發(fā)光的定義及分類2012.01.21

發(fā)光學(xué)與發(fā)光材料第一章發(fā)光定義及分類1一、光學(xué)簡(jiǎn)史1.牛頓的微粒說

在1704年出版的《光學(xué)》一書中，牛頓認(rèn)為光是從發(fā)光體發(fā)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(zhì)------光的波粒二象性2牛頓的微粒說能很好地解釋光的直進(jìn)、影的形成、反射、折射等現(xiàn)象缺點(diǎn):微粒說不能解釋當(dāng)一束光射到兩種介質(zhì)界面時(shí)，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(xiàn)象．32.惠更斯的波動(dòng)說光可以看作是某種振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播．惠更斯4

水波、聲波的反射和折射現(xiàn)象比較容易見到，所以波動(dòng)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(gè)人的說話聲音可以同時(shí)聽到，都是人們熟知的現(xiàn)象．5惠更斯用波動(dòng)說解釋了光的反射和折射．光的波動(dòng)說在解釋光的直進(jìn)和影子的形成原因時(shí)也遇到困難，同樣無法解釋光為何能在真空中傳播?？梢?，光的微粒說和波動(dòng)說在解釋光現(xiàn)象時(shí)，都各有成功的一面，但都不能完滿地解釋當(dāng)時(shí)的一切光現(xiàn)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(dǎo)地位，波動(dòng)說發(fā)展很緩慢．人類對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)，還期待新的現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)．直到19世紀(jì)初，人們發(fā)現(xiàn)了光的干涉現(xiàn)象，進(jìn)一步研究了光的衍射現(xiàn)象．干涉和衍射是波動(dòng)的重要特征，從而光的波動(dòng)說得到迅速發(fā)展．人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)達(dá)到一個(gè)新的階段．63.麥克斯韋的電磁說他認(rèn)為：（1）光也是一種電磁波。（2）光有波的一般性質(zhì)。（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(duì)應(yīng)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(gè)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(dòng)性，也有粒子性。波動(dòng)性和粒子性是矛盾的辯證統(tǒng)一。910熱輻射強(qiáng)度按波長(頻率)的分布和溫度有關(guān)，

高溫物體發(fā)出的是紫外光。熾熱物體發(fā)出的是可見光，低溫物體發(fā)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(huì)有熱輻射。熱輻射波譜是連續(xù)譜，各種波長(頻率)都有，但是強(qiáng)度不同。

例如加熱鐵塊，隨著溫度的升高:

開始不發(fā)光→→→

黃白色橙色暗紅熱輻射二、光的發(fā)射（熱輻射、發(fā)光）熱輻射11發(fā)光材料白熾燈絲2000℃太陽表面5800℃要靠輻射有效地產(chǎn)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(xiàn)象。光與熱相伴而行12紅外照相機(jī)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(fā)射（熱輻射、發(fā)光）熱輻射（是一種物體用電磁輻射的形式把熱能向外散發(fā)的熱傳方式。它不依賴任何外界條件而進(jìn)行。它是熱的三種主要傳導(dǎo)方式之一）任何高于0K的物體都會(huì)向外輻射能量連續(xù)光譜（光強(qiáng)隨波長的變化關(guān)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(dòng)平衡輻射效率低（白熾燈10%，主要為紅外輻射）16發(fā)光不需要將發(fā)光材料加熱到高溫（如日光燈、顯像管等常溫下就可產(chǎn)生光發(fā)射）原因：電子在不同高能態(tài)上的分布偏離熱平衡分布從這些高能態(tài)的躍遷而來的光就會(huì)比相應(yīng)溫度下同樣波長的發(fā)射強(qiáng)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(tài)——激發(fā)過程只是在少數(shù)中心進(jìn)行，不會(huì)影響物體的溫度可以更有效地把外界提供的能量轉(zhuǎn)化成我們所需要的可見光17Luminescence發(fā)光Phosphorescence磷光10-8sFluorescence熒光10-8sIncandescence白熾

什么是發(fā)光?

是超過發(fā)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(gè)定義。發(fā)光也稱冷發(fā)光和電子躍遷發(fā)光。18發(fā)光持續(xù)時(shí)間特征規(guī)定當(dāng)激發(fā)停止時(shí)，其發(fā)光亮度L衰減到初始亮度L0的10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為余輝時(shí)間，簡(jiǎn)稱余輝。人眼能夠感覺到余輝的長發(fā)光期間者為磷光；人眼感覺不到余輝的短發(fā)光期間者為熒光。熒光與磷光無嚴(yán)格區(qū)別。極短余輝：余輝時(shí)間<1s的發(fā)光；短余輝：余輝時(shí)間1~10s的發(fā)光；中短余輝：余輝時(shí)間10-2～1ms的發(fā)光；中余輝：余輝時(shí)間1～100ms的發(fā)光；長余輝：余輝時(shí)間10-1～1s的發(fā)光；極長余輝：余輝時(shí)間>1s的發(fā)光19發(fā)光激發(fā)電子躍遷發(fā)光過程201.2發(fā)光和黑體輻射的區(qū)別1.發(fā)光是非平衡過程，其輻射能量和電子能級(jí)有關(guān)；黑體輻射是平衡輻射，其輻射能量和溫度有關(guān)。2．黑體輻射是熱光源發(fā)射，黑體輻射的峰值波長由輻射體的溫度決定的;發(fā)光是冷光源發(fā)射，發(fā)光是由躍遷對(duì)應(yīng)能級(jí)決定。3.黑體輻射是一個(gè)寬譜帶發(fā)射，多數(shù)發(fā)光光譜較窄。21稀土離子Er的發(fā)光譜22發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)：可以更有效地把外界提供的能量轉(zhuǎn)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(fā)光的定義發(fā)光就是物體不經(jīng)過熱階段而將其內(nèi)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(fā)光的特點(diǎn)冷光發(fā)光體和周圍環(huán)境的溫度幾乎是相同的，并不需要加溫只有個(gè)別中心得到能量，周圍大量的中心仍處于未被激發(fā)的狀態(tài)衰減（余輝）從外界吸收能量到放出光來，花費(fèi)一定時(shí)間。發(fā)出的光既有反映這個(gè)物質(zhì)特點(diǎn)的光譜，又有一定的衰減規(guī)律與反射光、散射光、契連科夫輻射等區(qū)分25有機(jī)發(fā)光、無機(jī)發(fā)光、有機(jī)/無機(jī)復(fù)合發(fā)光1.3發(fā)光的種類按發(fā)光的激發(fā)過程區(qū)分物理發(fā)光：電致發(fā)光、熱致發(fā)光、光致發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線發(fā)光、X-射線發(fā)光化學(xué)發(fā)光：燃燒、核反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)、生物發(fā)光。按發(fā)光的物體狀態(tài)區(qū)分氣體、液體和固體按發(fā)光的物體形狀區(qū)分粉末、薄膜、體材料按發(fā)光的構(gòu)成區(qū)分（以某種方式將能量交給物體使電子提升到一定高能態(tài)的過程稱為激發(fā)）26物理發(fā)光光致發(fā)光激發(fā)能為電磁輻射，如日光燈中的熒光粉發(fā)光，激發(fā)光主要為254nm紫外線陰極射線發(fā)光（CathodoLuminescence,CL）激發(fā)能為電子束的動(dòng)能，如CRT、FED等高能粒子發(fā)光（x射線、高能粒子激發(fā)）電致發(fā)光（ElectroLuminescence,EL）激發(fā)能為電場(chǎng)能27常見熒光粉器件的發(fā)光類型285.1化學(xué)發(fā)光利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的化學(xué)能來轉(zhuǎn)換成光能，如燃燒、導(dǎo)彈羽煙A+B=P*+Q295.2生物發(fā)光與生命過程有關(guān)的—類化學(xué)發(fā)光（或稱為生物化學(xué)發(fā)光）動(dòng)物界的25個(gè)門中有13個(gè)門28個(gè)綱中都有發(fā)光動(dòng)物植物界中只有細(xì)菌和高等真菌才有生物發(fā)光常見的生物發(fā)光都有很高的效率（0.88±0.12）302）固體發(fā)光A）有機(jī)材料B）無機(jī)材料晶體半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器粉末熒光粉薄膜電致發(fā)光單晶薄膜發(fā)光粉混入介質(zhì)形成的薄膜直接制成的薄膜31六、材料發(fā)光所經(jīng)歷的主要過程激發(fā)發(fā)光必須首先從外界獲取能量將體內(nèi)的原子、分子或離子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)輻射躍遷高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，粒子遲早會(huì)從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，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(fā)光材料吸收的激發(fā)能都能轉(zhuǎn)化為光輻射輸出從高能態(tài)到基態(tài)的躍遷并非只有發(fā)光這一種方式無輻射躍遷從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)的過程若不產(chǎn)生光子輻射輸出輻射躍遷的競(jìng)爭(zhēng)過程，會(huì)降低材料的發(fā)光效率量子效率：33激發(fā)能量的傳輸He-Ne氣體放電發(fā)光熒光粉的發(fā)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(jié)

發(fā)光所經(jīng)歷的主要物理過程激發(fā)過程：發(fā)光材料從外界吸收能量，將發(fā)光中心從基態(tài)激發(fā)到激發(fā)態(tài)輻射躍遷過程：發(fā)光中心從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，多余的能量以光子的形式釋放出來無輻射躍遷過程：發(fā)光中心從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，多余的能量一聲子的形式釋放到晶格中，導(dǎo)致材料溫度的升高能量傳輸過程：輸入的激發(fā)能在基質(zhì)與發(fā)光中心間、發(fā)光中心與發(fā)光中心間進(jìn)行傳遞36七、表征發(fā)光的主要性能指標(biāo)1、激發(fā)光譜（發(fā)光材料特定波長的發(fā)光強(qiáng)度與激發(fā)光波長的關(guān)系。）確定對(duì)發(fā)光有貢獻(xiàn)的激發(fā)光波長范圍的激發(fā)光譜372.發(fā)射光譜在一定激發(fā)源的激發(fā)下，發(fā)光材料的發(fā)光能量或發(fā)光強(qiáng)度按波長的分布光譜的線型：線譜寬帶譜線譜+寬帶譜383.發(fā)光效率發(fā)光效率反映了材料吸收激發(fā)能量后轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿谋壤芰啃剩üβ市剩┌l(fā)光輻射能量與吸收能量之比量子效率輻射出的量子數(shù)與吸收的量子數(shù)之比流明效率發(fā)射的光通量與吸收的能量之比394.發(fā)光的增長與衰減發(fā)光的馳豫是發(fā)光的重要特征之一將激發(fā)停止后立即停止的發(fā)光稱為熒光激發(fā)停止后，延續(xù)相當(dāng)長一段時(shí)間的發(fā)光稱為磷光隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，這種區(qū)分已經(jīng)變