3.26日-固體發(fā)光課件

1、固體發(fā)光材料與應(yīng)用固體發(fā)光材料與應(yīng)用課程性質(zhì)：專業(yè)選修課程性質(zhì)：專業(yè)選修任課教師：盧利平任課教師：盧利平材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院第一章第一章 緒論緒論第二章第二章 光致發(fā)光光致發(fā)光第三章第三章 固體激光材料固體激光材料第四章第四章 電致發(fā)光電致發(fā)光通過(guò)深入淺出的講解使同學(xué)們對(duì)光與物通過(guò)深入淺出的講解使同學(xué)們對(duì)光與物質(zhì)相互作用的基本物理現(xiàn)象；固體發(fā)光質(zhì)相互作用的基本物理現(xiàn)象；固體發(fā)光的條件、過(guò)程和規(guī)律；發(fā)光材料和器件的條件、過(guò)程和規(guī)律；發(fā)光材料和器件的設(shè)計(jì)原理、制備方法和應(yīng)用等有一個(gè)的設(shè)計(jì)原理、制備方法和應(yīng)用等有一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)和了解。較為全面的認(rèn)識(shí)和了解。 課程目的課程目的與任務(wù)

2、與任務(wù)課程內(nèi)容課程內(nèi)容目目 錄錄第一章第一章 緒緒 論論發(fā)光：即發(fā)光：即Luminescence一詞，作為一個(gè)技術(shù)一詞，作為一個(gè)技術(shù)名詞，是專指一種特殊的光發(fā)射現(xiàn)象。名詞，是專指一種特殊的光發(fā)射現(xiàn)象。自然界很多物體（包括固體、液體和氣體，有自然界很多物體（包括固體、液體和氣體，有機(jī)物和無(wú)機(jī)物），都具有發(fā)光的性能。機(jī)物和無(wú)機(jī)物），都具有發(fā)光的性能。 如發(fā)光水母一樣的如發(fā)光水母一樣的“希望樹希望樹”種子；種子；郁郁蔥蔥、奇妙的郁郁蔥蔥、奇妙的發(fā)光發(fā)光森林森林；可當(dāng)房子居住的參天巨樹；可當(dāng)房子居住的參天巨樹；色彩斑斕神氣活現(xiàn)的茂密雨林色彩斑斕神氣活現(xiàn)的茂密雨林影片影片阿凡達(dá)阿凡達(dá)： 男主角杰克男主角

3、杰克 潘多拉星球潘多拉星球非洲北部非洲北部有一種發(fā)光樹，白天與普通樹沒區(qū)別。有一種發(fā)光樹，白天與普通樹沒區(qū)別。但每到晚上，從樹干到樹枝通體會(huì)發(fā)出明亮的光。由但每到晚上，從樹干到樹枝通體會(huì)發(fā)出明亮的光。由于這種樹發(fā)出的光比較強(qiáng)烈，當(dāng)?shù)厝私?jīng)常把它移植到于這種樹發(fā)出的光比較強(qiáng)烈，當(dāng)?shù)厝私?jīng)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?？磿踔磷鲠樉€?？茖W(xué)家解釋：這種樹之所以會(huì)發(fā)光，是因?yàn)槠錁涓乜茖W(xué)家解釋：這種樹之所以會(huì)發(fā)光，是因?yàn)槠錁涓貏e喜歡吸收土壤中的別喜歡吸收土壤中的磷磷。這種磷會(huì)在樹體內(nèi)轉(zhuǎn)化成。這種磷會(huì)在樹體內(nèi)轉(zhuǎn)化成磷

4、磷化氫化氫，而磷化氫一遇到氧氣就會(huì)，而磷化氫一遇到氧氣就會(huì)自燃自燃，從而使得樹身，從而使得樹身磷光閃爍。磷光閃爍。 發(fā)光樹：發(fā)光樹： 發(fā)光樹不僅在非洲有，在發(fā)光樹不僅在非洲有，在烏克蘭西部烏克蘭西部甚至有一甚至有一個(gè)能在夜間發(fā)出奇光的個(gè)能在夜間發(fā)出奇光的“發(fā)光森林發(fā)光森林”。長(zhǎng)約。長(zhǎng)約1.81.8萬(wàn)米，萬(wàn)米，寬約寬約50005000米。白天看起來(lái)與一般森林沒有什么兩樣，米。白天看起來(lái)與一般森林沒有什么兩樣，可是一到夜間，整個(gè)樹林像用熒光粉涂過(guò)一樣放著可是一到夜間，整個(gè)樹林像用熒光粉涂過(guò)一樣放著耀眼的光。耀眼的光。 據(jù)稱，這片森林不僅會(huì)發(fā)光，如果人靠近的話，據(jù)稱，這片森林不僅會(huì)發(fā)光，如果人靠近的

5、話，還會(huì)有一種熱乎乎的感覺。更加奇怪的是，這片林還會(huì)有一種熱乎乎的感覺。更加奇怪的是，這片林子里沒有任何飛禽走獸，甚至連昆蟲都沒有。子里沒有任何飛禽走獸，甚至連昆蟲都沒有?？茖W(xué)家猜測(cè)：這一地區(qū)可能有強(qiáng)烈的放射性輻射，科學(xué)家猜測(cè)：這一地區(qū)可能有強(qiáng)烈的放射性輻射，草木吸收這些放射性元素后，也產(chǎn)生了發(fā)光效應(yīng)。草木吸收這些放射性元素后，也產(chǎn)生了發(fā)光效應(yīng)。 發(fā)光樹：發(fā)光樹：螢火蟲螢火蟲 櫛水母櫛水母生物界生物界說(shuō)到發(fā)光，首先想到螢火蟲，除此之外大自然中還說(shuō)到發(fā)光，首先想到螢火蟲，除此之外大自然中還有許多能夠發(fā)光的生物，如一些生活在海里的魚、蝦、水有許多能夠發(fā)光的生物，如一些生活在海里的魚、蝦、水母、珊瑚

6、、貝類和蠕蟲等。母、珊瑚、貝類和蠕蟲等。百慕大三角洲發(fā)現(xiàn)的熒光蝦百慕大三角洲發(fā)現(xiàn)的熒光蝦日本富山灣海下棲息著大量熒光烏賊，有時(shí)，上百萬(wàn)的熒日本富山灣海下棲息著大量熒光烏賊，有時(shí)，上百萬(wàn)的熒光烏賊聚集在一起，可以把整個(gè)海灣照亮。光烏賊聚集在一起，可以把整個(gè)海灣照亮。發(fā)光蚯蚓發(fā)光蚯蚓美國(guó)南部生活著一種長(zhǎng)達(dá)美國(guó)南部生活著一種長(zhǎng)達(dá)4545厘米的發(fā)光蚯蚓。厘米的發(fā)光蚯蚓。這種蚯蚓一旦被傷害，就這種蚯蚓一旦被傷害，就會(huì)分泌出閃爍著藍(lán)光的黏會(huì)分泌出閃爍著藍(lán)光的黏液。液。鐵路蠕蟲鐵路蠕蟲身上長(zhǎng)有兩種不同的發(fā)光身上長(zhǎng)有兩種不同的發(fā)光器官。器官。仿佛圣誕樹一般，頭部發(fā)仿佛圣誕樹一般，頭部發(fā)出紅光，身子閃爍綠光。出

7、紅光，身子閃爍綠光。 通常能強(qiáng)烈發(fā)光的植物多是低等菌類通常能強(qiáng)烈發(fā)光的植物多是低等菌類植物植物( (如細(xì)菌、真菌和藻類植物如細(xì)菌、真菌和藻類植物) )。 平時(shí)也會(huì)見到一段發(fā)朽的樹樁、木塊，平時(shí)也會(huì)見到一段發(fā)朽的樹樁、木塊，能夠在黑暗中發(fā)出藍(lán)白色的熒光，研究發(fā)能夠在黑暗中發(fā)出藍(lán)白色的熒光，研究發(fā)現(xiàn)，樹樁已被假蜜環(huán)菌寄生，它能使木材現(xiàn)，樹樁已被假蜜環(huán)菌寄生，它能使木材腐爛，還分泌一些能分解木材的酶，這些腐爛，還分泌一些能分解木材的酶，這些酶可以將纖維素、木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為真菌能夠酶可以將纖維素、木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為真菌能夠吸收的小分子物質(zhì)，假蜜環(huán)菌的菌絲細(xì)胞吸收的小分子物質(zhì)，假蜜環(huán)菌的菌絲細(xì)胞得到這些食物后就開

8、始不停地繁衍、長(zhǎng)大，得到這些食物后就開始不停地繁衍、長(zhǎng)大，同時(shí)積累大量能夠用來(lái)產(chǎn)生熒光的物質(zhì)。同時(shí)積累大量能夠用來(lái)產(chǎn)生熒光的物質(zhì)。這些帶熒光的物質(zhì)在熒光酶的催化作用下這些帶熒光的物質(zhì)在熒光酶的催化作用下進(jìn)行生物氧化，并把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能，進(jìn)行生物氧化，并把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能，就是我們看到的這種生物光了。就是我們看到的這種生物光了。 熒光菌熒光菌發(fā)光蘑菇發(fā)光蘑菇 發(fā)光菌類植物：發(fā)光菌類植物：古代古代“夜明珠夜明珠”，是指，是指能夠在夜晚（或暗室中）能夠在夜晚（或暗室中）自行發(fā)光的天然物體。自行發(fā)光的天然物體。而且這種光是人用肉眼而且這種光是人用肉眼能夠直接看到的光。能夠直接看到的光。螢石螢石 夜明

9、珠：夜明珠： 2020世紀(jì)世紀(jì)4040年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在置于高年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)：在置于高頻電場(chǎng)中的頻電場(chǎng)中的生物體生物體周圍，會(huì)閃動(dòng)著色彩絢麗的光環(huán)周圍，會(huì)閃動(dòng)著色彩絢麗的光環(huán)和光點(diǎn)，而當(dāng)生物體死亡后，這種光環(huán)和光點(diǎn)也隨和光點(diǎn)，而當(dāng)生物體死亡后，這種光環(huán)和光點(diǎn)也隨著消失。著消失。 同法研究同法研究人體人體，驚奇的發(fā)現(xiàn)人體的各部位發(fā)出，驚奇的發(fā)現(xiàn)人體的各部位發(fā)出的光有不同的顏色：的光有不同的顏色：手臂是藍(lán)色的、心臟是深藍(lán)的、手臂是藍(lán)色的、心臟是深藍(lán)的、臀部是濃綠色的臀部是濃綠色的。更有趣的是，人體某些部位發(fā)出。更有趣的是，人體某些部位發(fā)出的光非常強(qiáng)，恰好與古代中國(guó)人發(fā)現(xiàn)的的光非常強(qiáng)

10、，恰好與古代中國(guó)人發(fā)現(xiàn)的700700多個(gè)穴位多個(gè)穴位相對(duì)應(yīng)。相對(duì)應(yīng)。 人體發(fā)光：人體發(fā)光：一、發(fā)光現(xiàn)象一、發(fā)光現(xiàn)象二、激發(fā)方式二、激發(fā)方式三、發(fā)光材料三、發(fā)光材料概括說(shuō)：發(fā)光是物體內(nèi)部以某種方式吸收的能概括說(shuō)：發(fā)光是物體內(nèi)部以某種方式吸收的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過(guò)程。量轉(zhuǎn)化為光輻射的過(guò)程。物體發(fā)光的條件、過(guò)程和規(guī)律；物體發(fā)光的條件、過(guò)程和規(guī)律；發(fā)光材料和器件的設(shè)計(jì)原理、制備方法和應(yīng)用；發(fā)光材料和器件的設(shè)計(jì)原理、制備方法和應(yīng)用；以光和物質(zhì)的相互作用等基本物理現(xiàn)象。以光和物質(zhì)的相互作用等基本物理現(xiàn)象。一、發(fā)光現(xiàn)象一、發(fā)光現(xiàn)象發(fā)發(fā)光光學(xué)學(xué)內(nèi)內(nèi)容容并非一切光輻射都稱為發(fā)光。發(fā)光是光輻射一部分。并非一切光輻

11、射都稱為發(fā)光。發(fā)光是光輻射一部分。* * * 注意注意 * * * ： 平衡輻射：是熾熱物體的光輻射，又叫熱輻射。平衡輻射：是熾熱物體的光輻射，又叫熱輻射。 非平衡輻射：在某種外界作用激發(fā)下，物體偏離原非平衡輻射：在某種外界作用激發(fā)下，物體偏離原來(lái)的熱平衡態(tài)所產(chǎn)生的輻射。發(fā)光是其一種。來(lái)的熱平衡態(tài)所產(chǎn)生的輻射。發(fā)光是其一種。光輻射光輻射 = = 平衡輻射平衡輻射 + + 非平衡輻射非平衡輻射起因于物體的溫度。起因于物體的溫度。T,T,熱平衡熱平衡( (準(zhǔn)平衡準(zhǔn)平衡),),相應(yīng)熱輻射。相應(yīng)熱輻射。熱輻射體的光譜只決定于輻射體的溫度及其發(fā)射本領(lǐng)。熱輻射體的光譜只決定于輻射體的溫度及其發(fā)射本領(lǐng)。熱輻

12、射：熱輻射：溫度溫度在在0K0K以上的任何物體都有熱輻射，但以上的任何物體都有熱輻射，但溫溫度度不夠高時(shí)輻射波長(zhǎng)大多在紅外區(qū)，人眼看不見。物不夠高時(shí)輻射波長(zhǎng)大多在紅外區(qū)，人眼看不見。物體的體的溫度溫度達(dá)到達(dá)到50005000以上時(shí)，輻射的可見部分就夠強(qiáng)以上時(shí)，輻射的可見部分就夠強(qiáng)了，例如燒紅了的鐵，電燈泡中的燈絲等等。了，例如燒紅了的鐵，電燈泡中的燈絲等等。& （1）發(fā)光與熱輻射的區(qū)別：）發(fā)光與熱輻射的區(qū)別：開始不發(fā)光開始不發(fā)光 黃白色黃白色橙色橙色暗紅暗紅發(fā)光：疊加在熱輻射之上的一種光發(fā)射。發(fā)光材料能發(fā)光：疊加在熱輻射之上的一種光發(fā)射。發(fā)光材料能夠發(fā)出明亮的光，而它的溫度卻比室溫高不了多少。

13、夠發(fā)出明亮的光，而它的溫度卻比室溫高不了多少。因此發(fā)光有時(shí)也被稱為因此發(fā)光有時(shí)也被稱為“冷光冷光”。 煉鋼的熱輻射非平衡輻射有許多種，除了發(fā)光以外，還有反射、散射等。非平衡輻射有許多種，除了發(fā)光以外，還有反射、散射等。光輻射的特征一般可用光輻射的特征一般可用5個(gè)宏觀光學(xué)參量描述：個(gè)宏觀光學(xué)參量描述：亮度亮度、光譜光譜、相相干性干性、偏振度偏振度和和輻射期間輻射期間。& （2）發(fā)光與其他非平衡輻射的區(qū)別：）發(fā)光與其他非平衡輻射的區(qū)別： 亮度亮度：亮度高低不能區(qū)分各種類型的非平衡輻射；：亮度高低不能區(qū)分各種類型的非平衡輻射； 光譜改變及非相干性光譜改變及非相干性：不僅在發(fā)光中存在，在聯(lián)合：不僅在發(fā)

14、光中存在，在聯(lián)合散射和康普頓散射和康普頓- -吳有訓(xùn)效應(yīng)中也有。而且，作為在吳有訓(xùn)效應(yīng)中也有。而且，作為在特定條件下的發(fā)光，如激光（受激發(fā)射）及超輻射特定條件下的發(fā)光，如激光（受激發(fā)射）及超輻射（特殊條件下的自發(fā)發(fā)射），具有相干性。（特殊條件下的自發(fā)發(fā)射），具有相干性。 偏振度偏振度：在發(fā)光現(xiàn)象中并沒有帶普遍性的特點(diǎn)。：在發(fā)光現(xiàn)象中并沒有帶普遍性的特點(diǎn)。 輻射期間：輻射期間：是判據(jù)。發(fā)光有一個(gè)比較長(zhǎng)的延續(xù)時(shí)間是判據(jù)。發(fā)光有一個(gè)比較長(zhǎng)的延續(xù)時(shí)間(Duration)(Duration)，這個(gè)延續(xù)時(shí)間有長(zhǎng)有短，總之都比反，這個(gè)延續(xù)時(shí)間有長(zhǎng)有短，總之都比反射、散射的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)很多。射、散射的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

15、很多。l 輻射期間：輻射期間：是指去掉激發(fā)后，輻射還可延續(xù)的時(shí)間。是指去掉激發(fā)后，輻射還可延續(xù)的時(shí)間。此延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)可達(dá)幾十小時(shí)，短也有此延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)可達(dá)幾十小時(shí)，短也有1010-10 -10 秒左右，總秒左右，總之都比反射、散射的持續(xù)時(shí)間（之都比反射、散射的持續(xù)時(shí)間（ 1010-14-14秒）長(zhǎng)很多。秒）長(zhǎng)很多。在激發(fā)在激發(fā)(Excitation)(Excitation)即外界作用停止后發(fā)光不馬上消失即外界作用停止后發(fā)光不馬上消失而是逐漸變?nèi)酰@個(gè)過(guò)程稱為余輝而是逐漸變?nèi)?，這個(gè)過(guò)程稱為余輝(afterglow)(afterglow)。熒光熒光(Fluorescence)(Fluorescence

16、)磷光磷光(Phosphorescence)(Phosphorescence)無(wú)機(jī)物發(fā)光領(lǐng)域這兩詞仍沒有嚴(yán)格區(qū)分，甚至混淆。無(wú)機(jī)物發(fā)光領(lǐng)域這兩詞仍沒有嚴(yán)格區(qū)分，甚至混淆。但在有機(jī)物發(fā)光中，分子從單態(tài)（但在有機(jī)物發(fā)光中，分子從單態(tài)（singletsinglet）躍遷到基態(tài)（也是單態(tài)）的發(fā)光）躍遷到基態(tài)（也是單態(tài)）的發(fā)光叫熒光，從三重態(tài)（叫熒光，從三重態(tài)（triplet statetriplet state）躍遷到基態(tài)的發(fā)光叫磷光，這是不容混）躍遷到基態(tài)的發(fā)光叫磷光，這是不容混淆的。淆的。1010-10-10秒數(shù)量級(jí)指標(biāo)有點(diǎn)任意性，技術(shù)測(cè)量水平。隨發(fā)展，測(cè)量時(shí)間已突破飛秒數(shù)量級(jí)指標(biāo)有點(diǎn)任意性，技術(shù)

17、測(cè)量水平。隨發(fā)展，測(cè)量時(shí)間已突破飛秒（秒（1010-15-15秒）。實(shí)測(cè)到的發(fā)光弛豫時(shí)間短到皮秒（秒）。實(shí)測(cè)到的發(fā)光弛豫時(shí)間短到皮秒（1010-12-12秒）的例子已不少。秒）的例子已不少。名名 稱稱激激 發(fā)發(fā) 方方 式式光致發(fā)光光致發(fā)光光的照射光的照射電致發(fā)光電致發(fā)光氣體放電或固體受電的作用氣體放電或固體受電的作用陰極射線發(fā)光陰極射線發(fā)光電子束的轟擊電子束的轟擊放射線發(fā)光放射線發(fā)光核輻射的照射核輻射的照射X X射線發(fā)光射線發(fā)光X X射線的照射射線的照射摩擦發(fā)光摩擦發(fā)光機(jī)械壓力機(jī)械壓力化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng)生物發(fā)光生物發(fā)光生物過(guò)程生物過(guò)程發(fā)光體受外界作用而發(fā)光發(fā)光體受外界作用而發(fā)光,

18、 ,發(fā)光學(xué)中稱這種作用為激發(fā)。發(fā)光學(xué)中稱這種作用為激發(fā)。根據(jù)激發(fā)方式，區(qū)別發(fā)光類型。根據(jù)激發(fā)方式，區(qū)別發(fā)光類型。二、激發(fā)方式二、激發(fā)方式用光激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光。用光激發(fā)產(chǎn)生的發(fā)光。& 光致發(fā)光光致發(fā)光 PL (Photoluminescence) ： 應(yīng)用應(yīng)用1 1：固體激光器和日光燈，即作為光源。固體激光器和日光燈，即作為光源。 新型長(zhǎng)余輝材料新型長(zhǎng)余輝材料SrAlSrAl2 2O O4 4:Eu,Dy:Eu,Dy，過(guò)去是，過(guò)去是ZnS:CuZnS:Cu型型或堿土金屬硫化物類?；驂A土金屬硫化物類。 應(yīng)用應(yīng)用2 2：物理上，用紫外物理上，用紫外- -紅外各波長(zhǎng)激發(fā)，可紅外各波長(zhǎng)激發(fā)，可研研究物質(zhì)結(jié)

19、構(gòu)究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和它接受光能后和它接受光能后內(nèi)部發(fā)生的各種變化內(nèi)部發(fā)生的各種變化過(guò)程過(guò)程（包括固體中的雜質(zhì)和缺陷以及它們的結(jié)構(gòu)、能量狀態(tài)的變化，激發(fā)能量的轉(zhuǎn)移和傳遞，以至化學(xué)反應(yīng)中的激發(fā)態(tài)過(guò)程，光生物過(guò)程等等） 。 實(shí)例實(shí)例1 1：發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED light emitting diode)(LED light emitting diode) LED LED是半導(dǎo)體的電致發(fā)光，利用電流通過(guò)是半導(dǎo)體的電致發(fā)光，利用電流通過(guò)p-np-n結(jié)發(fā)光。結(jié)發(fā)光。 LED LED已是家用電器上不可缺的元件，家喻戶曉。已是家用電器上不可缺的元件，家喻戶曉。 LED LED也用于大屏幕顯示。也用于大屏幕顯

20、示。 實(shí)例實(shí)例2 2：夾在兩平行板電極間薄層材料產(chǎn)生的發(fā)光。夾在兩平行板電極間薄層材料產(chǎn)生的發(fā)光。 可用于計(jì)算機(jī)液晶顯示屏的背照明?？捎糜谟?jì)算機(jī)液晶顯示屏的背照明。 (材料可以是蒸發(fā)的薄膜，也可以是和絕緣材料混合涂敷的發(fā)光粉末；所加電壓可以是交流或直流。) & 電致發(fā)光電致發(fā)光 EL(Electroluminescence) ：用電場(chǎng)或電流產(chǎn)生的發(fā)光，最初譯成場(chǎng)致發(fā)光。用電場(chǎng)或電流產(chǎn)生的發(fā)光，最初譯成場(chǎng)致發(fā)光。過(guò)去，高亮度電致發(fā)光主要是由無(wú)機(jī)材料產(chǎn)生的。八十年代后期，在有機(jī)過(guò)去，高亮度電致發(fā)光主要是由無(wú)機(jī)材料產(chǎn)生的。八十年代后期，在有機(jī)材料中也獲得了明亮的材料中也獲得了明亮的p-np-n結(jié)發(fā)光

21、，其相應(yīng)研究蓬勃開展起來(lái)。結(jié)發(fā)光，其相應(yīng)研究蓬勃開展起來(lái)。如：電弧放電、火花放電、輝光放電如：電弧放電、火花放電、輝光放電是電子束激發(fā)的發(fā)光。是電子束激發(fā)的發(fā)光。應(yīng)用：應(yīng)用：電視顯像屏，當(dāng)然還包括計(jì)算機(jī)、電子顯微鏡電視顯像屏，當(dāng)然還包括計(jì)算機(jī)、電子顯微鏡和各式各樣電子儀器的顯示屏。和各式各樣電子儀器的顯示屏。& 陰極射線發(fā)光陰極射線發(fā)光 CL(Cathodoluminescence) ：7070年代還發(fā)現(xiàn)了一種低到幾伏至幾十伏的電子激發(fā)的發(fā)光，叫做年代還發(fā)現(xiàn)了一種低到幾伏至幾十伏的電子激發(fā)的發(fā)光，叫做低低能電子發(fā)光能電子發(fā)光，資料中也常稱為，資料中也常稱為真空熒光真空熒光(Vacuum flu

22、orescence)(Vacuum fluorescence)。不過(guò)能產(chǎn)生這種熒光的物質(zhì)極其有限，迄今為止，能實(shí)際應(yīng)用的只不過(guò)能產(chǎn)生這種熒光的物質(zhì)極其有限，迄今為止，能實(shí)際應(yīng)用的只有有ZnOZnO一種。但從事顯示研究的科技人員仍對(duì)之很感興趣，因?yàn)樗鼈円环N。但從事顯示研究的科技人員仍對(duì)之很感興趣，因?yàn)樗鼈兞炼葮O高。目前市場(chǎng)上仍然有產(chǎn)品。亮度極高。目前市場(chǎng)上仍然有產(chǎn)品。 所使用的電子能量常在幾千至上萬(wàn)所使用的電子能量常在幾千至上萬(wàn)eVeV。高能電子束進(jìn)。高能電子束進(jìn)入發(fā)光體后撞擊晶格，產(chǎn)生數(shù)量增多的電子入發(fā)光體后撞擊晶格，產(chǎn)生數(shù)量增多的電子( (次級(jí)電次級(jí)電子子) )，次級(jí)電子又會(huì)產(chǎn)生，次級(jí)電子又

23、會(huì)產(chǎn)生能量不斷減小，數(shù)量倍增。能量不斷減小，數(shù)量倍增。最后大量、能量只有幾個(gè)最后大量、能量只有幾個(gè)eVeV的電子激發(fā)發(fā)光材料的效的電子激發(fā)發(fā)光材料的效率達(dá)到最大，材料因此強(qiáng)發(fā)光。率達(dá)到最大，材料因此強(qiáng)發(fā)光。& 放射線發(fā)光放射線發(fā)光 RL(Radioluminescence) ：應(yīng)用：應(yīng)用：醫(yī)用醫(yī)用X光透視屏和攝像增感屏。光透視屏和攝像增感屏。是各種射線如是各種射線如、等核輻射激發(fā)的發(fā)光。等核輻射激發(fā)的發(fā)光。應(yīng)用：應(yīng)用：輻射劑量計(jì)。輻射劑量計(jì)。& X射線發(fā)光射線發(fā)光 RL(Radioluminescence) ：上述射線都是高能量的，主要是通過(guò)產(chǎn)生的次級(jí)上述射線都是高能量的，主要是通過(guò)產(chǎn)生的次級(jí)

24、電子激發(fā)發(fā)光。電子激發(fā)發(fā)光。應(yīng)用：應(yīng)用：緊急照明等。緊急照明等。如市場(chǎng)上產(chǎn)品，一種含兩種隔離開化如市場(chǎng)上產(chǎn)品，一種含兩種隔離開化合物的透明容器，在需要時(shí)消除隔離使之混合產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)合物的透明容器，在需要時(shí)消除隔離使之混合產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而發(fā)光。這種產(chǎn)品能持續(xù)發(fā)光半小時(shí)以上，并有足夠亮度而發(fā)光。這種產(chǎn)品能持續(xù)發(fā)光半小時(shí)以上，并有足夠亮度。 & 化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光 (Chemiluminescence)& 生物發(fā)光生物發(fā)光 (Bioluminescence)& 摩擦發(fā)光摩擦發(fā)光 (Triboluminescence)& 聲致發(fā)光聲致發(fā)光 (Sonoluminescence)三、發(fā)光材料三、發(fā)光材料& （

25、1）發(fā)光與非發(fā)光材料并沒有明顯界限！）發(fā)光與非發(fā)光材料并沒有明顯界限！強(qiáng)激發(fā)強(qiáng)激發(fā)純度提高純度提高摻摻 雜雜自然界中天然或合成的發(fā)光體數(shù)量很大。人體的牙齒、自然界中天然或合成的發(fā)光體數(shù)量很大。人體的牙齒、指甲，動(dòng)物的脂肪、卵、奶、皮膚，植物的漿液、油、指甲，動(dòng)物的脂肪、卵、奶、皮膚，植物的漿液、油、果實(shí)，又如蠶絲、樹脂、葉綠體、紙張等果實(shí)，又如蠶絲、樹脂、葉綠體、紙張等 無(wú)機(jī)固體發(fā)光材料，大致可分為：純材料、摻雜材料無(wú)機(jī)固體發(fā)光材料，大致可分為：純材料、摻雜材料 稀土元素化合物：稀土元素化合物：Gd及前后鄰及前后鄰Sm,Eu,Tb,Dy等等5個(gè)個(gè)元素化合物（如硫酸鹽等）是本身可以發(fā)光的。元素化

26、合物（如硫酸鹽等）是本身可以發(fā)光的。La CeSm Eu Gd Tb DyPr Nd PmHo Er Tm YbLu0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 144F電子的數(shù)目電子的數(shù)目 發(fā)光不是線譜的元素發(fā)光不是線譜的元素 只在作為摻雜時(shí)才發(fā)光的元素只在作為摻雜時(shí)才發(fā)光的元素固態(tài)、液態(tài)或作為摻雜時(shí)都可發(fā)光的元素固態(tài)、液態(tài)或作為摻雜時(shí)都可發(fā)光的元素 純發(fā)光材料：是指基質(zhì)本身就可發(fā)光的材料純發(fā)光材料：是指基質(zhì)本身就可發(fā)光的材料& （2）發(fā)光材料大類：純發(fā)光材料）發(fā)光材料大類：純發(fā)光材料+摻雜發(fā)光材料摻雜發(fā)光材料由組成化合物基質(zhì)的元素發(fā)光：由組成化合物基質(zhì)的元素發(fā)光：低溫下陰

27、極射線激發(fā)低溫下陰極射線激發(fā)純純ZnO、CaO、SrO等，發(fā)光與中性原子等，發(fā)光與中性原子Zn、Ca、Sr的電子的電子躍遷頻率間有明顯關(guān)系，是后者和晶格結(jié)合的結(jié)果。躍遷頻率間有明顯關(guān)系，是后者和晶格結(jié)合的結(jié)果。由組成化合物的原子團(tuán)發(fā)光：由組成化合物的原子團(tuán)發(fā)光：如如Pt(CN)42-，UO22+，WO42-及及MoO42-等。等。含含Pt(CN)42-材料：材料：MxPt(CN)4YH2O形式，M代表K, Na, Ca, Sr, Ba等。在短波紫外光、核輻射及X光激發(fā)下都可發(fā)光。BaPt(CN)4長(zhǎng)期被用來(lái)制作X光熒光屏。含含UO22+化合物：化合物：如UO2SO43H2O等，易形成復(fù)合物，如

28、K2UO2(SO4)22H2O等，它們?cè)谧贤夤饧ぐl(fā)下可發(fā)光。含含WO42-，MoO42-材料：材料：在各種激發(fā)下都可發(fā)光，一般取MWO4形式，M通常是堿土金屬。雜質(zhì)含量極少，占雜質(zhì)含量極少，占10-3。雜質(zhì)可以改變發(fā)光材料的性能，包括效率、余輝、雜質(zhì)可以改變發(fā)光材料的性能，包括效率、余輝、光譜等。在電致發(fā)光中，雜質(zhì)可用來(lái)改變導(dǎo)電類型光譜等。在電致發(fā)光中，雜質(zhì)可用來(lái)改變導(dǎo)電類型及電阻率等參量。及電阻率等參量。 摻雜發(fā)光材料摻雜發(fā)光材料實(shí)際應(yīng)用對(duì)發(fā)光材料發(fā)光材料和器件的要求，主要實(shí)際應(yīng)用對(duì)發(fā)光材料發(fā)光材料和器件的要求，主要是是發(fā)光效率發(fā)光效率、亮度亮度、余輝余輝及及光譜光譜等基本特征，發(fā)光等基本特

29、征，發(fā)光的技術(shù)應(yīng)用就是以這些主要特征為的技術(shù)應(yīng)用就是以這些主要特征為依據(jù)依據(jù)而發(fā)展的。而發(fā)展的。 第二章第二章 光致發(fā)光光致發(fā)光 2.1 2.1 光致發(fā)光主要特征及一般規(guī)律光致發(fā)光主要特征及一般規(guī)律2.2 2.2 光致發(fā)光材料的制備工藝及其原理光致發(fā)光材料的制備工藝及其原理2.3 2.3 光致發(fā)光材料及其應(yīng)用光致發(fā)光材料及其應(yīng)用2.3.1 2.3.1 長(zhǎng)余輝材料長(zhǎng)余輝材料2.3.2 2.3.2 燈用熒光材料燈用熒光材料2.3.3 2.3.3 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料 當(dāng)物質(zhì)受到諸如光照、外加電場(chǎng)或電子束轟擊等的當(dāng)物質(zhì)受到諸如光照、外加電場(chǎng)或電子束轟擊等的激發(fā)激發(fā)后，后，吸收吸收了外界能量，

30、其電子處于了外界能量，其電子處于激發(fā)狀態(tài)激發(fā)狀態(tài)，物質(zhì)只要不因此而發(fā)物質(zhì)只要不因此而發(fā)生化學(xué)變化生化學(xué)變化，當(dāng)外界激發(fā)停止以后，處于激發(fā)狀態(tài)的電子總要，當(dāng)外界激發(fā)停止以后，處于激發(fā)狀態(tài)的電子總要躍遷躍遷回到基態(tài)回到基態(tài)。在這個(gè)過(guò)程中，一部分多余能量通過(guò)光或熱的形式釋放出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，一部分多余能量通過(guò)光或熱的形式釋放出來(lái)。這部分能量以光的電磁波形式發(fā)射出來(lái)，即稱為發(fā)光現(xiàn)象。這部分能量以光的電磁波形式發(fā)射出來(lái)，即稱為發(fā)光現(xiàn)象。概括地說(shuō)，發(fā)光就是物質(zhì)內(nèi)部以某種方式吸收能量以后，以熱概括地說(shuō)，發(fā)光就是物質(zhì)內(nèi)部以某種方式吸收能量以后，以熱輻射以外的光輻射形式發(fā)射出多余的能量的過(guò)程。輻射以外的光輻射

31、形式發(fā)射出多余的能量的過(guò)程。 發(fā)光概念發(fā)光概念/ /內(nèi)涵：內(nèi)涵：用光激發(fā)材料而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，稱為光致發(fā)光。用光激發(fā)材料而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，稱為光致發(fā)光。是指是指激發(fā)激發(fā)波長(zhǎng)落在波長(zhǎng)落在從紫外到近紅外從紫外到近紅外這個(gè)范圍內(nèi)的發(fā)光。這個(gè)范圍內(nèi)的發(fā)光。 光致發(fā)光概念光致發(fā)光概念/ /內(nèi)涵：內(nèi)涵：2.1 2.1 光致發(fā)光主要特征及一般規(guī)律光致發(fā)光主要特征及一般規(guī)律發(fā)光材料對(duì)光的吸收遵循：發(fā)光材料對(duì)光的吸收遵循： I()=I0()e-kx一、吸收光譜一、吸收光譜吸收光譜：吸收光譜：k k隨波長(zhǎng)（或頻率）的變化。隨波長(zhǎng)（或頻率）的變化。當(dāng)光照射到發(fā)光材料上時(shí)，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收

32、。只有被吸收的這部分光才對(duì)發(fā)光起作用。但是也不是所有被吸收的光的各個(gè)波長(zhǎng)都能起激發(fā)作用。研究哪些波長(zhǎng)被吸收，吸收多少，顯然是重要的。I0()初始強(qiáng)度；初始強(qiáng)度； I()光通過(guò)厚度光通過(guò)厚度x后的強(qiáng)度后的強(qiáng)度k吸收系數(shù)（不依賴光強(qiáng)、但隨波長(zhǎng)變化而變化）吸收系數(shù)（不依賴光強(qiáng)、但隨波長(zhǎng)變化而變化）發(fā)光材料的吸收光譜，首先決定于基質(zhì)，而激活劑和其他發(fā)光材料的吸收光譜，首先決定于基質(zhì)，而激活劑和其他雜質(zhì)也起一定的作用，它們可以產(chǎn)生吸收帶或吸收線。雜質(zhì)也起一定的作用，它們可以產(chǎn)生吸收帶或吸收線。2004006008001000120001020304050607080640nm=74%644nm=75%6

33、03nm=72%510nm=63%1064nm=6.4%T%/nm二、反射光譜二、反射光譜如果材料是一塊單晶，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ぃㄈ缜懈?、拋光等），利用分光光度?jì)并考慮到反射的損失，就可以測(cè)得吸收光譜。但是多數(shù)實(shí)用得發(fā)光材料都是粉末狀，是由微小的晶粒組成的。這對(duì)精確測(cè)量吸收光譜造成很大的困難。在得不到單晶的情況下，通常只能通過(guò)材料的反射光譜來(lái)估計(jì)他們對(duì)光的吸收。當(dāng)粉末層足夠厚時(shí)，光在粉末中通過(guò)無(wú)數(shù)次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射的那一側(cè)。這樣，我們就可以理解為什么反射率能夠反映材料的吸收能力。同時(shí)也可以知道，在這種多次折射與反射的情況下，吸收和反射的數(shù)量關(guān)系是很復(fù)雜的。我們只能說(shuō)，如果材

34、料對(duì)某個(gè)波長(zhǎng)的吸收強(qiáng)，反射率就低。反之，反射率就高。但不能認(rèn)為反射光譜就是吸收光譜。反射光譜是指反射光譜是指反射率反射率R R隨波長(zhǎng)（或頻率）的變化。隨波長(zhǎng)（或頻率）的變化。反射率是指反射光的總量（粉末，指漫反射）和入射反射率是指反射光的總量（粉末，指漫反射）和入射光的總量之比。光的總量之比。是指發(fā)光的是指發(fā)光的某一譜線或譜帶某一譜線或譜帶的強(qiáng)度隨激發(fā)光波長(zhǎng)（或的強(qiáng)度隨激發(fā)光波長(zhǎng)（或頻率）的變化。頻率）的變化。橫軸代表所用的激發(fā)光波長(zhǎng)，縱軸代表發(fā)光的強(qiáng)弱。橫軸代表所用的激發(fā)光波長(zhǎng)，縱軸代表發(fā)光的強(qiáng)弱。三、激發(fā)光譜三、激發(fā)光譜內(nèi)涵：內(nèi)涵：激發(fā)光譜激發(fā)光譜反映不同波長(zhǎng)的光激發(fā)材料的效果。反映不同波

35、長(zhǎng)的光激發(fā)材料的效果。表示對(duì)發(fā)光起作用的激發(fā)光的波長(zhǎng)范圍。表示對(duì)發(fā)光起作用的激發(fā)光的波長(zhǎng)范圍。吸收光譜吸收光譜只說(shuō)明材料的吸收，至于吸收后是否發(fā)光，只說(shuō)明材料的吸收，至于吸收后是否發(fā)光，則不一定。則不一定。把吸收光譜和激發(fā)光譜相互對(duì)比，就可判斷哪些吸收把吸收光譜和激發(fā)光譜相互對(duì)比，就可判斷哪些吸收對(duì)發(fā)光是有貢獻(xiàn)的，哪些是不起作用的。對(duì)發(fā)光是有貢獻(xiàn)的，哪些是不起作用的。是指發(fā)光的能量按波長(zhǎng)或頻率的分布。是指發(fā)光的能量按波長(zhǎng)或頻率的分布。四、發(fā)光光譜（也稱發(fā)射光譜）四、發(fā)光光譜（也稱發(fā)射光譜）通常實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是發(fā)光的相對(duì)能量。通常實(shí)驗(yàn)測(cè)量的是發(fā)光的相對(duì)能量。發(fā)射光譜中發(fā)射光譜中, ,橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)橫坐

36、標(biāo)為波長(zhǎng)( (或頻率或頻率),),縱坐標(biāo)為發(fā)光相對(duì)強(qiáng)度。縱坐標(biāo)為發(fā)光相對(duì)強(qiáng)度。 600650700051015Intensity/a.u.wavelength/nm450500550600050100150200250Intensity/a.u.wavelength/nm帶譜帶譜線譜線譜以三價(jià)稀土離子為激活劑的材料為例：這種材料的三價(jià)稀土離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和自由的三價(jià)稀土離子非常相似，因此可以確定各條譜線的來(lái)源。這對(duì)研究發(fā)光中心及其在晶格中的位置很有用處。一般，光譜形狀可用高斯函數(shù)表示：一般，光譜形狀可用高斯函數(shù)表示： E = E0 exp-a(-0)2頻率，頻率，E、E0頻率頻率,0處相對(duì)能量，

37、處相對(duì)能量，正常數(shù)正常數(shù)600650700051015Intensity/a.u.wavelength/nm（二）晶體內(nèi)產(chǎn)生電子和空穴：（二）晶體內(nèi)產(chǎn)生電子和空穴：將將任意運(yùn)動(dòng)任意運(yùn)動(dòng)，激發(fā)狀態(tài)也就不會(huì)局限在一個(gè)地方，激發(fā)狀態(tài)也就不會(huì)局限在一個(gè)地方，而將發(fā)生轉(zhuǎn)移。而將發(fā)生轉(zhuǎn)移。五、能量傳輸五、能量傳輸離子被激發(fā)到較高能量狀態(tài)離子被激發(fā)到較高能量狀態(tài)產(chǎn)生電子和空穴產(chǎn)生電子和空穴（一）離子被激發(fā)：（一）離子被激發(fā)：處于激發(fā)態(tài)離子可以和附近離子處于激發(fā)態(tài)離子可以和附近離子相互作用相互作用將激發(fā)能量傳出去。將激發(fā)能量傳出去。則原來(lái)被激發(fā)的離子回到基態(tài)，而附近的離子則轉(zhuǎn)到激發(fā)態(tài)。則原來(lái)被激發(fā)的離子回到基

38、態(tài)，而附近的離子則轉(zhuǎn)到激發(fā)態(tài)。這樣的過(guò)程可以一個(gè)接一個(gè)繼續(xù)下去，形成激發(fā)能量的傳輸。這樣的過(guò)程可以一個(gè)接一個(gè)繼續(xù)下去，形成激發(fā)能量的傳輸。激發(fā)的離子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)定的，隨時(shí)有可激發(fā)的離子處于高能態(tài)，它們就不是穩(wěn)定的，隨時(shí)有可能回到基態(tài)。能回到基態(tài)。 在回到基態(tài)的過(guò)程中，如果在回到基態(tài)的過(guò)程中，如果發(fā)射出光子發(fā)射出光子，這就是發(fā)光，這就是發(fā)光，這個(gè)過(guò)程就叫做這個(gè)過(guò)程就叫做發(fā)光躍遷發(fā)光躍遷或輻射躍遷?；蜉椛滠S遷。 如果離子在回到基態(tài)時(shí)不發(fā)射光子，而將激發(fā)能如果離子在回到基態(tài)時(shí)不發(fā)射光子，而將激發(fā)能散發(fā)散發(fā)為熱（晶格振動(dòng)），為熱（晶格振動(dòng)），這就稱為無(wú)輻射躍遷或這就稱為無(wú)輻射躍遷或猝滅猝滅

39、。六、發(fā)光和猝滅六、發(fā)光和猝滅（一）離子被激發(fā)到較高能量狀態(tài)（一）離子被激發(fā)到較高能量狀態(tài) 情況情況并不是激發(fā)能量全部都要經(jīng)過(guò)傳輸，能量傳輸也不會(huì)無(wú)限的延續(xù)下去。激發(fā)的離子是發(fā)射光子，還是發(fā)生無(wú)輻射躍遷，或者是將激激發(fā)的離子是發(fā)射光子，還是發(fā)生無(wú)輻射躍遷，或者是將激發(fā)能量傳遞給別的離子，這幾種過(guò)程都有一定的幾率，決定于發(fā)能量傳遞給別的離子，這幾種過(guò)程都有一定的幾率，決定于離子周圍的情況（如近鄰離子的種類、位置等）。離子周圍的情況（如近鄰離子的種類、位置等）。（二）產(chǎn)生電子和空穴（二）產(chǎn)生電子和空穴 情況情況由激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空穴，不穩(wěn)定，最終將會(huì)復(fù)合。由激發(fā)而產(chǎn)生的電子和空穴，不穩(wěn)定，最終將

40、會(huì)復(fù)合。在復(fù)合以前有可能經(jīng)歷復(fù)雜的過(guò)程。如，它們可能分別被雜質(zhì)離子或晶格缺陷所捕獲，由于熱振動(dòng)而又可能獲得自由，這樣可以反復(fù)多次，最后才復(fù)合而放出能量。一般而言，電子和空穴總是通過(guò)某種特定的中心而實(shí)現(xiàn)一般而言，電子和空穴總是通過(guò)某種特定的中心而實(shí)現(xiàn)復(fù)合的。復(fù)合的。發(fā)光和猝滅在發(fā)光材料中發(fā)光和猝滅在發(fā)光材料中互相獨(dú)立互相競(jìng)爭(zhēng)互相獨(dú)立互相競(jìng)爭(zhēng)的兩種過(guò)程。猝滅的兩種過(guò)程。猝滅占優(yōu)勢(shì)時(shí)發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就強(qiáng)，效率也高。占優(yōu)勢(shì)時(shí)發(fā)光就弱，效率也低。反之，發(fā)光就強(qiáng)，效率也高。 若復(fù)合后若復(fù)合后發(fā)射出光子發(fā)射出光子，這種中心就是，這種中心就是發(fā)光中心發(fā)光中心（可以（可以是組成基質(zhì)的離子、離子團(tuán)或

41、有意摻入的激活劑）是組成基質(zhì)的離子、離子團(tuán)或有意摻入的激活劑） 有些復(fù)合中心將電子和空穴復(fù)合的有些復(fù)合中心將電子和空穴復(fù)合的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芰哭D(zhuǎn)變?yōu)闊岫欢话l(fā)射光子，這樣的中心就叫做發(fā)射光子，這樣的中心就叫做猝滅中心猝滅中心發(fā) 光 譜 帶 總 是 位 于 其 相 應(yīng) 激 發(fā) 譜 帶 的 長(zhǎng) 波 邊發(fā) 光 譜 帶 總 是 位 于 其 相 應(yīng) 激 發(fā) 譜 帶 的 長(zhǎng) 波 邊Stokes定律：定律：發(fā)光的光子能量發(fā)光的光子能量 小于小于 激發(fā)光的光子能量激發(fā)光的光子能量200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700-5005010015020025030035

42、0400450EmExwavelength/nmIntensity/a.u.350400450500550600100150200250EmExwavelength/nmIntensity/a.u.七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光七、斯托克斯定律和反斯托克斯發(fā)光如把一種材料的發(fā)射光譜和激發(fā)光譜加以比較，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)的情況下，發(fā)光譜帶總是位于相應(yīng)的激發(fā)譜帶的長(zhǎng)波邊。例如，發(fā)光在紅區(qū)，激發(fā)光多半在藍(lán)區(qū)；發(fā)光在可見區(qū)，激發(fā)光多半在紫外區(qū)。E13E12E11E03E02E01發(fā)光中心的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)光中心的能級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖E E0101，E E0202，E E0303 基態(tài)時(shí)的不同振動(dòng)能級(jí)基態(tài)時(shí)

43、的不同振動(dòng)能級(jí)E E1111，E E1212，E E1313激發(fā)態(tài)不同的振動(dòng)能級(jí)激發(fā)態(tài)不同的振動(dòng)能級(jí) （材料的發(fā)光譜帶位于其相應(yīng)激發(fā)譜帶的長(zhǎng)波邊）（材料的發(fā)光譜帶位于其相應(yīng)激發(fā)譜帶的長(zhǎng)波邊）吸收光子，躍遷；吸收光子，躍遷；在在E12馬上與周圍環(huán)境相互作用，馬上與周圍環(huán)境相互作用，交出部分能量，轉(zhuǎn)移到交出部分能量，轉(zhuǎn)移到E11；損；損失了部分能量。失了部分能量。一般，系統(tǒng)與周圍環(huán)境取得熱一般，系統(tǒng)與周圍環(huán)境取得熱平衡后在振動(dòng)能級(jí)上的平衡后在振動(dòng)能級(jí)上的分布分布，大致和大致和exp(-E/KT)成正比成正比。E是較高振動(dòng)能級(jí)與最低振動(dòng)是較高振動(dòng)能級(jí)與最低振動(dòng)能級(jí)間的距離。能級(jí)間的距離。系統(tǒng)與周圍晶

44、格的熱平衡所需系統(tǒng)與周圍晶格的熱平衡所需的時(shí)間的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于電子在激發(fā)態(tài)電子在激發(fā)態(tài)上的壽命。上的壽命。由此可見，系統(tǒng)一旦被激發(fā)到由此可見，系統(tǒng)一旦被激發(fā)到高的振動(dòng)能級(jí)，絕大多數(shù)要高的振動(dòng)能級(jí)，絕大多數(shù)要趨趨向低振動(dòng)能級(jí)向低振動(dòng)能級(jí)。中心從周圍環(huán)境中心從周圍環(huán)境獲得能獲得能量量，從，從E12E12轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到E13E13、1414，然后躍遷到，然后躍遷到E01E01。則發(fā)光光子能量就大于則發(fā)光光子能量就大于激發(fā)光子能量。激發(fā)光子能量。這種發(fā)光稱為反斯托克這種發(fā)光稱為反斯托克斯發(fā)光。斯發(fā)光。反斯托克斯發(fā)光反斯托克斯發(fā)光: :E13E12E11E03E02E01E14這是從這是從晶格振動(dòng)取

45、得能量晶格振動(dòng)取得能量，產(chǎn)生反，產(chǎn)生反StokesStokes發(fā)光。發(fā)光。通過(guò)通過(guò)多光子吸收多光子吸收，產(chǎn)生反，產(chǎn)生反StokesStokes發(fā)光：發(fā)光：兩個(gè)或多個(gè)光子兩個(gè)或多個(gè)光子“合成合成”一個(gè)大光子一個(gè)大光子過(guò)程多種多樣過(guò)程多種多樣待后面細(xì)講待后面細(xì)講 通常有三種表示法：通常有三種表示法： 量子效率量子效率q 功率效率（能量效率）功率效率（能量效率）p 光度效率（流明效率）光度效率（流明效率）l八、發(fā)光效率八、發(fā)光效率 量子效率量子效率q ：是指發(fā)射的是指發(fā)射的光子數(shù)光子數(shù)Nf與激發(fā)時(shí)吸收的光子數(shù)（或電子與激發(fā)時(shí)吸收的光子數(shù)（或電子數(shù)）數(shù)）Nx之比之比 。xfqNN 但一般總有但一般總有

46、能量損失能量損失，激發(fā)光光子能量常大于發(fā)射，激發(fā)光光子能量常大于發(fā)射光光子能量。光光子能量。 當(dāng)激發(fā)光波長(zhǎng)比發(fā)光波長(zhǎng)當(dāng)激發(fā)光波長(zhǎng)比發(fā)光波長(zhǎng)短很多短很多時(shí)，這種能量損失時(shí)，這種能量損失（斯托克斯損失）就很大。（斯托克斯損失）就很大。 如日光燈中激發(fā)光波長(zhǎng)為如日光燈中激發(fā)光波長(zhǎng)為254nm254nm（汞線），發(fā)光的平（汞線），發(fā)光的平均波長(zhǎng)可以算作是均波長(zhǎng)可以算作是550nm550nm。 因此，即使量子效率為因此，即使量子效率為1 1（或（或100%100%），但斯托克斯能），但斯托克斯能量損失卻有量損失卻有1/21/2以上。以上。 所以所以量子效率反映不出來(lái)，引入功率效率量子效率反映不出來(lái)，引入

47、功率效率。 功率效率（能量效率）功率效率（能量效率）p ：是指發(fā)射光的是指發(fā)射光的光功率光功率Pf與被吸收的光功率與被吸收的光功率Px（或激發(fā)（或激發(fā)時(shí)輸入的電功率）之比時(shí)輸入的電功率）之比 。xfpPP發(fā)光器件總要作用于人眼。發(fā)光器件總要作用于人眼。人眼只能感覺到可見光，且在可見光范圍內(nèi)，人眼只能感覺到可見光，且在可見光范圍內(nèi)，對(duì)不同波對(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感程度差別極大長(zhǎng)光的敏感程度差別極大。人眼對(duì)人眼對(duì)555nm555nm綠光綠光最敏感，隨波長(zhǎng)變化其相對(duì)視感度通最敏感，隨波長(zhǎng)變化其相對(duì)視感度通常用視見函數(shù)常用視見函數(shù)（）表示：表示： 功率效率很高的功率效率很高的發(fā)光器件發(fā)出的發(fā)光器件發(fā)出的光，

48、人眼看起來(lái)光，人眼看起來(lái)不見得很亮。不見得很亮。用人眼衡量發(fā)光器件功能時(shí)，引入流明效率。用人眼衡量發(fā)光器件功能時(shí)，引入流明效率。 流明效率流明效率l ：發(fā)射的發(fā)射的光通量光通量L（以流明為單位）與激發(fā)時(shí)輸入的電與激發(fā)時(shí)輸入的電功率或被吸收的其他形式能量總功率功率或被吸收的其他形式能量總功率Px之比之比 。xlPL對(duì)于光致發(fā)光來(lái)說(shuō)，如果激發(fā)光是單色或接近單色的，對(duì)于光致發(fā)光來(lái)說(shuō)，如果激發(fā)光是單色或接近單色的，波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為x x, ,發(fā)射光也是單色或接近單色的發(fā)射光也是單色或接近單色的, , 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為f f, , 則則量子效率與功率效率有如下關(guān)系：量子效率與功率效率有如下關(guān)系： xfpq 九、

49、發(fā)光的衰減九、發(fā)光的衰減發(fā)光像章持續(xù)發(fā)光幾小時(shí)，日光燈關(guān)閉上發(fā)光，也持續(xù)一定時(shí)間發(fā)光像章持續(xù)發(fā)光幾小時(shí)，日光燈關(guān)閉上發(fā)光，也持續(xù)一定時(shí)間發(fā)光與其他光發(fā)射現(xiàn)象的根本區(qū)別就在于持續(xù)時(shí)間。這個(gè)持續(xù)時(shí)間來(lái)自于電發(fā)光與其他光發(fā)射現(xiàn)象的根本區(qū)別就在于持續(xù)時(shí)間。這個(gè)持續(xù)時(shí)間來(lái)自于電子在各種高能量狀態(tài)的壽命。子在各種高能量狀態(tài)的壽命。 假定發(fā)光材料中某種離子被激發(fā)，沒有能量傳遞發(fā)生，假定發(fā)光材料中某種離子被激發(fā)，沒有能量傳遞發(fā)生，激發(fā)到高能態(tài)電子終究要回到基態(tài)。激發(fā)到高能態(tài)電子終究要回到基態(tài)。如果在如果在某一時(shí)刻某一時(shí)刻t共有共有n個(gè)個(gè)電子處在某一激發(fā)能級(jí)，在電子處在某一激發(fā)能級(jí)，在dt時(shí)間內(nèi)時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)

50、的躍遷到基態(tài)的電子數(shù)目電子數(shù)目dn應(yīng)該正比于應(yīng)該正比于ndt，即：即： dn = -a n dt （公式公式1） 這里比例常數(shù)這里比例常數(shù)a表示電子躍遷到基態(tài)的幾率。表示電子躍遷到基態(tài)的幾率。 分離變量：分離變量： atttnnnnennatnnatnnatndtandnadtndn00000lnlnlnln00由此可以得到由此可以得到 atenn0n0是初始時(shí)刻（是初始時(shí)刻（t=0）被激發(fā)的電子數(shù)）被激發(fā)的電子數(shù)dn = -a n dt（公式（公式2）可以證明：電子在激發(fā)態(tài)的平均壽命就是可以證明：電子在激發(fā)態(tài)的平均壽命就是1/a =1/a =。 作業(yè)：作業(yè)：n n0 0是初始時(shí)刻（是初始時(shí)刻

51、（t=0t=0）被激發(fā)的電子數(shù)，已知）被激發(fā)的電子數(shù)，已知壽命是指電子數(shù)變?yōu)槌跏茧娮訑?shù)的壽命是指電子數(shù)變?yōu)槌跏茧娮訑?shù)的1/e1/e時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間，試證明：電子在激發(fā)態(tài)的平均壽命就是間，試證明：電子在激發(fā)態(tài)的平均壽命就是1/a =1/a =因?yàn)橐驗(yàn)?atenn0所以所以 atenn0令：令： atenn0e1= 即：即： -at=-1求解：壽命求解：壽命t=1/a。 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度I應(yīng)該正比于電子躍遷到基態(tài)的速率，即應(yīng)該正比于電子躍遷到基態(tài)的速率，即 I dn/dt可得：可得： I=I0e-at (由公式由公式2直接得知直接得知) 即：發(fā)光以即：發(fā)光以指數(shù)形式衰減指數(shù)形式衰減。在在

52、秒后，發(fā)光強(qiáng)度為初始強(qiáng)度秒后，發(fā)光強(qiáng)度為初始強(qiáng)度1/e。稱衰減常數(shù)。稱衰減常數(shù)。發(fā)光材料的發(fā)光材料的值，短至毫微秒數(shù)量級(jí)，長(zhǎng)達(dá)幾秒、幾十秒甚至更長(zhǎng)。值，短至毫微秒數(shù)量級(jí)，長(zhǎng)達(dá)幾秒、幾十秒甚至更長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)中，測(cè)出不同時(shí)間的發(fā)光強(qiáng)度，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作圖，可實(shí)驗(yàn)中，測(cè)出不同時(shí)間的發(fā)光強(qiáng)度，在單對(duì)數(shù)坐標(biāo)上作圖，可以得到一條直線，其斜率就是以得到一條直線，其斜率就是a，從而可以得到，從而可以得到值。值。 指數(shù)式衰減，基本形式。復(fù)雜，疊加。指數(shù)式衰減，基本形式。復(fù)雜，疊加。很多長(zhǎng)余輝材料的衰減遵循雙曲線式。很多長(zhǎng)余輝材料的衰減遵循雙曲線式。 十、熱致釋光與紅外釋光十、熱致釋光與紅外釋光 雙曲線式衰減雙曲線式

53、衰減 ，溫度對(duì)之有很大影響，溫度降低到一，溫度對(duì)之有很大影響，溫度降低到一定的程度，激發(fā)停止后的發(fā)光很快地完全停止。定的程度，激發(fā)停止后的發(fā)光很快地完全停止。當(dāng)溫度升高時(shí)，發(fā)光又逐漸加強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為加熱當(dāng)溫度升高時(shí)，發(fā)光又逐漸加強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為加熱發(fā)光或熱致釋光，有時(shí)簡(jiǎn)稱發(fā)光或熱致釋光，有時(shí)簡(jiǎn)稱熱釋光熱釋光。注意：加熱發(fā)光不是說(shuō)用熱來(lái)注意：加熱發(fā)光不是說(shuō)用熱來(lái)激發(fā)激發(fā)發(fā)光，而是用熱來(lái)發(fā)光，而是用熱來(lái)釋放釋放光能，意味著，發(fā)光材料能夠貯存激發(fā)能，當(dāng)溫光能，意味著，發(fā)光材料能夠貯存激發(fā)能，當(dāng)溫度升高以后，將貯存的光能逐漸釋放出來(lái)。度升高以后，將貯存的光能逐漸釋放出來(lái)。加熱發(fā)光現(xiàn)象與發(fā)光材料中的加

54、熱發(fā)光現(xiàn)象與發(fā)光材料中的電子陷阱相聯(lián)系電子陷阱相聯(lián)系，因此，因此，利用利用熱發(fā)光熱發(fā)光可以了解晶體中定域能級(jí)的情況?？梢粤私饩w中定域能級(jí)的情況。 樣品激發(fā)后，溫度上升，在不同溫度出現(xiàn)熱釋光峰。樣品激發(fā)后，溫度上升，在不同溫度出現(xiàn)熱釋光峰。可證明，余輝越長(zhǎng)材料，熱釋光峰溫度越高。可證明，余輝越長(zhǎng)材料，熱釋光峰溫度越高。有的甚至在室溫衰減完后有的甚至在室溫衰減完后, ,加熱到高溫還有熱釋光峰。加熱到高溫還有熱釋光峰。如：SrS:Ce、Sm150左右。SrS：Eu、Sm 370。這種材料存貯的激發(fā)能可通過(guò)紅外線釋放。這種材料存貯的激發(fā)能可通過(guò)紅外線釋放。紅外釋光材料，曾被用來(lái)探測(cè)紅外線。紅外釋光材

55、料，曾被用來(lái)探測(cè)紅外線。它們和上轉(zhuǎn)換材料的區(qū)別是，紅外線只能釋放它們本它們和上轉(zhuǎn)換材料的區(qū)別是，紅外線只能釋放它們本來(lái)儲(chǔ)存著的能量而不能直接激發(fā)這種發(fā)光體。來(lái)儲(chǔ)存著的能量而不能直接激發(fā)這種發(fā)光體。 SrS:Ce、Sm這類具有高溫?zé)後尮夥宓陌l(fā)光材料這類具有高溫?zé)後尮夥宓陌l(fā)光材料很多，其中很多，其中LiF,Li2B4O7:Mn,CaF2:Mn, CaSO4:Mn等，等，可以用來(lái)作為射線的劑量計(jì)，這在以后將會(huì)詳細(xì)講可以用來(lái)作為射線的劑量計(jì)，這在以后將會(huì)詳細(xì)講到。有些古代物體，深埋地下，受到放射性射線的到。有些古代物體，深埋地下，受到放射性射線的照射，也能將輻射能量保存起來(lái)，利用加熱發(fā)光，照射，也能將

56、輻射能量保存起來(lái)，利用加熱發(fā)光，可以推斷出埋藏的年代，這也是加熱發(fā)光的一個(gè)應(yīng)可以推斷出埋藏的年代，這也是加熱發(fā)光的一個(gè)應(yīng)用。用。 2.12.1 基本概念基本概念2.22.2 燈用熒光材料燈用熒光材料第二章第二章 光致發(fā)光光致發(fā)光2.2.1 2.2.1 基本知識(shí)基本知識(shí)2.2.2 2.2.2 電光源的分類及參數(shù)電光源的分類及參數(shù)2.2.3 2.2.3 常用電光源常用電光源2.2.4 2.2.4 應(yīng)急照明應(yīng)急照明2.3 2.3 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 (LED)(LED)用熒光材料用熒光材料(1) 電磁波譜電磁波譜 與所有物質(zhì)一樣，光也是物質(zhì)的一與所有物質(zhì)一樣，光也是物質(zhì)的一種存在形式，是能引起視覺

57、的輻射能，它以電磁波的種存在形式，是能引起視覺的輻射能，它以電磁波的形式在空間傳播。可見光的波長(zhǎng)在形式在空間傳播。可見光的波長(zhǎng)在380780納米納米(nm)范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的光給人的顏色感覺不同，如圖范圍內(nèi)，不同波長(zhǎng)的光給人的顏色感覺不同，如圖2.1所示。所示。(2) 光譜光譜光源輻射的光往往由許多波長(zhǎng)的單色光源輻射的光往往由許多波長(zhǎng)的單色光組成，把光線中不同強(qiáng)度的單色光按波長(zhǎng)長(zhǎng)短依次光組成，把光線中不同強(qiáng)度的單色光按波長(zhǎng)長(zhǎng)短依次排列，稱為排列，稱為光源的光譜光源的光譜。 2.1 2.1 基本概念基本概念電磁波譜電磁波譜 (2) 光譜光譜 (3) 光通量光通量 (4) 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度(5)

58、照度照度 (6) 亮度亮度 (7) 色溫色溫 (8) 顯色性和顯色指顯色性和顯色指數(shù)數(shù)(9) 頻閃效應(yīng)頻閃效應(yīng) (10) 反射率反射率圖2.1 電磁波譜 (3) 光通量光通量光源在單位時(shí)間內(nèi)，向周圍空光源在單位時(shí)間內(nèi)，向周圍空間輻射出的、使人眼產(chǎn)生光感覺的能量，稱為間輻射出的、使人眼產(chǎn)生光感覺的能量，稱為光光通量通量，用符號(hào)，用符號(hào)表示，單位為流明表示，單位為流明(lm)。人。人們通常以電光源消耗們通常以電光源消耗1W電功率所發(fā)出的流明數(shù)電功率所發(fā)出的流明數(shù)(lmW)來(lái)表征電光源的特性，稱為來(lái)表征電光源的特性，稱為發(fā)光效率發(fā)光效率，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱光效光效。電光源的光效越高越好。電光源的光效越高越好。

59、人眼對(duì)可見光中波長(zhǎng)為人眼對(duì)可見光中波長(zhǎng)為555nm的黃綠色光最的黃綠色光最靈敏，波長(zhǎng)離靈敏，波長(zhǎng)離555nm越遠(yuǎn)越遠(yuǎn)(如波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光和波如波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光和波長(zhǎng)較短的紫光長(zhǎng)較短的紫光)靈敏度越低，所以光通量與光輻靈敏度越低，所以光通量與光輻射的強(qiáng)弱及其波長(zhǎng)都有關(guān)系。射的強(qiáng)弱及其波長(zhǎng)都有關(guān)系。 (4) 發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度發(fā)光強(qiáng)度是表征光源是表征光源(物體物體)發(fā)發(fā)光能力大小的物理量。光能力大小的物理量。光源在某一特定方向上單位立體角內(nèi)光源在某一特定方向上單位立體角內(nèi)(每球每球面度，球的面積為面度，球的面積為4R2所張球面度為所張球面度為4）輻射的）輻射的光通量，稱為光通量，稱為光源在該方向

60、上的發(fā)光強(qiáng)度光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度(簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱光強(qiáng)光強(qiáng))，用符號(hào)，用符號(hào)I表示，單位為坎德拉表示，單位為坎德拉(cd)。如圖如圖2.2所示，對(duì)于向各方向均勻輻射光所示，對(duì)于向各方向均勻輻射光通量的光源，各方向的光強(qiáng)相等，其值為：通量的光源，各方向的光強(qiáng)相等，其值為： I圖2.2 發(fā)光強(qiáng)度的定義 (5) 照度照度對(duì)被照物體表面而言，它單位面對(duì)被照物體表面而言，它單位面積上所接受的光通量，稱為積上所接受的光通量，稱為該被照面的照度該被照面的照度，照，照度用符號(hào)度用符號(hào)E表示，單位為勒克斯（表示，單位為勒克斯（lx）被光均勻照射的平面照度為：被光均勻照射的平面照度為： 表表2.1給出了一些情況下的照