光学原理-发光的定义及特点.

第二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90º•简谐运动•波长和频率两个参量•干涉、衍射现象–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hE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•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（80lm/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•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•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白炽灯效率20lm/W，偏黄，日光灯的效率80~100lm/W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）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•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hXX*•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•…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254nm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）常见荧光粉器件的发光类型课堂练习1.有光的发射就是发光这一说法是否正确？2.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3.激发停止后，发光一定会延续一段时间4.阴极射线发光是由电子束（阴极射线）发射的5.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•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：•激发能量的传输•He-Ne气体放电发光•荧光粉的发光1、卤粉的光谱2、加入红粉后的光谱3、加入的红粉光谱Sb3+Mn2+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课堂练习1.发光材料要发光就必须首先吸收能量2.一般来说，发光材料的量子效率不超过100%3.无辐射跃迁会降低材料的发光效率4.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七、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发光的增长ndtdn-I激发很弱时发光达到稳定值的某一规定的百分数（如90％）所需时间称为发光的上升时间发光的最大稳定值为与激发光强成正比激发很强时发光的上升时间，随激发强度的增加而减小，而最大稳定值与激发光强无关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20~30ms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）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250nm紫外光激发下的功率效率和流明效率（人眼对500nm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？