发光的定义及特点

电子科技大学光电信息学院陈德军,晶体结构,第2章 发光的定义及特点,本章重点,发光的定义和特点,发光与热辐射的区别,发光材料的分类方法,发光现象所经历的物理过程,发光的几个重要参数,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,波动性,电学及磁学分量组成的,互成90,简谐运动,波长和频率两个参量,干涉、衍射现象,电子科技大学光电信息学院陈德军,粒子性,早在1900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光子,光子能量为,光电导、光电发射、发光,及光化学等效应都是粒子性的体现,电子科技大学光电信息学院陈德军,二、光的发射,热辐射,任何高于0K的物体都会向外辐射能量,连续光谱,（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向移动,平衡辐射,效率低（白炽灯 10%，主要为红外辐射）,发光,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？,白色光,灯管温度不高，接近常温,显然不是热辐射发光,效率比白炽灯高得多（80 lm/W以上）,日光灯的发光过程,灯管内的气体（水银蒸汽）放电产生紫外线（254nm）,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,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,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,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,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,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,吸收的能量,直接,以光能的形式释放出来的,非平衡辐射,过程,电子科技大学光电信息学院陈德军,四、发光的特点,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,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,衰减（余辉）,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,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,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（,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,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的过程称为,激发,一般按激发能来源划分,机械发光机械能（ZnS:Mn在振动时发光）,物理发光物理能,（进一步划分）,化学发光化学能（荧光棒）,生物发光 生物化学能（萤火虫）,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,只适合于气态物质,固体发光,最常用，最广泛,液体发光,常用于材料分析,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,气体中的带电粒子（电子和离子）就会在电场的作用下加速,带电粒子气体中的原子或分子碰撞电离产生新的电子和离子,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,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,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,电子科技大学光电信息学院陈德军,气体放电的应用,霓虹灯,日光灯,PDP,气体激光器,激光泵浦,紫外杀菌灯,投影光源,电子科技大学光电信息学院陈德军,2）固体发光,A）有机材料,B）无机材料,晶体,半导体发光二极管、激光器,粉末,荧光粉,薄膜,电致发光,单晶薄膜,发光粉混入介质形成的薄膜,直接制成的薄膜,电子科技大学光电信息学院陈德军,物理发光（根据激发方式分类）,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254 nm紫外线,阴极射线发光（CathodoLuminescence，CL）,激发能为电子束的动能，如CRT、FED等,电致发光（ElectroLuminescence, EL）,激发能为电场能,高能粒子发光（x射线、高能粒子激发）,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,有光的发射就是发光这一说法是否正确？,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,激发停止后，发光一定会延续一段时间,阴极射线发光是由电子束（阴极射线）发射的,日光灯和,PDP,的荧光粉发光都属于光致发光,错误,正确,正确,正确,错误,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,下列器件荧光粉的发光类型分别是？,阴极射线管,阴极射线发光,节能灯,光致发光,PDP,光致发光,冷阴极荧光灯,光致发光,白光LED（蓝色芯片）,光致发光,器件名称,发光类型,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,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,辐射跃迁,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,如果能量是以光子的形式释放出来的就称之为辐射跃迁,电子科技大学光电信息学院陈德军,注意,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,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,能量传输,电子科技大学光电信息学院陈德军,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,辐射跃迁的竞争过程，会降低材料的发光效率,量子效率：,电子科技大学光电信息学院陈德军,激发能量的传输,He-Ne气体放电发光,荧光粉的发光,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,Sb,3+,Mn,2+,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量，将发光中心从基态激发到激发态,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,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,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,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,一般来说，发光材料的量子效率不超过,100%,无辐射跃迁会降低材料的发光效率,发光经历的物理过程按下列顺序发生：,激发辐射跃迁无辐射跃迁能量传递,正确,正确,正确,错误,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长的关系。 ）,确定对发光有贡献的激发光波长范围,的激发光谱,横坐标：,激发光波长,纵坐标：,发光强度（效率）,通常为相对值,电子科技大学光电信息学院陈德军,2. 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长的分布,光谱的线型：,线谱,宽带谱,线谱+宽带谱,横坐标：,发射光波长,纵坐标：,发光强度（效率）,通常为相对值,Gauss函数 表示,电子科技大学光电信息学院陈德军,3. 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,能量效率（功率效率）,发光辐射能量与吸收能量之比,量子效率,辐射出的量子数与吸收的量子数之比,流明效率,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,4. 发光的增长与衰减,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,荧光,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,磷光,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，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,A）分立发光的衰减,衰减过程,激发态的寿命,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,只要始态能级相同，相应的发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,B） 复合发光,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个载流子复合,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%所经历的时间称作余辉时间,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2030ms以下的中（短）余辉荧光粉,显示管一般要求50ms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Ni，Co等）,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,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,常见的激发光谱或发射光谱的纵坐标一般为相对强度,工程上将激发停止后发光强度降低到起始值的,所需的时间作为荧光粉的余辉时间,10%,正确,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？,2、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？,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,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,6、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。,8、一种日光灯用荧光粉的量子效率为0.8，发光峰值波长为500nm，计算该荧光粉在250 nm紫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？,10、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,