發光學與發光材料第一章發光定義及分類1一、光學簡史1.牛頓的微粒說

在1704年出版的《光學》一書中，牛頓認為光是從發光體發出的并且以一定速度在空間直線傳播的微粒（彈性小球）。這種看法被稱為微粒說。牛頓一、光的本質------光的波粒二象性2牛頓的微粒說能很好地解釋光的直進、影的形成、反射、折射等現象缺點:微粒說不能解釋當一束光射到兩種介質界面時，既有反射，又有折射，何種情況下反射，何種情況下折射？無法解釋兩束光相遇后，為何仍能沿原方向傳播這一常見的現象．32.惠更斯的波動說光可以看作是某種振動在介質中的傳播．惠更斯4

水波、聲波的反射和折射現象比較容易見到，所以波動說解釋反射、折射是可以令人信服的．至于兩列水波互相穿過，幾個人的說話聲音可以同時聽到，都是人們熟知的現象．5惠更斯用波動說解釋了光的反射和折射．光的波動說在解釋光的直進和影子的形成原因時也遇到困難，同樣無法解釋光為何能在真空中傳播。可見，光的微粒說和波動說在解釋光現象時，都各有成功的一面，但都不能完滿地解釋當時的一切光現象。 在其后的100多年中，主要由于牛頓的崇高地位及聲望，因而微粒說一直占主導地位，波動說發展很緩慢．人類對光本性的認識，還期待新的現象的發現．直到19世紀初，人們發現了光的干涉現象，進一步研究了光的衍射現象．干涉和衍射是波動的重要特征，從而光的波動說得到迅速發展．人類對光的本性的認識達到一個新的階段．63.麥克斯韋的電磁說他認為：（1）光也是一種電磁波。（2）光有波的一般性質。（3）光的真空中傳播速度是c=3×108m/s。（4）色光是由頻率決定的。即：不同的頻率對應不同的顏色的光。麥克斯韋74.愛因斯坦的光子說光是由大量的一份一份的光子組成的一束光子流。每一份光子是一個能量單元。愛因斯坦8光的波粒二象性光既是電磁波，也是光子。光既有波動性，也有粒子性。波動性和粒子性是矛盾的辯證統一。910熱輻射強度按波長(頻率)的分布和溫度有關，

高溫物體發出的是紫外光。熾熱物體發出的是可見光，低溫物體發出的是紅外光，

溫度

短波長的電磁波的比例。任何物體（氣、液、固）在任何溫度下，都會有熱輻射。熱輻射波譜是連續譜，各種波長(頻率)都有，但是強度不同。

例如加熱鐵塊，隨著溫度的升高:

開始不發光→→→

黃白色橙色暗紅熱輻射二、光的發射（熱輻射、發光）熱輻射11發光材料白熾燈絲2000℃太陽表面5800℃要靠輻射有效地產生可見光，物體的溫度必須足夠高！爐火純青熱輻射決定于物體的溫度，是一種普遍存在的現象。光與熱相伴而行12紅外照相機拍攝的人的頭部的熱圖熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色13煉鋼的熱輻射14紅外夜視儀拍的照片15二、光的發射（熱輻射、發光）熱輻射（是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發的熱傳方式。它不依賴任何外界條件而進行。它是熱的三種主要傳導方式之一）任何高于0K的物體都會向外輻射能量連續光譜（光強隨波長的變化關系）隨著溫度的升高，輻射的總功率增大，輻射的光譜分布向短波方向移動平衡輻射效率低（白熾燈10%，主要為紅外輻射）16發光不需要將發光材料加熱到高溫（如日光燈、顯像管等常溫下就可產生光發射）原因：電子在不同高能態上的分布偏離熱平衡分布從這些高能態的躍遷而來的光就會比相應溫度下同樣波長的發射強很多需要以某種方式把能量交給物體使電子升到一定高能態——激發過程只是在少數中心進行，不會影響物體的溫度可以更有效地把外界提供的能量轉化成我們所需要的可見光17Luminescence發光Phosphorescence磷光10-8sFluorescence熒光10-8sIncandescence白熾

什么是發光?

是超過發光體所處溫度下黑體輻射的輻射。此概念是由Widemanm和瓦維烙夫共同完成這個定義。發光也稱冷發光和電子躍遷發光。18發光持續時間特征規定當激發停止時，其發光亮度L衰減到初始亮度L0的10%時所經歷的時間為余輝時間，簡稱余輝。人眼能夠感覺到余輝的長發光期間者為磷光；人眼感覺不到余輝的短發光期間者為熒光。熒光與磷光無嚴格區別。極短余輝：余輝時間<1s的發光；短余輝：余輝時間1~10s的發光；中短余輝：余輝時間10-2～1ms的發光；中余輝：余輝時間1～100ms的發光；長余輝：余輝時間10-1～1s的發光；極長余輝：余輝時間>1s的發光19發光激發電子躍遷發光過程201.2發光和黑體輻射的區別1.發光是非平衡過程，其輻射能量和電子能級有關；黑體輻射是平衡輻射，其輻射能量和溫度有關。2．黑體輻射是熱光源發射，黑體輻射的峰值波長由輻射體的溫度決定的;發光是冷光源發射，發光是由躍遷對應能級決定。3.黑體輻射是一個寬譜帶發射，多數發光光譜較窄。21稀土離子Er的發光譜22發光的優點：可以更有效地把外界提供的能量轉化成我們所需要的可見光白熾燈效率20

lm/W，偏黃，日光燈的效率80~100lm/W23三、發光的定義發光就是物體不經過熱階段而將其內部以某種方式吸收的能量直接以光能的形式釋放出來的非平衡輻射過程24四、發光的特點冷光發光體和周圍環境的溫度幾乎是相同的，并不需要加溫只有個別中心得到能量，周圍大量的中心仍處于未被激發的狀態衰減（余輝）從外界吸收能量到放出光來，花費一定時間。發出的光既有反映這個物質特點的光譜，又有一定的衰減規律與反射光、散射光、契連科夫輻射等區分25有機發光、無機發光、有機/無機復合發光1.3發光的種類按發光的激發過程區分物理發光：電致發光、熱致發光、光致發光、摩擦發光、陰極射線發光、X-射線發光化學發光：燃燒、核反應、化學反應、生物發光。按發光的物體狀態區分氣體、液體和固體按發光的物體形狀區分粉末、薄膜、體材料按發光的構成區分（以某種方式將能量交給物體使電子提升到一定高能態的過程稱為激發）26物理發光光致發光激發能為電磁輻射，如日光燈中的熒光粉發光，激發光主要為254nm紫外線陰極射線發光（CathodoLuminescence,CL）激發能為電子束的動能，如CRT、FED等高能粒子發光（x射線、高能粒子激發）電致發光（ElectroLuminescence,EL）激發能為電場能27常見熒光粉器件的發光類型285.1化學發光利用化學反應產生的化學能來轉換成光能，如燃燒、導彈羽煙A+B=P*+Q295.2生物發光與生命過程有關的—類化學發光（或稱為生物化學發光）動物界的25個門中有13個門28個綱中都有發光動物植物界中只有細菌和高等真菌才有生物發光常見的生物發光都有很高的效率（0.88±0.12）302）固體發光A）有機材料B）無機材料晶體半導體發光二極管、激光器粉末熒光粉薄膜電致發光單晶薄膜發光粉混入介質形成的薄膜直接制成的薄膜31六、材料發光所經歷的主要過程激發發光必須首先從外界獲取能量將體內的原子、分子或離子從基態激發到高能態輻射躍遷高能態（激發態）是一種不穩定的狀態，粒子遲早會從激發態躍遷回基態，釋放出吸收的能量如果能量是以光子的形式釋放出來的就稱之為輻射躍遷32并非所有被發光材料吸收的激發能都能轉化為光輻射輸出從高能態到基態的躍遷并非只有發光這一種方式無輻射躍遷從激發態躍遷到基態的過程若不產生光子輻射輸出輻射躍遷的競爭過程，會降低材料的發光效率量子效率：33激發能量的傳輸He-Ne氣體放電發光熒光粉的發光341、鹵粉的光譜2、加入紅粉后的光譜3、加入的紅粉光譜Sb3+Mn2+35小結

發光所經歷的主要物理過程激發過程：發光材料從外界吸收能量，將發光中心從基態激發到激發態輻射躍遷過程：發光中心從激發態躍遷回基態，多余的能量以光子的形式釋放出來無輻射躍遷過程：發光中心從激發態躍遷回基態，多余的能量一聲子的形式釋放到晶格中，導致材料溫度的升高能量傳輸過程：輸入的激發能在基質與發光中心間、發光中心與發光中心間進行傳遞36七、表征發光的主要性能指標1、激發光譜（發光材料特定波長的發光強度與激發光波長的關系。）確定對發光有貢獻的激發光波長范圍的激發光譜372.發射光譜在一定激發源的激發下，發光材料的發光能量或發光強度按波長的分布光譜的線型：線譜寬帶譜線譜+寬帶譜383.發光效率發光效率反映了材料吸收激發能量后轉變為光能的比例能量效率（功率效率）發光輻射能量與吸收能量之比量子效率輻射出的量子數與吸收的量子數之比流明效率發射的光通量與吸收的能量之比394.發光的增長與衰減發光的馳豫是發光的重要特征之一將激發停止后立即停止的發光稱為熒光激發停止后，延續相當長一段時間的發光稱為磷光隨著實驗技術的發展，這種區分已經變