，Ra则愈大，显色性愈好。表2.2所列是常用电光源的一般显色指数Ra。,黑体辐射谱（实验规律）,不同温度下的黑体辐射曲线,曲线与横轴围的面积就是,6维恩位移定律,m=CT,C=5.8801010Hz/K,或,1893年由理论推导而得,（Wiendisplacementlaw）,测得,T表面=5700K,若视太阳为黑体，,峰值波长,定出：,表2.2常用电光源的一般显色指数Ra,(9)频闪效应电光源在采用交流电源供电时，由于交流电做周期性的变化，因而电光源所发出的光通量也随之做周期性的变化。这就会使人眼产生闪烁的感觉。在采用气体放电灯作为照明光源时，若被照物体处于转动状态，且转动频率刚好是电源频率的整倍数时，则转动的物体看上去就如没有转动一样。这种在以一定频率变化的光照射下，观察到的物体运动显现出不同于其实际运动的现象，称为频闪效应。频闪效应易使人产生错觉而造成事故。,(10)反射率当光通量投射到被照面后，一部分被反射，一部分透过被照面，一部分则为被照面所吸收。这就是在相同照度下，不同物体有不同亮度的原因。被物体反射的光通量中与射向物体的光通量之比，叫做反射率或称反射系数，即建筑物内墙壁及顶棚、地面的反射率的近似值如表2.3所示。,表2.3墙壁及顶棚、地面的反射率的近似值,2.2灯用荧光材料,2.2.1基础知识,4.典型荧光和磷光材料日光用磷光材料日光灯是磷光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，磷光材料吸收这种紫外光，发出“白色光”。图5.17绘出了荧光灯的构造示意图，它由一个内壁涂有磷光体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为254和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的磷光体受到这种光辐照，就随之发出白光。这里我们说的是低压汞灯，还有高压汞灯，但原理都一样。,灯用磷光材料的组成常用的基质晶体有两类：(1)离子键的绝缘材料，例如Cd2B2O5、Zn2SiO4、3Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2等。在这些材料中，相应激活离子有一套不连续的能级，并且它们受到基质晶体环境定域的影响而有所修正。离子型磷光体的发光过程可以用我们前述的位形坐标来说明；,(2)共价性的半导体化合物ZnS等。对这类材料，基质的能带结构会由于加入激活剂离子伴随的定域能级而有所改变。例如，分别掺杂Ag+、Sb3+和Eu2+离子的ZnS磷光体由于激活剂不同，而产生特征的光谱和颜色，图5.17是它们的发射光谱，对应的电子跃迁如下：离子基态能级激发态能级Ag+4d104d95pSb3+4d105s24d105s5pEu2+4f74f65d,图5.17,在荧光灯中广泛应用的磷光体材料是双重掺杂了Sb3+和Eu2+的磷灰石。基质Ca5(PO4)3F中掺入Sb3+发蓝荧光，掺入Mn2+后发桔黄色光，两者都掺入发出近似白色光。用氯离子部分取代氟磷灰石中氟离子，可以改变发射光谱的波长分布。这是由于基质变化改变了激活剂离子的能级，也就改变了其发射光谱波长。以这种方式小心控制组成比例，可以获得较佳的荧光颜色。表5.1给出了某些灯用磷光体。近年来发展了稀土“三基色”灯用荧光材料。表5.1某些灯用磷光体磷光体激活剂颜色Zn2SiO4Mn绿色Y2O3Eu红色CaMg(SiO3)2透辉石Tl蓝色CaSiO3硅灰石Pb,Mn黄桔色(Sr,Zn)(PO4)2Sn桔色Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2Sn,Mn“白色”,显示用荧光材料电视机和计算机显示器等使用的荧光材料，就是阴极射线致发光材料，是以电子束为激发源。显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度，一般不低于170烛光米-2；余辉时间要求足够短，在电流密度为0.2Acm-2情况下，激发停止后经过40s，发光亮度对初始亮度的比值为0.60.8，可见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严格的颗粒度。这类材料又依黑白和彩色显像管分为“白色”发光材料和彩色发光材料。(1)“白色”发光材料最早研究“白色”发光材料是一类单一组分的材料，主要有ZnSCdS:Ag,Au和ZnSCdS:P,As，但其效率低，没有得到实际的应用，后来又研制了硫氧化合物材料。目前广泛使用的是复合成分材料，例如：国产y7材料（Zn,Cd）S:Ag发黄色光光谱峰值560nm国产y8材料ZnS:Ag发蓝色光光谱峰值453nm国产y26材料y7+y8发白色光光谱峰值455nm,558nm还开发出硅酸盐和硫氧化物材料，如:发黄色光材料（Zn,Be）2SiO4:Mn和发蓝色光材料（Ca,Mg）SiO3:Ti等。,（2）彩色发光材料彩色电视机显像管用发光材料有红、绿、蓝三种成分组成。为了最佳传送颜色，三种成分的色坐标应当最大可能地接近图5.11中各自相应的顶角位置。目前通用的发光粉的某些参数如表5.2所列。在阴极射线发光材料中，几年来发展极快、具有前途的一类材料是稀土型发光材料。稀土型材料既能承担激活剂的作用，也能作为发光材料的基质，而且具有极短余辉、颜色饱和度和性能稳定的特点，并且能够在高密度电子流激发下使用，因此在彩电显像管中得到广泛使用。在稀土发光材料中，作为材料基质较好的有红色钒酸盐YVO4：Eu、Y2O3:Eu及Y2O3S:Eu等。3价稀土离子Tb3+、Ho3+、Er3+作为激活剂可以制得发绿光的材料，譬如YVO4：Er、YVO4：Ho、YVO4：Tb及Y2O3S:Eu,Tb等。稀土蓝色材料一直研究较少，其原因在于以用于彩色显像管蓝色材料ZnS:Ag，目前还最好的。现在研制的YVO4：Tm等，尽管其辐射光当量几乎比ZnS:Ag大两倍，但能量效率非常低，并且色坐标不如后者。还开发有Eu2+作为激活剂的硼酸锶、硼酸钙、锶的固溶体以及硼磷酸钙、锶、钡等发蓝色光的材料，其中效率较高的是Sr3(PO4)2:Eu。,表5.2彩色显像管用发光材料示例颜色组成色度主峰波长（nm）能量效率（%）10%余辉xy红Zn3(PO4)2:Mn0.6650.3356636.727ms（Zn,Cd）S:Ag0.6650.33667016.0YVO4：Eu0.6640.3306207.11-3msY2O3:Eu0.6400.3526108.71-3msY2O3S:Eu0.6480.34462613.00.5-2ms绿Zn2SiO4:Mn0.2180.7125257.425ms（Zn,Cd）S:Ag0.3000.60053519.80.05-2ms（Zn,Cd）S:Al0.3570.59653518.415-30sZnS:Cu,Al0.2430.63353021.815-30sZnS:Cu,Au,Al0.3320.60253515-30s蓝ZnS:,Ag0.1460.05745020.45-15s,1）电光源的分类按电光源的发光原理电光源主要分为两大类。(1)热辐射光源和电光源热辐射光源是当物体受热且热能足够大，使原子或分子发生激烈的相互碰撞而激发产生的光的发射。电光源是利用电流将物体加热到白炽程度而产生的光。属于热辐射光源的灯有白炽灯、卤钨灯。,2.2.2电光源的分类及参数,（2）放电光源放电是指在电场作用下，载流子在气体(或蒸气)中产生和运动，而使电流通过气体(或蒸气)的过程。这个过程导致光的发射，可作为光源，即放电光源。这种光源具有发光效率高、使用寿命长等特点，很有发展前途。按放电媒质分为：气体放电灯。是利用气体中的放电发光，例如氙灯、氖灯等。,金属蒸气灯。是利用金属蒸气(如汞蒸气、钠蒸气等)中的放电，而主要由金属蒸气产生光，例如汞灯、钠灯等。按放电形式分：辉光放电灯。这种灯由辉光放电产生光。放电要有阳极和阴极。放电时，阴极温度不高，但要有足够的电子发射，又叫冷阴极灯。弧光放电灯。是由弧光放电产生光。阴极工作在较高的温度下，又叫热阴极灯，如荧光灯、汞灯、钠灯等。,2）电光源的参数(1)额定电压和额定电流光源在预定要求下工作所需要的电压和电流分别叫做额定电压和额定电流，额定值下工作具有最好的效果。(2)额定功率灯泡(或灯管)在额定电流下工作所消耗的功率叫额定功率。,(3)发光效率灯泡(或灯管)所发出的光通量与消耗的功率P之比叫发光效率，记作，即：(4)寿命光源的寿命是指光源从初次通电工作的时候起到其完全丧失或部分丧失使用价值的时候止的全部点燃时间。寿命又分两种：全寿命有效寿命,(5)光色光色包括色表和显色性两个方面。色表指光源本身发光的颜色，即从外观上看到的光的颜色。而显色性则反映被照物体所体现出的颜色。,1）白炽灯2）卤钨灯3）荧光灯4）高压气体放电灯5）金属卤化物灯6）氙灯,2.2.3常用电光源,1）白炽灯靠电能将灯丝加热到白炽状态而发光。(1)白炽灯的构造白炽灯的构造如图2.3所示，它主要由玻璃外壳、灯丝、支架、引线和灯头组成。灯丝一般都用钨丝制成。白炽灯的发光原理就是当钨丝通过电流时，产生大量的热，使灯丝温度升高到白炽的程度(24003000K)而发光。,(2)白炽灯的工作特性电流和功率白炽灯的电流决定于灯泡的供电电压和灯丝电阻。灯泡的容量用功率来表征，白炽灯的功率等于流过灯丝的电流和工作电压的乘积。光通量输出白炽灯在运行中，其光通量的输出随电网电压的变化而急剧地变化。(3)发光效率灯泡的发光效率，钨丝白炽灯的发光效率比较低，一般仅有10lmW左右。,(4)寿命平均寿命是许多灯泡寿命的算术平均值。一般白炽灯的平均寿命为1000h。(5)光色白炽灯所发的光与日光相比仍有一定的差别，两者相比，白炽灯的红光部分较显著。(6)灯泡温度白炽灯所消耗的电能首先变为热能，其中有很小一部分又转变为可见光，所以白炽灯玻璃壳的温度是较高的。(7)亮度白炽灯丝亮度很高，这样的亮度能够造成眩光。为了减少灯泡的表面亮度，有些灯泡其玻璃壳用磨砂玻璃或乳白玻璃制造。,2）卤钨灯卤钨灯除在灯泡内充入惰性气体外还充入有少量的卤族元素(氟、氯、溴、碘)，这样对防止玻壳黑化具有较高的效能。（1）卤钨灯的结构为了使管壁处生成的卤化物处于气态，管壁温度要比普通白炽灯高得多，相应地卤钨灯的玻壳尺寸就要小得多，温度也高得多，因而必须使用耐高温石英玻璃或高硅氧玻璃。,（2）卤钨灯的光特性卤钨灯是在石英玻璃管内封进钨丝，充进惰性气体和微量的磷或溴，制成双端引出型卤钨灯。卤钨灯，由于卤钨循环作用，而能防止管壁发黑，改进了灯的工作特性，使灯的光效比普通白炽灯有显著的提高(约为1821lmW)。由于卤钨灯的充气压力比普通白炽灯高，所以寿命指数较低，并且容易受振动、冲击而产生机械断丝。显色性好，一般显色指数为Ra97，色温为30003200K。,3）荧光灯荧光灯属于放电光源，是靠低压汞蒸气放电，利用放电过程中的电致发光和荧光质的光致发光，形成光源。它的优点是：结构简单、制造容易、价格便宜并且