第二章 发光的定义及特点.pptx

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1、第二章第二章 发光的定义及特点发光的定义及特点一、光的本质一、光的本质波粒二相性波粒二相性 波动性波动性电学电学及磁学分量组成及磁学分量组成的的互成互成90简谐运动简谐运动波长和频率两个波长和频率两个参量参量干涉、干涉、衍射现象衍射现象粒子性粒子性早在早在1900年普朗克就提出光的存在是以很多小部分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光能量为单位组成的的光子光子光子光子能量为能量为光电导、光电发射、发光光电导、光电发射、发光及光化学等及光化学等效应都是粒子效应都是粒子性的体现性的体现二、光的发射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

2、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布向短波方向移动平衡辐射平衡辐射效率效率低（白炽灯低（白炽灯 10%，主要为红外辐射），主要为红外辐射）发光发光发光发光不不需要将发光材料加热到高温（如日光灯、显像管等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）常温下就可产生光发射）原因：电子原因：电子在不同高能态上的分布偏离热平衡在不同高能态上的分布偏离热平衡分布分布从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这些高能态的跃迁而来的光就会比相应温

3、度下同样波长的发射强射强很多很多需要以需要以某种方式把能量交给物体使电子升到一定高能某种方式把能量交给物体使电子升到一定高能态态激激发过程发过程只是只是在少数中心在少数中心进行，进行，不会影响物体的不会影响物体的温度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见光发光的优点：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/W三、发光的定义三、发光的定义发光就是物体发光就是物体不经

4、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四、发光的特点四、发光的特点冷光冷光发光体和发光体和周围环境的温度几乎是相同的，并不需要周围环境的温度几乎是相同的，并不需要加温加温只有个别只有个别中心得到中心得到能量，周围大量的中心仍处于未被激发的能量，周围大量的中心仍处于未被激发的状态状态衰减（余辉）衰减（余辉）从从外界吸收外界吸收能量到放出能量到放出光来光来，花费，花费一定一定时间。时间。发出的光既有反映这个物质特点的光谱，又有一定的衰减发出的光既有反映这个物质特点的光谱，又有一

5、定的衰减规规律律与反射光与反射光、散射光、契连科夫辐射等、散射光、契连科夫辐射等区分区分五、发光的分类五、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一般按激发能来源划分一般按激发能来源划分机械机械发光发光机械能（机械能（ZnS:Mn在振动在振动时发光）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）物理发光物理发光光致发光光致发光激发激发能为电磁辐射，如日光灯中的荧光粉发光，激发光主要能

6、为电磁辐射，如日光灯中的荧光粉发光，激发光主要为为254 nm紫外线紫外线阴极射线发光（阴极射线发光（CathodoLuminescence,CL）激发激发能为电子束的动能，如能为电子束的动能，如CRT、FED等等高能高能粒子发光（粒子发光（x射线、高能粒子激发射线、高能粒子激发）电致发光电致发光（ElectroLuminescence,EL）激发激发能为电场能能为电场能常见荧光粉器件的发光类型常见荧光粉器件的发光类型5.1化学发光化学发光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A+B=P*+Q5.2生物发光生物发光与生命过程有关的与生命过程有关的类化学发光（或称为生物类化学发光

7、（或称为生物化学发光化学发光）动物界的25个门中有13个门28个纲中都有发光动物植物界中只有细菌和高等真菌才有生物发光常见的生物发光都有很高的效率（0.880.12）5.3 物理物理发光发光1）气体放电发光）气体放电发光只只适合气态适合气态物质物质气体中的带电粒子（电子和离子）就会在电场气体中的带电粒子（电子和离子）就会在电场的作用下的作用下加速加速带电粒子气体带电粒子气体中的原子或分子中的原子或分子碰撞电离碰撞电离产生新产生新的电子和的电子和离子离子使使原本不导电的气体变得导电原本不导电的气体变得导电了了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

8、，从而会发出光来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气体放电的应用气体放电的应用霓虹灯霓虹灯日光灯日光灯PDP气体激光器气体激光器激光泵浦激光泵浦紫紫外杀菌灯外杀菌灯投影投影光源光源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单晶薄膜薄膜发光粉混入介质形成的发光粉混入介质形成的薄膜薄膜直接制成的薄膜直接制成的薄膜六、材料六、材料发光所经历的主要过程发光所经历的主要过程激发激发发光必须首先发光

9、必须首先从外界获取从外界获取能量能量将体内的原子、分子或离子从基态激发到高能将体内的原子、分子或离子从基态激发到高能态态辐射跃迁辐射跃迁高能高能态（激发态）是态（激发态）是一种不稳定的状态一种不稳定的状态，粒子迟早粒子迟早会从激发态跃迁回基态，释放出吸收的会从激发态跃迁回基态，释放出吸收的能能量量如果如果能量是以光子的形式释放出来能量是以光子的形式释放出来的就的就称之为称之为辐射辐射跃迁跃迁并非所有被发光材料吸收的激发能都能转并非所有被发光材料吸收的激发能都能转化为光辐射化为光辐射输出输出从高能态到基态的跃迁并非只有发光这一从高能态到基态的跃迁并非只有发光这一种种方式方式无辐射跃迁无辐射跃迁从

10、从激发态跃迁到基态的激发态跃迁到基态的过程若不过程若不产生光子辐射产生光子辐射输出输出辐射跃迁辐射跃迁的竞争过程，会降低材料的的竞争过程，会降低材料的发光效率发光效率量子效率：量子效率：激发能量的激发能量的传输传输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+小结小结发光所经历的主要物理过程发光所经历的主要物理过程激发过程激发过程：发光材料从外界吸收能量，将发光中心从基态激发：发光材料从外界吸收能量，将发光中心从基态激发到到激发态激发态辐射跃迁辐射跃迁过程：发光中心

11、从激发态跃迁回基态，多余的能量以过程：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光子的形式释放出来出来无辐射跃迁无辐射跃迁过程：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，导致材料温度的一声子的形式释放到晶格中，导致材料温度的升高升高能量传输能量传输过程：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与发光中心间进行传递传递七、七、表征发光的主要性能指标表征发光的主要性能指标1、激发光谱（发光、激发光谱（发光材料特定波长的发光强度与激发材料特定波长的发光强度与激发

12、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确定对发光有贡献的激发光波长范围范围的激发光谱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发光强度按波长的分布分布光谱的线型：光谱的线型：Gauss函数函数 表示表示线谱线谱宽带谱宽带谱线谱线谱+宽带谱宽带谱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发光效率反映了材料吸收激发能量后转变为光能的比例比例能量效率（功率效率）能量效率（功率效率）发光辐射能量与吸收发光辐射能量与吸收能量之能量之比比量子效率量子效率辐射辐射出的出的量子数量子数与与吸

13、收的量子数吸收的量子数之之比比 流明效率流明效率发射的发射的光通量与光通量与吸收的吸收的能量之比能量之比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激停止后，延续相当长一段时间的发光称为激停止后，延续相当长一段时间的发光称为磷光磷光随着实验技术的发展，这种区分已经变得不明确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了，还有很多人沿用这两个名称A）分立发光的增长和衰减）分立发光的增长和衰减衰减过程衰减过程称为激发态的寿命称为激发态的寿命发光衰减的规律

14、是指数式的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发光的增长发光的增长激发很弱时激发很弱时发光达到稳定值的某一规定的百分数（如发光达到稳定值的某一规定的百分数（如90）所需时）所需时间称为发光的上升时间间称为发光的上升时间发光的最大稳定值为发光的最大稳定值为与激发光强成正比与激发光强成正比激发很强时激发很强时发光的上升时间，随激发强度的增加而减小，而最大稳发光的上升时间，随激发强度的增加而减小，而最大稳定值与激发光强无关定值与激发光强无关B）复合发光复合发光假设两

15、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高激发密度下，双分子发光的高激发密度下，双分子发光的衰减过程为双曲函数，也称为衰减过程为双曲函数，也称为非指数发光衰减非指数发光衰减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

16、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三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）思考题1、什么是发光，它由什么特点？、什么是发光，它由什么特点？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

17、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紫外紫外光激发下的功率效率和流明效率（人眼对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、三基色显示时，为什么要求红、绿、蓝荧光粉具有大致相同的余辉时间？、三基色显示时，为什么要求红、绿、蓝荧光粉具有大致相同的余辉时间？11、试分别说明、试分别说明 分立发光和复合发光的衰减规律。分立发光和复合发光的衰减规律。12、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？