发光的定义及特点课件

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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军本章重点发光的定义和特点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、衍射现象电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军一、光的本质波粒二相性 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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军粒子性电子科技大学光电信息学院陈德军二、光的发射l热热辐辐射射任任何何高高于于0K的的物物体体都都会会向向外外辐辐射射能能量量连连续续光光谱谱（光光强强随随波波长长的的变变化化关关系系）随随着着温温度度的的升升高高，辐辐射射的的总总功功率率增增大大，辐辐射射的的光光谱谱分分布布向向短短波波方方向向移移动动平平衡衡辐辐射射效效率率低低（白白炽炽灯灯 10%，主主要要为为红红外外辐辐射射）l发发光光电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军二、光的发射热辐射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）放灯管内的气体（水银蒸汽）放电产生紫外线（电产生紫外线（254nm）紫外线激发荧光粉发光紫外线激发荧光粉发光电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军日光灯发光有何特点呢？日光灯的发光过程灯管内的气体（水银蒸汽l发光发光不需要将发光材料加热到高温（如日光灯、显像管等常温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）下就可产生光发射）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过程激发过程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光电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军发光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种方式某种方式吸收的能量吸收的能量直接直接以光能的形式释以光能的形式释放出来的放出来的非平衡辐射非平衡辐射过程过程电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军三、发光的定义发光就是物体不经过热阶段而将其内部以某种方式吸四、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状态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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军四、发光的特点冷光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。电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军契连科夫辐射 如果电子或其它带电粒子在真空中具有很高的速度（五、发光的分类l以以某某种种方方式式将将能能量量交交给给物物体体使使电电子子提提升升到到一一定定高高能能态态的的过过程程称称为为激激发发l一一般般按按激激发发能能来来源源划划分分机机械械发发光光机机械械能能（ZnS:Mn在在振振动动时时发发光光）物物理理发发光光物物理理能能（进进一一步步划划分分）化化学学发发光光化化学学能能（荧荧光光棒棒）生生物物发发光光 生生物物化化学学能能（萤萤火火虫虫）电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军五、发光的分类以某种方式将能量交给物体使电子提升到一定高能态物理发光（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，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电子科技大学光电信息学院陈德军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）气体放电电子科技大学光电信息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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军1）气体放电发光只适合气态物质电子科技大学光电信息学院陈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，从而会发出光来电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军气体放电总伴随着光的发射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共振能量传递间接地实现电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军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电气体放电的应用l霓霓虹虹灯灯l日日光光灯灯lPDPl气气体体激激光光器器l激激光光泵泵浦浦l紫紫外外杀杀菌菌灯灯l投投影影光光源源l电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军气体放电的应用霓虹灯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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军2）固体发光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光光致致发发光光（Photoluminescence，PL）激激发发能能为为电电磁磁辐辐射射，如如日日光光灯灯中中的的荧荧光光粉粉发发光光，激激发发光光主主要要为为254 nm紫紫外外线线l阴阴极极射射线线发发光光（CathodoLuminescence，CL）激激发发能能为为电电子子束束的的动动能能，如如CRT、FED等等l电电致致发发光光（ElectroLuminescence,EL）激激发发能能为为电电场场能能l高高能能粒粒子子发发光光（x射射线线、高高能能粒粒子子激激发发）电子科技大学光电信息学院陈德军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）光致发光（Photolumin常见荧光粉器件的发光类型电子科技大学光电信息学院陈德军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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军课堂练习有光的发射就是发光这一说法是否正确？错误正确正确正确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（蓝色芯片）（蓝色芯片）光致发光光致发光器件名称器件名称发光类型发光类型电子科技大学光电信息学院陈德军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正确下列器件荧光粉的六、材料发光所经历的主要过程l激激发发发发光光必必须须首首先先从从外外界界获获取取能能量量将将体体内内的的原原子子、分分子子或或离离子子从从基基态态激激发发到到高高能能态态l辐辐射射跃跃迁迁高高能能态态（激激发发态态）是是一一种种不不稳稳定定的的状状态态，粒粒子子迟迟早早会会从从激激发发态态跃跃迁迁回回基基态态，释释放放出出吸吸收收的的能能量量如如果果能能量量是是以以光光子子的的形形式式释释放放出出来来的的就就称称之之为为辐辐射射跃跃迁迁电子科技大学光电信息学院陈德军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激发电子科技大学光电信息学院陈德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能量传输能量传输电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军注意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：电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军无辐射跃迁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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军激发能量的传输电子科技大学光电信息学院陈德军1、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+电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军1、卤粉的光谱Sb3+Mn2+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激激发发过过程程：发发光光材材料料从从外外界界吸吸收收能能量量，将将发发光光中中心心从从基基态态激激发发到到激激发发态态l辐辐射射跃跃迁迁过过程程：发发光光中中心心从从激激发发态态跃跃迁迁回回基基态态，多多余余的的能能量量以以光光子子的的形形式式释释放放出出来来l无无辐辐射射跃跃迁迁过过程程：发发光光中中心心从从激激发发态态跃跃迁迁回回基基态态，多多余余的的能能量量一一声声子子的的形形式式释释放放到到晶晶格格中中，导导致致材材料料温温度度的的升升高高l能能量量传传输输过过程程：输输入入的的激激发发能能在在基基质质与与发发光光中中心心间间、发发光光中中心心与与发发光光中中心心间间进进行行传传递递电子科技大学光电信息学院陈德军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激发过程：发光材料从外界吸收能课堂练习1.发光材料要发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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军课堂练习发光材料要发光就必须首先吸收能量正确正确正确错误电子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、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。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电子科技大学光电信息学院陈德军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 表示表示电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军2.发射光谱横坐标：发射光波长Gauss函数 表示电子科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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军3.发光效率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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军4.发光的增长与衰减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，相应的发只要始态能级相同，相应的发光就有相同的衰减时间光就有相同的衰减时间电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军A）分立发光的衰减激发态的寿命分立发光衰减的规律是指数式的激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电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军B）复合发光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实用上将荧光粉的亮度下降到激发停止的瞬间亮度的度的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）余辉荧以下的中（短）余辉荧光粉光粉显示管一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，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，如如Ni，Co等）等）电子科技大学光电信息学院陈德军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10%所经历的课堂练习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 所需所需的时间作为荧光粉的余辉时间的时间作为荧光粉的余辉时间10%正确正确电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军课堂练习激发光谱的横坐标和纵坐标分别表示什么参量10%正确电思考题思考题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紫紫外光激发下的功率效率和流明效率（人眼对外光激发下的功率效率和流明效率（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、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？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？电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军思考题1、什么是发光，它有什么特点？电子科技大学光电信息学院电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军电子科技大学光电信息学院陈德军谢谢！谢谢！38发光的定义及特点课件39