发光的定义及分类

激发
发光
电子跃迁发光过程
1.2发光和黑体辐射的区别
1. 发光是非平衡过程，其辐射能量和电子能级有关；黑体辐 射是平衡辐射，其辐射能量和温度有关。
2．黑体辐射是热光源发射，黑体辐射的峰值波长由辐射体的 温度决定的;发光是冷光源发射，发光是由跃迁对应能级 决定。
3. 黑体辐射是一个宽谱带发射，多数发光光谱较窄。
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
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
0.0
0 .4
400
500
600
700
Wavelength(nm)
0 .2
0 .0
0
1000
2000
3000
4000
5000
W a ve le n g th (n m )
稀土离子Er的发光谱
• 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20 lm/W，偏黄，日光灯的效率80~100lm/W
5
❖ 惠更斯用波动说解释了光 的反射和折射．
❖ 光的波动说在解释光的直 进和影子的形成原因时也 遇到困难，同样无法解释 光为何能在真空中传播。
❖ 可见，光的微粒说和波动说在解释光现 象时，都各有成功的一面，但都不能完 满地解释当时的一切光现象。
❖ 在其后的100多年中，主要由于牛顿的 崇高地位及声望，因而微粒说一直占主 导地位，波动说发展很缓慢．人类对光 本性的认识，还期待新的现象的发现． 直到19世纪初，人们发现了光的干涉现 象，进一步研究了光的衍射现象．干涉 和衍射是波动的重要特征，从而光的波 动说得到迅速发展．人类对光的本性的 认识达到一个新的阶段．
❖ 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
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
间的长短如何进行划分？
热辐射强度按波长(频率)的分布和温度有关，
温度 短波长的电磁波的比例 。
低温物体发出的是红外光，
炽热物体发出的是可见光， 高温物体发出的是紫外光。
发光材料
太阳表面 5800℃
白炽灯丝 2000℃
要靠辐射有效地产生 可见光，物体的温度 必须足够高！
炉火纯青
热辐射决定于物体 的温度，是一种普 遍存在的现象。
什么是发光?
是超过发光体所处温度下黑体辐射的辐射。
此概念是由Widemanm和瓦维烙夫共同完成这个定 义。发光也称冷发光和电子跃迁发光。 Luminescence 发光 Phosphorescence 磷光 10-8s Fluorescence 荧光10-8s Incandescence 白炽
❖ 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
• 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
Sb3+ Mn2+
麦克斯韦
3. 麦克斯韦的电磁说 他认为：
（1）光也是一种电磁波。 （2）光有波的一般性质。 （3）光的真空中传播速度是
c=3×108m/s。 （4）色光是由频率决定的。即：
不同的频率对应不同的颜色的 光。
爱因斯坦
4.爱因斯坦的光子说 光是由大量的一份一份的光子组 成的一束光子流。每一份光子 是一个能量单元。
发光学与发光材料
第一章 发光定义及分类
一、光的本质------光的波粒二象性
一、光学简史
1.牛顿的微粒说 在1704年出版的《光学》一书中 ，牛顿认为光是从发光体发出 的并且以一定速度在空间直线 传播的微粒（弹性小球）。这 种看法被称为微粒说。
牛顿
牛顿的微粒说能很好地解释光的直进 、影的形成、反射、折射等现象
有机发光、无机发光、有机/无机复合发光
物理发光
❖ 光致发光 ▪ 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254 nm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
❖ 高能粒子发光（x射线、高能粒子激发） ❖ 电致发光（ElectroLuminescence, EL）
光与热相伴而行
红外照相机拍摄的人的头部的热图
热的地方显白色，冷的地方显黑色
炼钢的热辐射
红外夜视仪拍的照片
二、光的发射（热辐射、发光）
❖ 热辐射（是一种物体用电磁辐射的形式把热能向外散发的热传方式。 它不依赖任何外界条件而进行。它是热的三种主要传导方式之一 ） ▪ 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）
缺点:微粒说不能解释当一束光射到两种介质 界面时，既有反射，又有折射，何种情况下反 射，何种情况下折射？无法解释两束光相遇后， 为何仍能沿原方向传播这一常见的现象．
3
2.惠更斯的波动说 光可以看作是某种振动在介质中 的传播．
惠更斯
水波、声波的反射和折射现 象比较容易见到，所以波 动说解释反射、折射是可 以令人信服的．至于两列 水波互相穿过，几个人的 说话声音可以同时听到， 都是人们熟知的现象．
人沿用这两个名称
思考题
1、什么是发光，它由什么特点？ 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、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 5、什么是激发光谱，什么是发射光谱？ 6、发光效率有哪三种不同的表达形式，分别说明之。 7、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
▪ 激发能为电场能
常见荧光粉器件的发光类型
5.1化学发光
❖ 利用化学反应产生的化学能来转换成光能，如燃烧、导弹 羽烟
❖ A+B=P*+Q
5.2生物发光
❖ 与生命过程有关的—类化学发光（或称为生物化学发光） ❖ 动物界的25个门中有13个门28个纲中都有发光动物 ❖ 植物界中只有细菌和高等真菌才有生物发光 ❖ 常见的生物发光都有很高的效率（0.88±0.12）
1.3发光的种类
按发光的激发过程区分
（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）
物理发光：电致发光、热致发光、光致发光、摩擦发 光、阴极射线发光、X-射线发光
按发化光学的发物光：体燃状烧态、区核分反应、化学反应、生物发光。
气体、液体和固体
按发光的物体形状区分
粉末、薄膜、体材料
按发光的构成区分
E h
8
光的波粒二象性
❖光既是电磁波，也是光子。 ❖光既有波动性，也有粒子性。 ❖波动性和粒子性是矛盾的辩证统一。
二、光的发射（热辐射、发光）
热辐射 例如加热铁块，随着温度的升高: 热辐射
开始不发光→ 暗红 → 橙色 → 黄白色
任何物体（气、液、固）在任何温度下，都会有热辐射。 热辐射波谱是连续谱，各种波长(频率)都有，但是强度不同。
光谱的线型： 线谱
宽带谱 线谱+宽带谱
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 激发停止后，延续相当长一段时间的发光称为磷光 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
N o r m a liz tio n U p c o n v e r s io n L u m in e s c e n c e ( a .u .) Normaliztion Upconversion Luminescence(a.u.)
1.0 1 .0
0ห้องสมุดไป่ตู้8
0.6 0 .8
0.4
0 .6
0.2
发光持续时间特征
规定当激发停止时，其发光亮度L衰减 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为
余辉时间，简称余辉。
人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光；
人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。
荧光与磷光无严格区别。
极短余辉：余辉时间<1s的发光； 短余辉： 余辉时间1~10s的发光； 中短余辉：余辉时间10-2～1ms的发光； 中余辉： 余辉时间1～100ms的发光； 长余辉： 余辉时间10-1～1s的发光； 极长余辉：余辉时间>1s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
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
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
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