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1、发光的定义及特点第1页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军本章重点l发光的定义和特点发光的定义和特点l发光与热辐射的区别发光与热辐射的区别l发光材料的分类方法发光材料的分类方法l发光现象所经历的物理过程发光现象所经历的物理过程l发光的几个重要参数发光的几个重要参数第2页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军一、光的本质l波粒二相性波粒二相性 波动性波动性l电学及磁学分量组成的电学及磁学分量组成的l互成互成90l简谐运动简谐运动l波长和频率两个参量波长和频率两个参量l干涉、衍射现象干涉、衍射现象第3页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军粒子性粒子性l早在早在1900年
2、普朗克就提出光的存在是以很多小部分光年普朗克就提出光的存在是以很多小部分光能量为单位组成的能量为单位组成的光子光子l光子能量为光子能量为l光电导、光电发射、发光光电导、光电发射、发光及光化学等效应都是粒子性及光化学等效应都是粒子性的体现的体现第4页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军二、光的发射l热辐射热辐射任何高于任何高于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方向移动平衡辐射平衡辐射效率低（白炽
3、灯效率低（白炽灯 10%，主要为红外辐射），主要为红外辐射）l发光发光第5页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军l日光灯发光有何特点呢？日光灯发光有何特点呢？白色光白色光灯管温度不高，接近常温灯管温度不高，接近常温显然不是热辐射发光显然不是热辐射发光效率比白炽灯高得多（效率比白炽灯高得多（80 lm/W以上）以上）日光灯的发光过程日光灯的发光过程灯管内的气体（水银蒸汽）放电产灯管内的气体（水银蒸汽）放电产生紫外线（生紫外线（254nm）紫外线激发荧光粉发光紫外线激发荧光粉发光第6页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军l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
4、温下就可产生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）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l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l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发激发过程过程l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第
5、7页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军三、发光的定义l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某种方式种方式吸收的能量吸收的能量直接直接以光能的形式释放以光能的形式释放出来的出来的非平衡辐射非平衡辐射过程过程第8页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军四、发光的特点l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态l衰减（余辉）衰减（余辉）从外界吸收能量到放出光来，花费一定时
6、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第9页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军契连科夫辐射契连科夫辐射 l如果电子或其它带电粒子在真空中具有很高的速度（接近光速），那么当它进入折射系数较大的物质时，它的速度有可能大于光在该物质中的速度。这种情况下，电子或其它带电粒子能量的一部分会转化为可见光或紫外光发射出去，这种现象是前苏联物理学家契连科夫首先发现的，被称为契连科夫效应。第10页，本讲稿共38页电子
7、科技大学光电信息学院陈德军五、发光的分类l以某种方式将能量交给物体使电子提升到一定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高能态的过程称为激发激发l一般按激发能来源划分一般按激发能来源划分机械发光机械发光机械能（机械能（ZnS:Mn在振动时发光）在振动时发光）物理发光物理发光物理能物理能（进一步划分）（进一步划分）化学发光化学发光化学能（荧光棒）化学能（荧光棒）生物发光生物发光 生物化学能（萤火虫）生物化学能（萤火虫）第11页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军物理发光（根据材料的物相分类）l气体放电气体放电只适合于气态物质只适合于气态物质l固体发光固体发光 最常用，
8、最广泛最常用，最广泛l液体发光液体发光常用于材料分析常用于材料分析第12页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军1）气体放电发光）气体放电发光只适合气态物质只适合气态物质气体中的带电粒子（电子和离子）就会在电场的气体中的带电粒子（电子和离子）就会在电场的作用下加速作用下加速带电粒子气体中的原子或分子碰撞电离产生新的带电粒子气体中的原子或分子碰撞电离产生新的电子和离子电子和离子使原本不导电的气体变得导电了使原本不导电的气体变得导电了第13页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军l气体放电总伴随着光的发射气体放电过程中，有的原子、分子或离子在碰撞过程中会被激发到高能态，从而会发出光
9、来第14页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军l激发还可以通过异类原子（或分子）间的共激发还可以通过异类原子（或分子）间的共振能量传递间接地实现振能量传递间接地实现第15页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军气体放电的应用l霓虹灯霓虹灯l日光灯日光灯lPDPl气体激光器气体激光器l激光泵浦激光泵浦l紫外杀菌灯紫外杀菌灯l投影光源投影光源l第16页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军2）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
10、粉混入介质形成的薄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第17页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军物理发光（根据激发方式分类）l光致发光（光致发光（Photoluminescence，PL）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254 nm紫外线紫外线l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l电致发光（电致发光（ElectroLuminescence,EL）激发能为电场能激发能为电场能l高能粒子发
11、光（高能粒子发光（x射线、高能粒子激发）射线、高能粒子激发）第18页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军常见荧光粉器件的发光类型第19页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军课堂练习1.有光的发射就是发光这一说法是否正确？2.发光材料发出的光称为“冷光”是因为发光材料发光时不需要被加热到高温3.激发停止后，发光一定会延续一段时间4.阴极射线发光是由电子束（阴极射线）发射的5.日光灯和PDP的荧光粉发光都属于光致发光错误错误正确正确正确正确正确正确错误错误第20页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军6.发光材料一般按照激发的方式进行分类发光材料一般按照激发的方式进行分
12、类正确正确下列器件荧光粉的发光类型分别是？下列器件荧光粉的发光类型分别是？阴极射线管阴极射线管阴极射线发光阴极射线发光节能灯节能灯光致发光光致发光PDP光致发光光致发光冷阴极荧光灯冷阴极荧光灯光致发光光致发光白光白光LED（蓝（蓝色芯片）色芯片）光致发光光致发光器件名称器件名称发光类型发光类型第21页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军六、材料发光所经历的主要过程l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l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
13、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第22页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军注意注意并非所有被发光材料吸收的激发能都能转化为光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辐射输出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l无辐射跃迁无辐射跃迁l能量传输能量传输第23页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军l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
14、射输从激发态跃迁到基态的过程若不产生光子辐射输出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：第24页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军l激发能量的传输激发能量的传输lHe-Ne气体放电发光气体放电发光l 荧光粉的发光荧光粉的发光第25页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军1、卤粉的光谱2、加入红粉后的光谱3、加入的红粉光谱Sb3+Mn2+第26页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军小结发光所经历的主要物理过程l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激发过程：发光材料从外界吸收能量，
15、将发光中心从基态激发到激发态l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子的形式释放出来l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l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传递发光中心间进行传递第27页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军课堂练习1.发光材料要发
16、光就必须首先吸收能量发光材料要发光就必须首先吸收能量2.一般来说，发光材料的量子效率不超过一般来说，发光材料的量子效率不超过100%3.无辐射跃迁会降低材料的发光效率无辐射跃迁会降低材料的发光效率4.发光经历的物理过程按下列顺序发生：发光经历的物理过程按下列顺序发生：激发激发辐射跃迁辐射跃迁无辐射跃迁无辐射跃迁能量传递能量传递正确正确正确正确正确正确错误错误第28页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军2.4、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、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。长的关系。）确定对发光有贡献的激发光波长范围确定
17、对发光有贡献的激发光波长范围的激发光谱横坐标：横坐标：激发光波长激发光波长纵坐标：纵坐标：发光强度（效率）发光强度（效率）通常为相对值通常为相对值第29页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军2.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光强度按波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+宽带谱宽带谱横坐标：横坐标：发射光波长发射光波长纵坐标：纵坐标：发光强度（效率）发光强度（效率）通常为相对值通常为相对值Gauss函数函数 表示表示第30页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军
18、3.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吸收的量子数之比辐射出的量子数与吸收的量子数之比 流明效率流明效率发射的光通量与吸收的能量之比发射的光通量与吸收的能量之比第31页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军4.发光的增长与衰减发光的增长与衰减发光的驰豫是发光的重要特征之一发光的驰豫是发光的重要特征之一将激发停止后立即停止的发光称为将激发停止后立即停止的发光称为荧光荧光人眼不可察觉人眼不可
19、察觉激发停止后，延续相当长一段时间的发光称为激发停止后，延续相当长一段时间的发光称为磷光磷光人眼可见人眼可见随着实验技术的发展，这种区分已经变得不明确了，随着实验技术的发展，这种区分已经变得不明确了，还有很多人沿用这两个名称还有很多人沿用这两个名称第32页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军A）分立发光的衰减）分立发光的衰减衰减过程衰减过程激发态的寿命激发态的寿命分立发光衰减的规律是指数式的分立发光衰减的规律是指数式的激发态可以跃迁到不同的基态时激发态可以跃迁到不同的基态时只要始态能级相同，相应的发光只要始态能级相同，相应的发光就有相同的衰减时间就有相同的衰减时间第33页，本讲稿共3
20、8页电子科技大学光电信息学院陈德军B）复合发光复合发光假设两类载流了数目相等，都等于假设两类载流了数目相等，都等于n任何一个载流子都可以和异号的任何任何一个载流子都可以和异号的任何个载流子复合个载流子复合第34页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军实用上将荧光粉的亮度下降到激发停止的瞬间亮度的实用上将荧光粉的亮度下降到激发停止的瞬间亮度的10%所经历的时间称作余辉时间所经历的时间称作余辉时间显示技术中常用的余辉划分显示技术中常用的余辉划分为了适应人眼的频率响应特性，家用电视要求为了适应人眼的频率响应特性，家用电视要求2030ms以下的中（短）余辉荧光粉以下的中（短）余辉荧光粉显示管一
21、般要求显示管一般要求50ms至数百毫秒的长余辉荧光粉至数百毫秒的长余辉荧光粉三基色荧光粉的余辉特性要求基本一致（有时需要特意引入适当的猝灭剂，如三基色荧光粉的余辉特性要求基本一致（有时需要特意引入适当的猝灭剂，如Ni，Co等）等）第35页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军课堂练习l激发光谱的横坐标和纵坐标分别表示什么参量激发光谱的横坐标和纵坐标分别表示什么参量横坐标：激发光的波长横坐标：激发光的波长纵坐标：特定波长（或谱带）发射光的强度或光通量纵坐标：特定波长（或谱带）发射光的强度或光通量l常见的激发光谱或发射光谱的纵坐标一般为相对强度常见的激发光谱或发射光谱的纵坐标一般为相对强度
22、l工程上将激发停止后发光强度降低到起始值的工程上将激发停止后发光强度降低到起始值的 所需的时间作所需的时间作为荧光粉的余辉时间为荧光粉的余辉时间10%正确正确第36页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军思考题思考题1、什么是发光，它有什么特点？、什么是发光，它有什么特点？2、发光和热辐射有什么区别？、发光和热辐射有什么区别？3、发光所经历的主要物理过程有哪些？、发光所经历的主要物理过程有哪些？4、从发光经历的物理过程分析，如何才能保证日光灯具有较高的发光效率、从发光经历的物理过程分析，如何才能保证日光灯具有较高的发光效率5、列举常见的荧光粉器件，根据发光材料的激发方式说明其中发光材料
23、的发光类型、列举常见的荧光粉器件，根据发光材料的激发方式说明其中发光材料的发光类型6、什么是激发光谱，什么是发射光谱？、什么是激发光谱，什么是发射光谱？7、发光效率有哪三种不同的表达形式，分别说明之。、发光效率有哪三种不同的表达形式，分别说明之。8、一种日光灯用荧光粉的量子效率为、一种日光灯用荧光粉的量子效率为0.8，发光峰值波长为，发光峰值波长为500nm，计算该荧光粉在，计算该荧光粉在250 nm紫外光激发下的功紫外光激发下的功率效率和流明效率（人眼对率效率和流明效率（人眼对500 nm光的相对视见灵敏度为光的相对视见灵敏度为0.323）9、显示器件通常要求选用具有合适余辉时间的发光材料，发光材料根据余辉时间的长短如何进行划分？、显示器件通常要求选用具有合适余辉时间的发光材料，发光材料根据余辉时间的长短如何进行划分？10、为什么通常需要抑制无辐射跃迁过程？、为什么通常需要抑制无辐射跃迁过程？第37页，本讲稿共38页电子科技大学光电信息学院陈德军第38页，本讲稿共38页