发光的定义基本物理过程及现象
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12
发光的分类
❖ 生物发光
在生物体内，由于生命过程的变化，其相应的生化反应释放的能 量激发发光物质所产生的发光 。
１９６０年，经精密测定发现，萤火虫体内化学反应所得 的能量中约９０％都转化为光，这种转化效率是迄今发 光系统中最高的。科学家认为，如果能根据这次研究获 得的荧光素酶立体构造的知识，进一步弄清萤火虫发光 反应中转化效率如此高的原因，将有助于开发节约能源 的生物纳米机器。
33
❖ 按照发光时间长短
荧光：物质在受激发时的发光； 磷光：激发停止后的发光； 一般以持续时间分界：
荧光
10-8 S
磷光
t
说明物质在接受激发能量和产生发光的过程中， 存在着一系列的中间过程。
6
发光的分类
❖ 按被激发的方式分类
光致发光photoluminescence 电致发光electroluminescence 阴极射线发光cathode luminescence X射线发光及高能粒子发光 化学发光 生物发光
第一章 发光的定义、 基本物理过程及现象
仇怀利
2013-10
主要内容：
一、发光的定义和分类 二、基本物理过程和现象
2
发光的定义
❖ 什么是发光？
太阳、星星 白炽灯、蜡烛 月光、极光 “鬼火”
荧光猪肉很可能是生猪在饲养环节即被喂食过过量 含磷饲料，导致猪体内磷含量超标，“也可能是这 块猪肉感染了细菌，有一种荧光菌，如果猪肉在切 割中沾上这种菌，菌的代谢物就会让猪肉发出蓝色 荧光。
13
基本物理过程及现象
❖ 电子－声子耦合 ❖ 能量传递
14
电子－声子耦合
❖ 吸收、发射、无辐射跃迁
15
❖ 具有畸变八面体对称性的Cu+格位具有无序的本征 能量值及声子辐射支助的模式(这是在吸收光谱中出 现宽带结构的成因
干福熹 and 邓佩珍, 激光材料. 1996.12, 上海: 上海科学技术出版社.
❖ 量子剪裁
一个激发光子产生两个或两个以上的光子
23
上转换发光
❖ 激发态吸收 ❖ 能量传递引起上转换发光
24
激发态吸收
❖ LaF3中Tm3+的能级 及647.1nm激发下的 上转换发光过程
25
能量传递引起上转换发光
❖ 处于激发态的同种离子间的能量传递; ❖ 不同离子间的逐次能量传递
26
能量传递引起上转换发光
电视机 雷达 示波器
10
发光的分类
❖ X射线及高能粒子发光
在X射线、γ射线、α粒子和β粒子等高能粒子激发下，发 光物质所产生的发光 。
次级电子激发或离化发光物质，这些激发或离化状态重 新回到平衡态时，就产生了发光。
11
发光的分类
❖ 化学发光
由化学反应过程中释放出来的能量激发发光物质所产生 的发光 。
❖ 在这种材料中，用 真空紫外激发，可 见光发射量子效率 达到140 %
30
逐次能量传递
❖ 真空紫外激发下LiGdF4:Eu中两步能 量传递引起的量子剪裁发光
31
铒离子的向上转换过程
32
能量传递
❖ 浓度猝灭
激活剂离子之间的交叉驰豫； 激活剂浓度增加，激活剂和缺陷、杂质之间迁移
速率加大，更容易到达猝灭中心。
19
能量传递
❖ 通过与晶格振动 交换能量实现能 量守恒
❖ 公式？
20
能量传递
❖ 同种中心间两种能量传递方式
（a）激发迁移； （b）交叉驰豫
21
钕离子的交叉驰豫过程 22
聂秋华, 光纤激光器和放大器技术. 1997, 北京: 电子工业出版社.
分立中心的发光
❖ 上转换发光
发射光子能量大于激发光子能量
❖ 处于1D2的两个 Pr3+离子发生能 量传递引起上转 换发光
27
❖ Tm3+和Yb3+双掺杂体系中的 能量传递和上转换发光
28
量子剪裁
❖ 光子分步发射 ❖ 逐次能量传递
29
光子分步发射
❖ 真Pr空的紫发外光激发下YF3： ❖ 到4015I6n的m跃，迁属位于于可见
光的深紫区。其余 几条都在紫外区
p-n结注入式电致发光
当半导体p-n结正向偏置时，电子(空穴)会注入到p(n)型
材料区。这样注入的少数载流子会通过直接或间接的
途径与多数载流子复合。
9
发光的分类
❖ 阴极射线发光
发光物质在电子束激发下所产生的发光。 入射电子激发发光物质离化原子钟的电子，产生 次级电
子，次级电子激发发光物质产生发光。
16
电子－声子耦合
❖ 电子－声子相互作用，引起发光性质的随温 度变化；
❖ 发光中心间及发光中心与其他原子相互作用， 引起激发迁移和能量传递。
17
电子－声子耦合
❖ 无辐射跃迁
温度猝灭
❖向下能级无辐射跃迁引 起的温度猝灭；
❖通过上能级的热猝灭。
18
能量传递
❖ 能量传递
供体(D)：在这个过程中失去能量的中心； 受体(A)：在这个过程中获得能量的中心。
7wenku.baidu.com
发光的分类
❖ 光致发光photoluminescence
是用光激发发光体引起的发光现象。 它大致经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。 光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过
激发态。 能量传递则是由于激发态的运动。
举例：
8
发光的分类
❖ 电致发光
本征型电致发光
施主或陷阱中通过电场或热激发到达导带的电子，或从 电极通过隧穿效应进入材料中的电子，受到电场加速 获得足够高的能量，碰撞电离或激发发光中心，最后 导致复合发光。
3
发光的定义
❖ 什么是发光？
发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余 的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的 持续时间。
发光区别于光的散射、反射等物理过程。
4
发光的定义
❖ 发光的两个主要特征
发出的总辐射中超出热辐射的部分； 当激发源停止对物体的作用后，发光现象还会持
续一定的时间。
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发光的分类
发光的分类
❖ 生物发光
在生物体内，由于生命过程的变化，其相应的生化反应释放的能 量激发发光物质所产生的发光 。
１９６０年，经精密测定发现，萤火虫体内化学反应所得 的能量中约９０％都转化为光，这种转化效率是迄今发 光系统中最高的。科学家认为，如果能根据这次研究获 得的荧光素酶立体构造的知识，进一步弄清萤火虫发光 反应中转化效率如此高的原因，将有助于开发节约能源 的生物纳米机器。
33
❖ 按照发光时间长短
荧光：物质在受激发时的发光； 磷光：激发停止后的发光； 一般以持续时间分界：
荧光
10-8 S
磷光
t
说明物质在接受激发能量和产生发光的过程中， 存在着一系列的中间过程。
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发光的分类
❖ 按被激发的方式分类
光致发光photoluminescence 电致发光electroluminescence 阴极射线发光cathode luminescence X射线发光及高能粒子发光 化学发光 生物发光
第一章 发光的定义、 基本物理过程及现象
仇怀利
2013-10
主要内容：
一、发光的定义和分类 二、基本物理过程和现象
2
发光的定义
❖ 什么是发光？
太阳、星星 白炽灯、蜡烛 月光、极光 “鬼火”
荧光猪肉很可能是生猪在饲养环节即被喂食过过量 含磷饲料，导致猪体内磷含量超标，“也可能是这 块猪肉感染了细菌，有一种荧光菌，如果猪肉在切 割中沾上这种菌，菌的代谢物就会让猪肉发出蓝色 荧光。
13
基本物理过程及现象
❖ 电子－声子耦合 ❖ 能量传递
14
电子－声子耦合
❖ 吸收、发射、无辐射跃迁
15
❖ 具有畸变八面体对称性的Cu+格位具有无序的本征 能量值及声子辐射支助的模式(这是在吸收光谱中出 现宽带结构的成因
干福熹 and 邓佩珍, 激光材料. 1996.12, 上海: 上海科学技术出版社.
❖ 量子剪裁
一个激发光子产生两个或两个以上的光子
23
上转换发光
❖ 激发态吸收 ❖ 能量传递引起上转换发光
24
激发态吸收
❖ LaF3中Tm3+的能级 及647.1nm激发下的 上转换发光过程
25
能量传递引起上转换发光
❖ 处于激发态的同种离子间的能量传递; ❖ 不同离子间的逐次能量传递
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能量传递引起上转换发光
电视机 雷达 示波器
10
发光的分类
❖ X射线及高能粒子发光
在X射线、γ射线、α粒子和β粒子等高能粒子激发下，发 光物质所产生的发光 。
次级电子激发或离化发光物质，这些激发或离化状态重 新回到平衡态时，就产生了发光。
11
发光的分类
❖ 化学发光
由化学反应过程中释放出来的能量激发发光物质所产生 的发光 。
❖ 在这种材料中，用 真空紫外激发，可 见光发射量子效率 达到140 %
30
逐次能量传递
❖ 真空紫外激发下LiGdF4:Eu中两步能 量传递引起的量子剪裁发光
31
铒离子的向上转换过程
32
能量传递
❖ 浓度猝灭
激活剂离子之间的交叉驰豫； 激活剂浓度增加，激活剂和缺陷、杂质之间迁移
速率加大，更容易到达猝灭中心。
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能量传递
❖ 通过与晶格振动 交换能量实现能 量守恒
❖ 公式？
20
能量传递
❖ 同种中心间两种能量传递方式
（a）激发迁移； （b）交叉驰豫
21
钕离子的交叉驰豫过程 22
聂秋华, 光纤激光器和放大器技术. 1997, 北京: 电子工业出版社.
分立中心的发光
❖ 上转换发光
发射光子能量大于激发光子能量
❖ 处于1D2的两个 Pr3+离子发生能 量传递引起上转 换发光
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❖ Tm3+和Yb3+双掺杂体系中的 能量传递和上转换发光
28
量子剪裁
❖ 光子分步发射 ❖ 逐次能量传递
29
光子分步发射
❖ 真Pr空的紫发外光激发下YF3： ❖ 到4015I6n的m跃，迁属位于于可见
光的深紫区。其余 几条都在紫外区
p-n结注入式电致发光
当半导体p-n结正向偏置时，电子(空穴)会注入到p(n)型
材料区。这样注入的少数载流子会通过直接或间接的
途径与多数载流子复合。
9
发光的分类
❖ 阴极射线发光
发光物质在电子束激发下所产生的发光。 入射电子激发发光物质离化原子钟的电子，产生 次级电
子，次级电子激发发光物质产生发光。
16
电子－声子耦合
❖ 电子－声子相互作用，引起发光性质的随温 度变化；
❖ 发光中心间及发光中心与其他原子相互作用， 引起激发迁移和能量传递。
17
电子－声子耦合
❖ 无辐射跃迁
温度猝灭
❖向下能级无辐射跃迁引 起的温度猝灭；
❖通过上能级的热猝灭。
18
能量传递
❖ 能量传递
供体(D)：在这个过程中失去能量的中心； 受体(A)：在这个过程中获得能量的中心。
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发光的分类
❖ 光致发光photoluminescence
是用光激发发光体引起的发光现象。 它大致经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。 光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过
激发态。 能量传递则是由于激发态的运动。
举例：
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发光的分类
❖ 电致发光
本征型电致发光
施主或陷阱中通过电场或热激发到达导带的电子，或从 电极通过隧穿效应进入材料中的电子，受到电场加速 获得足够高的能量，碰撞电离或激发发光中心，最后 导致复合发光。
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发光的定义
❖ 什么是发光？
发光就是物质在热辐射之外以光的形式发射出多余 的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的 持续时间。
发光区别于光的散射、反射等物理过程。
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发光的定义
❖ 发光的两个主要特征
发出的总辐射中超出热辐射的部分； 当激发源停止对物体的作用后，发光现象还会持
续一定的时间。
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发光的分类