發光原理基礎任課教師：鄭春艷物理與光電工程學院閉卷考試，期末考試占80%，平時成績占20%固體發光許少鴻參考書：發光原理與發光材料祁康成

課程教材考核方式第一章概論影片《阿凡達》：潘多拉星球“希望樹”種子發光樹發光蘑菇電影《阿凡達》中的發光植物為我們打造了一幅絢麗、夢幻的外星世界景觀。現在，這種會自動發光的植物已經被科學家從大熒幕帶到了現實生活當中。美國科學家近來利用生物基因技術成功培育出了名為“星光阿凡達”的發光植物。將海洋發光細菌DNA引入花煙草葉綠體中，使其能夠在不借助任何涂料或是紫外線照射的情況下自然、主動的持續發光。

科學家們正在試圖通過改造樹木基因令其能夠發出光亮，如果能夠成功，這些樹木就能作為不需要電源的自然街燈。

發光原理：這種樹之所以會發光，是因為其樹根特別喜歡吸收土壤中的磷。這種磷會在樹體內轉化成磷化氫，而磷化氫一遇到氧氣就會自燃，從而使得樹身磷光閃爍。

發光樹：非洲北部有一種發光樹，白天與普通樹沒區別。但每到晚上，從樹干到樹枝通體會發出明亮的光。由于這種樹發出的光比較強烈，當地人經常把它移植到自家的門前作為路燈使用。在夜間，人們可以在樹下看書甚至做針線。

發光原理：菌體內的熒光素在熒光素酶的催化作用下進行生物氧化，并把化學能轉化為光能，就是我們看到的這種生物光了。發光蘑菇發光菌類植物：通常能發光的植物多是低等菌類植物(如細菌、真菌和藻類植物)。平時也會見到一段發朽的樹樁、木塊，能夠在黑暗中發出藍白色的熒光，研究發現，樹樁此時已被假蜜環菌寄生。螢火蟲

櫛水母動物界說到發光，首先想到螢火蟲，除此之外大自然中還有許多能夠發光的動物，如一些生活在海里的魚、蝦、水母、珊瑚、貝類和蠕蟲等。百慕大三角洲發現的熒光蝦日本富山灣海下棲息著大量熒光烏賊，有時，上百萬的熒光烏賊聚集在一起，可以把整個海灣照亮。發光蚯蚓美國南部生活著一種長達45厘米的發光蚯蚓。這種蚯蚓一旦被傷害，就會分泌出閃爍著藍光的黏液。鐵路蠕蟲身上長有兩種不同的發光器官。仿佛圣誕樹一般，頭部發出紅光，身子閃爍綠光。螢火蟲發光原理：螢火蟲腹部的發光細胞中含有蟲熒光素和蟲熒光素酶，熒光素在熒光酶的催化作用下進行生物氧化，并把化學能轉化為光能。水母發光原理：水母體內含有特殊的發光蛋白（埃奎林），遇到鈣離子就會發生化學反應發出光來。生物化學能——光能生物發光有什么特點？“冷發光”——即發光過程中，發光體并不需要被加熱到高溫，它和周圍環境溫度幾乎相同。古代“夜明珠”，是指能夠在夜晚（或暗室中）自行發光的天然物體。

發光礦物夜明珠：螢石長余輝蓄光型夜明珠：必須靠外界的日光、紫外線等光源激發后才能發光；發光原理：夜明珠的基體材料是無機鹽類中的激活晶態磷光體

光能——光能放射能——光能永久發光的夜明珠：不需要借助任何外界能量進行激發，靠自身含有的放射性同位素激發而發光。

----光致發光----放射線發光

x射線發光X光透視機醫用增感屏是臨床X線攝影不可缺少的重要器材，它與X線膠片匹配使用。增感屏上的熒光物質能將穿透機體的X線轉化為可見光對膠片感光，可以提高X線對膠片感光的利用效率。光能——光能陰極射線發光陰極射線管（CRT）發光原理:能量大約在幾千電子伏以上的高速電子打到熒光粉表面時，大部分都可進入材料內部。產生速度越來越低的“次級”電子，直到發光體中出現大量的能量在幾電子伏的低速電子，激發發光材料發出強光。

陰極射線發光是指電子束激發的發光。

雷達顯示屏電子的動能——光能發光原理：熒光棒外形多為條狀，外層以聚乙烯（塑料）包裝，內置一玻璃管夾層，夾層內外液體分別為過氧化物和酯類化合物、熒光染料。使用時經彎折、擊打、揉搓等使玻璃破裂，過氧化物和酯類化合物發生反應后，能量傳遞至熒光染料，再由染料發出熒光。

熒光棒——化學發光化學能——光能電致發光（場致發光）發光原理：物質在一定的電場作用下被電能所激發而產生的發光現象。是一種直接將電能轉化為光能的發光現象。發光二極管無機材料有機材料電能——光能LED（lightemittingdiode）聲致發光液體中的氣泡被強大的聲波作用時，氣泡會坍塌到一個非常小的體積，內部溫度可以超過10萬攝氏度，過程中會發出瞬間的閃光。

聲能——光能發光原理：極光是地球周圍的一種大規模放電的過程。來自太陽的高能帶電粒子（太陽風，電子、質子等構成）到達地球附近，地球磁場迫使其中一部分沿著磁場線集中到南北兩極。當他們進入極地的高層大氣時，與大氣中的原子和分子碰撞，形成極光。極光——高能粒子發光高能粒子動能——光能閃電發光原理：雷雨云底層與地面間形成強大電場，大氣被強烈電離，形成一條狹窄的導電通道，流過很強的電流，以至空氣通道被燒得白熾耀眼，出現一條彎彎曲曲的細長光柱。——熱輻射發光電流熱效應電能——光能熱輻射發光鐵的熱輻射開始不發光→→→黃白色橙色暗紅熱能——光能太陽（恒星）太陽發光原理

核能——光能火焰燃燒發光：既有化學能直接轉換成產物的激發能產生的化學發光，又有化學能轉化成熱能，導致周圍空氣溫度升高產生的熱輻射發光。化學能——光能人體發出紅外光生物能——光能白熾燈電能——光能發光原理：靠電流加熱燈絲（鎢絲）至白熾狀態，發出可見光。熱輻射發光有什么特點？“熱發光”——即發光過程中，發光體需要被加熱到較高溫度時才能發出可見光，且光與熱伴行。1.1發光現象

一般按輻射波長及人眼的生理視覺效應可將光輻射分成三部分：紫外輻射、可見光輻射和紅外輻射。一、光輻射以電磁波形式或粒子形式傳播的能量，可以用光學元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程稱為光輻射。一般認為光輻射的波長在10nm至1mm范圍內。宏觀：發光是物體內部以某種方式吸收的能量轉化為光輻射的過程。二、廣義的發光概念發光是能量轉換過程微觀：物體中的電子受到外界能量的激發，躍遷到高能態（激發態），處于激發態的電子具有一定的壽命，以一定幾率回落到基態，并把多余的能量釋放出來。如果以光子的形式釋放，就稱為發光。三、發光的主要過程各種發光物質，包括氣、液、固體，除物質獲取外界能量的方式不同，發光過程都大體相同。1.激發過程發光必須首先從外界獲取能量將物質體內的原子、分子或離子從基態激發到高能態2.輻射躍遷過程

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發光躍遷或輻射躍遷輻射躍遷是發光所需要的躍遷3.無輻射躍遷過程

并非所有被物質吸收的激發能都能轉化為光輻射輸出，說明粒子從高能態到基態的躍遷并非只有發光這一種方式。粒子從激發態躍遷到基態的過程不產生光子輻射輸出將激發能散發為熱（如使得晶格振動加劇，導致晶體溫度升高），稱為無輻射躍遷無輻射躍遷和輻射躍遷是激發態回到基態的兩種方式，是競爭過程，會降低物質的發光效率。四、發光的類型平衡輻射：又叫平衡熱輻射物體輻射電磁波的同時，也吸收電磁波。當輻射和吸收達到平衡時，物體的溫度不再變化，此時物體的熱輻射稱為平衡熱輻射。溫度在0K以上的任何物體都有熱輻射，但溫度不夠高時輻射波長大多在紅外區，人眼看不見。物體的溫度達到500℃以上時，輻射的可見部分就夠強了，例如燒紅了的鐵，白熾燈中的燈絲等。“熱發光”與溫度相關的輻射1、

任何物體在任何溫度下都可以進行熱輻射；2、熱輻射的能量與波長、溫度以及物體的性質有關，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；

熱輻射的特點：紅-黃-白-藍3、輻射出的電磁波是連續的。

物體中的分子、原子在不停的做熱運動；溫度是描述平衡狀態下這種運動激烈程度的物理量，熱運動越劇烈物體溫度就越高；在一定溫度下，物體中的原子分子有一定的處在不同激發態上的分布（遵循玻耳茲曼分布律）

，因此，由它們躍遷引起的熱輻射就有很寬的光波長范圍；

當溫度升高時，電子在不同能態上的分布移向較高能量的狀態，電子處于高能態的幾率增加，這樣，輻射光的強度會增大，峰值波長會向短波長移動。熱輻射發光存在的問題在升高溫度以得到我們所需要的光輻射的同時，物體還會發射許多我們不需要的輻射，大部分能量落到紅外部分，發光效率低（白熾燈只有10%左右），熱損耗大。如果一個物體能夠在任何溫度下全部吸收任何頻率的電磁輻射，那么這個物體稱為絕對黑體。絕對黑體的吸收本領是一切物體中最大的，加熱時它輻射本領也最大。天然的、理想的絕對黑體是不存在的。人造黑體是用耐火金屬制成的具有小孔的空心容器，如圖所示。加熱加熱小孔黑體模擬裝置

用金屬制成封閉空腔，空腔壁全部涂黑，僅留一小孔，四周絕熱，這樣的容器的小孔就相當于黑體。黑體輻射黑體輻射的發射本領只與溫度有關熱平衡時，黑體表面單位面積輻射光譜能量的大小及其分布完全決定于它的溫度。黑體熱輻射溫度材料性質、形狀與同溫度其它物體的熱輻射相比，黑體熱輻射本領最強黑體輻射的基本定律式中，λ—波長，m；T—黑體溫度，K；

c1

—第一輻射常數，3.742×10-16W

m2；

c2—第二輻射常數，1.4388×10-2W

K；

(1)普朗克定律1900.10.19普朗克在德國物理學會會議上提出一個黑體輻射公式(2)

斯特藩-

玻耳茲曼定律斯特藩-玻耳茲曼常數總輻出度與T4

成正比0100020001.0

可見光區0.56

000

K3

000

K1879年斯特藩從實驗上總結而得到1884年玻耳茲曼從理論上證明(3)

維恩位移定律常量0100020001.0

可見光區0.56

000

K3

000

K或

m=C

TC

=5.880×1010Hz/K1893年由理論推導而得峰值波長

m

與溫度T

成反比若視太陽為黑體，測得

估算出太陽表面溫度約

T表面

=6000K發射率同溫度下，黑體發射熱輻射的能力最強，在每一個方向都最大可能的發射任意波長輻射能；實際物體的輻射特性真實物體表面的發射能力低于同溫度下的黑體；因此，定義了發射率

(也稱為黑度)

：相同溫度下，實際物體的半球總輻射力與黑體半球總輻射力之比:物體表面的發射率取決于物質種類、表面溫度和表面狀況。非平衡輻射：不需要提高物體的溫度，在某種外界作用激發下，物體偏離原來的熱平衡態時所產生的輻射。“冷發光”在加熱物體時，物體內所有原子或分子的能量都得到提高。在達到熱平衡時，物體的原子或分子中的電子有一定的能態分布，電子處于較高能態的幾率由溫度決定，如果物體溫度不很高，這種可能性就很小，這時熱輻射主要由紅外光組成，可見光成分很少。

什么叫偏離熱平衡態：如果以某種方式把外界能量傳給物體中的個別原子或分子，使其升到高能態，而周圍大量的分子或原子處于未被激發的狀態，就可使電子在不同能態上的分布偏離熱平衡分布。電子從這些高能態躍遷發出的光，就會比相應溫度下同波長的熱輻射強的多。狹義的“發光”Luminescence概念：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。

發光只是在少數發光中心進行，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，發光效率高。“發光”是一個專業名詞，指一種特殊的光發射現象，即疊加在熱輻射之上的一種光發射。與熱輻射相比發光的優點：發光只有個別原子或分子吸收能量，發光的光譜就決定于這些原子和分子，那么可以尋找合適的材料以獲得所需光譜，選擇性好。發光的特點：冷發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，需要花費一定時間。在激發即外界作用停止后發光不馬上消失而是逐漸變弱，這個過程稱為余輝(afterglow)。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、散射光等區分非平衡輻射有許多種，除了發光以外，還有反射、散射等。光輻射的特征一般可用5個宏觀光學參量描述：亮度、光譜、相干性、偏振度和輻射期間。發光與其他非平衡輻射的區別：輻射期間：是指去掉激發后，輻射還可延續的時間。可作為判據。發光的延續時間有長（幾十小時）有短（10-10

秒），但都比反射、散射的持續時間（10-14秒）長很多。熒光(Fluorescence)磷光(Phosphorescence)無機物發光領域這兩詞沒有嚴格區分，甚至混淆。但在有機物發光中，是不容混淆的。熒光

激發時的發光。余輝時間小于10-8s，即激發一停，發光隨即停止。磷光

激發停止后的發光。余輝時間大于10-8s，即激發停止后，發光還要持續一段時間。1.2激發方式及應用名稱激發方式光致發光光的照射電致發光電場作用高能粒子發光高能粒子轟擊陰極射線發光電子束轟擊射線發光射線的照射生物發光生物化學反應化學發光化學反應聲致發光聲波轟擊發光體受外界作用而發光,發光學稱這種作用為激發。可根據激發方式區分發光類型：用光（紫外光、可見光、紅外光）激發產生的發光。光致發光PL(Photoluminescence)：應用1：日光燈（節能燈），即作為照明光源。

傳統日光燈節能燈稀土三基色熒光粉鹵磷酸鈣熒光粉惰性氣體玻璃管工作原理熒光粉被汞蒸氣放電產生的254nm紫外線激發，發出可見光。應用2：道路交通標示、儀表及發光涂料等

長余輝熒光粉：俗稱夜光粉，磷光粉，在去掉激發源（日光、燈光）后還能夠長時間發光（幾小時至十幾小時）。等離子體顯示板(PlasmaDisplayPanel，縮寫為PDP)等離子體是繼物質3態（固態、液態、氣態）后發現的第四態，由數量密度都近似的正、負電荷組成。大屏幕色彩豐富應用3：等離子體顯示器

工作原理每個等離子體發光管就是我們所說的等離子體顯示器的像素與日光燈原理相似彩色PDP的發光顯示主要由以下過程組成：氣體放電過程，即隋性氣體(含氙的混合氣)在外加電信號的作用下產生放電，發射出紫外線（氙，147nm)的過程;熒光粉發光過程，即氣體放電所產生的紫外線，激發光致熒光粉發射可見光的過程。應用4：物理上，用紫外-紅外各波長激發物質，研究物質結構和它接受光能后內部發生的各種變化過程（包括固體中的雜質和缺陷以及它們的結構、能量狀態的變化，激發能量的轉移和傳遞，以至化學反應中的激發態過程，光生物過程等等）。1961年長春光機所1960年，美國物理學家梅曼發明紅寶石激光器——世界上第一臺激光器紅寶石晶體（基質是Al2O3）內摻有少量的Gr2O3

應用5：固體激光器

摻釹釔鋁石榴石晶體（Nd2O3:Y3Al5O12，簡稱Nd:YAG）Nd:YAG激光器波長1.064微米應用范圍：主要用于全息術；各種材料的加工，如打孔、點焊、激光標刻以及集成電路中厚膜、薄膜電路的加工制造、冗余修復等；在醫療上則可用于多種外科手術；軍事上，被廣泛應用于激光測距機、目標指示器和激光雷達等。

優點：使用方便、輸出功率大，可得到超短脈沖（飛秒）固態激光器用于激光測距敏感器、激光三維成像敏感器，為嫦娥三號探測器保駕護航。激光產生原理Laser

方向性好單色性好相干性好亮度高激光特點：發光前

自發輻射發光后處在高能級的單個粒子總會自發地向低能級躍遷，同時輻射出一個具有一定頻率的光子，這種過程稱為自發輻射。普通光源（白熾燈、日光燈）的發光過程為自發輻射。特點：每個粒子在發光的過程中彼此獨立，所發射的光子在方向、位相、偏振方向、頻率上都不同——非相干光

受激輻射

1916年愛因斯坦提出了“受激輻射”的概念，預測到光可以產生受激輻射放大，奠定了激光的理論基礎。愛因斯坦處在高能級的粒子，在外來光子的作用下，發射光子的過程，稱為受激輻射.發光前發光后特點：發射的光子與外來光子完全一樣（即頻率、位相、偏振、傳播方向完全相同）——相干光吸收前吸收后粒子吸收外來的光子，從低能級躍遷到高能級的過程稱為吸收過程，也稱為受激吸收。

受激吸收在粒子與外加光場相互作用時同時存在受激輻射和受激吸收兩種作用，要想使受激輻射占優勢實現光放大，必須使處在高能級的粒子數大于處在低能級的粒子數。這種分布正好與熱平衡態時的粒子分布相反（高能態上的粒子少于低能態上的粒子數），稱為粒子數反轉分布。產生激光的三個必要條件：1實現粒子數反轉2使粒子被激發

3要實現光放大

——需要選擇合適的工作物質

——通過光學諧振腔實現——需要激勵能源

（激活介質）能對光的頻率和方向進行選擇，可獲得連續的光放大可用其產生的自發輻射光作入射光，經反射鏡反射沿軸線方向傳播的光被放大，沿非軸線方向傳播的光被減弱。應用6：染料激光器

工作物質是有機染料（液體），可用閃光燈或紅寶石激光器泵浦使得染料分子發光。與固體相比，染料激光器通常可以用于更廣泛的波長范圍內，使得它們特別適合于調諧，調諧范圍為0.3～1.2微米因此是目前在光譜學研究中用得最多的一種激光器。。激光染料電致發光EL(Electroluminescence)：通過電場或電流產生的發光，最初譯成場致發光。應用1：氣體放電燈（日光燈、低壓鈉燈、霓虹燈等）

在氣體放電過程中，有的原子、分子、離子在碰撞過程中會被激發到高能態，躍遷回低能態時就會發光。氣體放電：當氣體中存在較強電場時，氣體中的帶電粒子（電子、離子）就會在電場作用下加速，與氣體中的原子或分子碰撞，使之電離產生新電子和離子，重復這樣的過程，就會產生許多帶電粒子，使原本不導電的氣體變得導電。產生氣體放電發光的可以是原子氣體，如各種惰性氣體、金屬蒸氣或它們的離子，也可以是分子氣體。各種原子、分子、離子都有它們特有的能級結構，因而具有特有的發光波長。因此可以選擇合適的發光氣體，以獲得所需發光顏色或發光光譜。霓虹燈應用2：氣體激光器（原子、離子、分子、準分子）

在適當放電條件下，氣體粒子有選擇性地被激發到某高能級上，產生受激輻射躍遷。與固體相比，氣體的光學均勻性好,氣體激光器的輸出光束具有較好的方向性、單色性和較高的頻率穩定性。可工作在很寬的波長范圍，從紫外到遠紅外。He－Ne激光器632．8nm

發光二極管是由GaAs（砷化鎵）、GaP（磷化鎵）、GaAsP（磷砷化鎵）等半導體材料制成的，當對二極管P-N結加正向電壓時，電子和空穴復合發光。發光二極管被稱為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、環保(無汞）、壽命長、體積小等特點，廣泛應用于各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領域。應用3：發光二極管(LED)

美國紐約時代廣場戶外全彩LED顯示屏

（上海三思）白光LED三種方法第一種方法：在藍色LED芯片上涂敷能被藍光激發的黃色熒光粉，芯片發出的藍光與熒光粉發出的黃光互補形成白光。第二種方法：在紫外光LED芯片上涂敷RGB三基色熒光粉，實現白光發射。第三種方法：把三基色LED發光芯片封裝在一起，按照一定的比例對其光色進行控制，混出白光。目前最常用藍光LED激發黃色熒光粉來產生白光，藍色技術成為關鍵技術。

2014諾貝爾物理學獎獲獎者是發明了“高亮度藍色發光二極管”

的三名日本物理學家赤崎勇(IsamuAkasaki)、天野浩(HiroshiAmano)和中村修二(ShujiNakamur)。

氮化鎵（GaN）和銦氮化稼（InGaN）

藍光LEDLED臺燈LED路燈奧迪LED大燈1987年，美籍華裔教授鄧青云和VanSlyke采用了超薄膜技術，用透明導電膜作電極，制成了雙層有機電致發光器件。1990年，Burroughes等人發現了以共軛高分子PPV為發光層的OLED（也稱PLED），從此在全世界范圍內掀起了OLED研究的熱潮。鄧教授也因此被稱為“OLED之父”。

2011年，鄧青云與兩位同行共同獲得了沃爾夫化學獎，這是在化學領域僅次于諾貝爾獎的國際性大獎。

（OrganicLight-EmittingDiode）

有機發光二極管OLEDOLED具有結構簡單、超輕薄(厚度小于1毫米)、低功耗及可實現柔性顯示等特性，OLED顯示器被譽為“夢幻顯示器”。OLED顯示技術與傳統的LCD顯示方式不同，無需背光燈，采用非常薄的有機材料（染料及顏料小分子，共軛高分子）涂層發光。

視角范圍大（超過170度）可折疊OLED結構LG手機英國科技公司計劃研發“透明飛機”，將運用OLED技術于飛機機身上，不僅能讓乘客可以一覽無遺窗外的風光，如同翱翔在天際中。還能變成觸摸屏，讓乘客能徹底在機上享受。你敢坐么？常用工作物質有砷化鎵（GaAs）、氮化鎵（GaN）、硫化鎘（CdS）、磷化銦(InP)、硫化鋅(ZnS)等。半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質而產生受激發射作用的器件。應用4：半導體激光器（激光二極管Laserdiode）

體積小、重量