发光的定义及分类2012.01.21

1、1发光学与发光材料发光学与发光材料第一章第一章 发光定义及分类发光定义及分类2一、光学简史一、光学简史1.牛顿的微粒说 在1704年出版的光学一书中，牛顿认为光是从发光体发出的并且以一定速度在空间直线传播的微粒（弹性小球）。这种看法被称为微粒说。牛顿牛顿一、光的本质一、光的本质-光的波粒二象性光的波粒二象性3牛顿的微粒说能很好地解释光的直进、影的形成、反射、折射等现象缺点缺点:微粒说不能解释当一束光射到两种介质微粒说不能解释当一束光射到两种介质界面时，既有反射，又有折射，何种情况下反界面时，既有反射，又有折射，何种情况下反射，何种情况下折射？射，何种情况下折射？无法无法解释两束光相遇后，解释两

2、束光相遇后，为何仍能沿原方向传播这一常见的现象为何仍能沿原方向传播这一常见的现象42.惠更斯的波动说 光可以看作是某种振动在介质中的传播惠更斯惠更斯5 水波、声波的反射和折射水波、声波的反射和折射现象比较容易见到，所以现象比较容易见到，所以波动说解释反射、折射是波动说解释反射、折射是可以令人信服的至于两可以令人信服的至于两列水波互相穿过，几个人列水波互相穿过，几个人的说话声音可以同时听到的说话声音可以同时听到，都是人们熟知的现象都是人们熟知的现象6v 惠更斯用波动说解释了光惠更斯用波动说解释了光的反射和折射的反射和折射v 光的波动说在解释光的直光的波动说在解释光的直进和影子的形成原因时也进和影

3、子的形成原因时也遇到困难，同样无法解释遇到困难，同样无法解释光为何能在真空中传播。光为何能在真空中传播。 v 可见，光的微粒说和波动说在解释光现象时，都各有成功的一面，但都不能完满地解释当时的一切光现象。 v 在其后的100多年中，主要由于牛顿的崇高地位及声望，因而微粒说一直占主导地位，波动说发展很缓慢人类对光本性的认识，还期待新的现象的发现直到19世纪初，人们发现了光的干光的干涉现象涉现象，进一步研究了光的衍射现象干涉和衍射是波动的重要特征，从而光的波动说得到迅速发展人类对光的本性的认识达到一个新的阶段73. 麦克斯韦的电磁说他认为：（1）光也是一种电磁波。（2）光有波的一般性质。（3）光的

4、真空中传播速度是c=3108m/s。（4）色光是由频率决定的。即：不同的频率对应不同的颜色的光。麦克斯韦麦克斯韦8Eh4.爱因斯坦的光子说 光是由大量的一份一份的光子组成的一束光子流。每一份光子是一个能量单元。爱因斯坦爱因斯坦9光的波粒二象性v光既是电磁波，也是光子。光既是电磁波，也是光子。v光既有波动性，也有粒子性。光既有波动性，也有粒子性。v波动性和粒子性是矛盾的辩证统一。波动性和粒子性是矛盾的辩证统一。1011热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关， 高温物体发出的是紫外光。炽热物体发出的是可见光，低温物体发出的是红外光， 温度 短波长的电磁波的比例 。任何物体（气、液、固）在任何温度

5、下，都会有热辐射。热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。 例如加热铁块，随着温度的升高: 开始不发光 黄白色橙色暗红热辐射二、光的发射（热辐射、发光）二、光的发射（热辐射、发光）热辐射热辐射12发光材料白炽灯丝白炽灯丝2000太阳表面太阳表面5800要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。光与热光与热相伴而行相伴而行13红外照相机拍摄的人的头部的红外照相机拍摄的人的头部的热图热图 热的地方显白色，冷的地方显黑色热的地方显白色，冷的地方显黑色14 炼钢的热辐射炼钢的热辐射15 红外夜视仪拍的照片红外夜视仪拍的照片16二、光的

6、发射（热辐射、发光）二、光的发射（热辐射、发光）v 热辐射（热辐射（是一种物体用是一种物体用电磁辐射电磁辐射的形式把的形式把热能热能向外散发的向外散发的热传热传方式。方式。它不依赖任何外界条件而进行。它是热的三种主要传导方式之一它不依赖任何外界条件而进行。它是热的三种主要传导方式之一 ） 任何高于任何高于0K的物体都会向外辐射能量的物体都会向外辐射能量 连续光谱连续光谱（光强随波长的变化关系）（光强随波长的变化关系） 随着温度的升高，辐射的总功率增大，辐射的光谱分布向短波方随着温度的升高，辐射的总功率增大，辐射的光谱分布向短波方向移动向移动 平衡辐射平衡辐射 效率低（白炽灯效率低（白炽灯 10

7、%，主要为红外辐射），主要为红外辐射）17v 发光发光 不需要将发光材料加热到高温（如日光灯、显像管等常温下就可不需要将发光材料加热到高温（如日光灯、显像管等常温下就可产生光发射）产生光发射） 原因：电子在不同高能态上的分布偏离热平衡分布原因：电子在不同高能态上的分布偏离热平衡分布 从这些高能态的跃迁而来的光就会比相应温度下同样波长的发从这些高能态的跃迁而来的光就会比相应温度下同样波长的发射强很多射强很多 需要以某种方式把能量交给物体使电子升到一定高能态需要以某种方式把能量交给物体使电子升到一定高能态激激发过程发过程 只是在少数中心进行，不会影响物体的温度只是在少数中心进行，不会影响物体的温度

8、 可以更有效地把外界提供的能量转化成我们所需要的可见光可以更有效地把外界提供的能量转化成我们所需要的可见光18Luminescence 发光Phosphorescence 磷光 10-8sFluorescence 荧光10-8sIncandescence 白炽 什么是发光什么是发光? 是超过超过发光体所处温度下黑体辐射的辐射黑体辐射的辐射。此概念是由Widemanm和瓦维烙夫共同完成这个定义。发光也称冷发光和电子跃迁发光。19发光持续时间特征规定当激发停止时，其发光亮度L衰减到初始亮度L0的10%时所经历的时间为余辉时间，简称余辉。人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光；人眼感觉不到余辉的短发

9、光期间者为荧光。荧光与磷光无严格区别。极短余辉：余辉时间1s的发光20发光激发电子跃迁发光过程电子跃迁发光过程211.21.2发光和黑体辐射的区别发光和黑体辐射的区别1. 1. 发光是非平衡过程，其辐射能量和电子能级有关；黑体辐发光是非平衡过程，其辐射能量和电子能级有关；黑体辐射是平衡辐射，其辐射能量和温度有关。射是平衡辐射，其辐射能量和温度有关。2 2黑体辐射是热光源发射，黑体辐射的峰值波长由辐射体的黑体辐射是热光源发射，黑体辐射的峰值波长由辐射体的温度决定的温度决定的; ;发光是冷光源发射，发光是由跃迁对应能级发光是冷光源发射，发光是由跃迁对应能级决定。决定。3. 3. 黑体辐射是一个宽谱

10、带发射，多数发光光谱较窄。黑体辐射是一个宽谱带发射，多数发光光谱较窄。220100020003000400050000.00.20.40.60.81.0 Normaliztion Upconversion Luminescence(a.u.)Wavelength(nm)4005006007000.00.20.40.60.81.0 Normaliztion Upconversion Luminescence(a.u.)Wavelength(nm)稀土离子Er的发光谱23 发光的优点：发光的优点：可以更有效地把外界提供的能量转化成我们所需要的可见光可以更有效地把外界提供的能量转化成我们所需要的可见

11、光白炽灯效率白炽灯效率20 lm/W，偏黄，日光灯的效率，偏黄，日光灯的效率80100lm/W24三、发光的定义v 发光就是物体发光就是物体不经过热阶段不经过热阶段而将其内部以而将其内部以某种方式某种方式吸收的吸收的能量能量直接直接以光能的形式释放出来的以光能的形式释放出来的非平衡辐射非平衡辐射过程过程25四、发光的特点v 冷光冷光 发光体和周围环境的温度几乎是相同的，并不需要加温发光体和周围环境的温度几乎是相同的，并不需要加温 只有个别中心得到能量，周围大量的中心仍处于未被激发的状态只有个别中心得到能量，周围大量的中心仍处于未被激发的状态v 衰减（余辉）衰减（余辉） 从外界吸收能量到放出光来

12、，花费一定时间。从外界吸收能量到放出光来，花费一定时间。 发出的光既有反映这个物质特点的光谱，又有一定的衰减规律发出的光既有反映这个物质特点的光谱，又有一定的衰减规律 与反射光、散射光、契连科夫辐射等区分与反射光、散射光、契连科夫辐射等区分26有机发光、无机发光、有机/无机复合发光1.3发光的种类按发光的激发过程区分物理发光：电致发光、热致发光、光致发光、摩擦发光、阴极射线发光、X-射线发光化学发光：燃烧、核反应、化学反应、生物发光。按发光的物体状态区分按发光的物体状态区分气体、液体和固体按发光的物体形状区分按发光的物体形状区分粉末、薄膜、体材料按发光的构成区分按发光的构成区分（以某种方式将能

13、量交给物体使电子提升到一定高能态的过程称为激发）（以某种方式将能量交给物体使电子提升到一定高能态的过程称为激发）27物理发光v 光致发光光致发光 激发能为电磁辐射，如日光灯中的荧光粉发光，激发激发能为电磁辐射，如日光灯中的荧光粉发光，激发光主要为光主要为254 nm紫外线紫外线v 阴极射线发光（阴极射线发光（CathodoLuminescence, CL） 激发能为电子束的动能，如激发能为电子束的动能，如CRT、FED等等v 高能粒子发光（高能粒子发光（x射线、高能粒子激发）射线、高能粒子激发）v 电致发光（电致发光（ElectroLuminescence, EL） 激发能为电场能激发能为电场

14、能28常见荧光粉器件的发光类型295.1化学发光v 利用化学反应产生的化学能来转换成光能，如燃烧、导弹羽烟v A+B=P*+Q305.2生物发光v 与生命过程有关的与生命过程有关的类化学发光（或称为生物化学发光）类化学发光（或称为生物化学发光）v 动物界的25个门中有13个门28个纲中都有发光动物v 植物界中只有细菌和高等真菌才有生物发光v 常见的生物发光都有很高的效率（0.880.12）312）固体发光）固体发光A）有机材料）有机材料B）无机材料）无机材料晶体晶体半导体发光二极管、激光器半导体发光二极管、激光器粉末粉末荧光粉荧光粉薄膜薄膜电致发光电致发光单晶薄膜单晶薄膜发光粉混入介质形成的薄

15、膜发光粉混入介质形成的薄膜直接制成的薄膜直接制成的薄膜32六、材料发光所经历的主要过程v 激发激发 发光必须首先从外界获取能量发光必须首先从外界获取能量 将体内的原子、分子或离子从基态激发到高能态将体内的原子、分子或离子从基态激发到高能态v 辐射跃迁辐射跃迁 高能态（激发态）是一种不稳定的状态，高能态（激发态）是一种不稳定的状态， 粒子迟早会从激发态跃迁回基态，释放出吸收的能量粒子迟早会从激发态跃迁回基态，释放出吸收的能量 如果能量是以光子的形式释放出来的就称之为辐射跃迁如果能量是以光子的形式释放出来的就称之为辐射跃迁33v 并非所有被发光材料吸收的激发能都能转化为光辐射输出并非所有被发光材料

16、吸收的激发能都能转化为光辐射输出v 从高能态到基态的跃迁并非只有发光这一种方式从高能态到基态的跃迁并非只有发光这一种方式 无辐射跃迁无辐射跃迁 从激发态跃迁到基态的过程若不产生光子辐射输出从激发态跃迁到基态的过程若不产生光子辐射输出 辐射跃迁的竞争过程，会降低材料的发光效率辐射跃迁的竞争过程，会降低材料的发光效率 量子效率：量子效率：34 激发能量的传输激发能量的传输 He-Ne气体放电发光气体放电发光 荧光粉的发光荧光粉的发光351、卤粉的光谱、卤粉的光谱2 、加入红粉后的光谱、加入红粉后的光谱3、加入的红粉光谱、加入的红粉光谱Sb3+Mn2+36小结发光所经历的主要物理过程v 激发过程：发

17、光材料从外界吸收能量，将发光中心从基态激发到激发态激发过程：发光材料从外界吸收能量，将发光中心从基态激发到激发态v 辐射跃迁过程：发光中心从激发态跃迁回基态，多余的能量以光子的形式释辐射跃迁过程：发光中心从激发态跃迁回基态，多余的能量以光子的形式释放出来放出来v 无辐射跃迁过程：发光中心从激发态跃迁回基态，多余的能量一声子的形式无辐射跃迁过程：发光中心从激发态跃迁回基态，多余的能量一声子的形式释放到晶格中，导致材料温度的升高释放到晶格中，导致材料温度的升高v 能量传输过程：输入的激发能在基质与发光中心间、发光中心与发光中心间能量传输过程：输入的激发能在基质与发光中心间、发光中心与发光中心间进行

18、传递进行传递37七、表征发光的主要性能指标1、激发光谱（发光材料特定波长的发光强度与激发光波长的关系。、激发光谱（发光材料特定波长的发光强度与激发光波长的关系。 ） 确定对发光有贡献的激发光波长范围确定对发光有贡献的激发光波长范围的激发光谱382. 发射光谱发射光谱在一定激发源的激发下，发光材料的发光能量或发光强度按波在一定激发源的激发下，发光材料的发光能量或发光强度按波长的分布长的分布光谱的线型：光谱的线型： 线谱线谱宽带谱宽带谱线谱线谱+宽带谱宽带谱393. 发光效率发光效率发光效率反映了材料吸收激发能量后转变为光能的比例发光效率反映了材料吸收激发能量后转变为光能的比例能量效率（功率效率）能量效率（功率效率）发光辐射能量与吸收能量之比发光辐射能量与吸收能量之比量子效率量子效率辐射出的量子数与