光學(xué)原理-發(fā)光的定義及特點(diǎn)教材

1、第二章第二章 發(fā)光的定義及特點(diǎn)發(fā)光的定義及特點(diǎn)本章重點(diǎn)本章重點(diǎn) 發(fā)光的定義和特點(diǎn)發(fā)光的定義和特點(diǎn) 發(fā)光與熱輻射的區(qū)別發(fā)光與熱輻射的區(qū)別 發(fā)光材料的分類方法發(fā)光材料的分類方法 發(fā)光現(xiàn)象所經(jīng)歷的物理過程發(fā)光現(xiàn)象所經(jīng)歷的物理過程 發(fā)光的幾個(gè)重要參數(shù)發(fā)光的幾個(gè)重要參數(shù)一、光的本質(zhì)一、光的本質(zhì) 波粒二相性波粒二相性 波動(dòng)性波動(dòng)性 電學(xué)及磁學(xué)分量組成的電學(xué)及磁學(xué)分量組成的 互成互成90 簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng) 波長(zhǎng)和頻率兩個(gè)參量波長(zhǎng)和頻率兩個(gè)參量 干涉、衍射現(xiàn)象干涉、衍射現(xiàn)象 粒子性粒子性 早在早在1900年普朗克就提出光的存在是以很多小部分年普朗克就提出光的存在是以很多小部分光能量為單位組成的光能量為單位組成

2、的光子光子 光子能量為光子能量為 光電導(dǎo)、光電發(fā)射、發(fā)光光電導(dǎo)、光電發(fā)射、發(fā)光及光化學(xué)等效應(yīng)都是粒子及光化學(xué)等效應(yīng)都是粒子性的體現(xiàn)性的體現(xiàn)hE 二、光的發(fā)射二、光的發(fā)射 熱輻射熱輻射 任何高于任何高于0K的物體都會(huì)向外輻射能量的物體都會(huì)向外輻射能量 連續(xù)光譜連續(xù)光譜（光強(qiáng)隨波長(zhǎng)的變化關(guān)系）（光強(qiáng)隨波長(zhǎng)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)布向短波方向移動(dòng) 平衡輻射平衡輻射 效率效率低（白熾燈低（白熾燈 10%，主要為紅外輻射），主要為紅外輻射） 發(fā)光發(fā)光日光燈發(fā)光有何特點(diǎn)呢？日光燈發(fā)光有何特點(diǎn)呢？白色光白色光燈

3、管溫度不高，接近常溫?zé)艄軠囟炔桓撸咏仫@然不是熱輻射發(fā)光顯然不是熱輻射發(fā)光效率比白熾燈高得多（效率比白熾燈高得多（80 lm/W以上）以上）日光燈的發(fā)光過程日光燈的發(fā)光過程燈管內(nèi)的氣體（水銀蒸汽）放燈管內(nèi)的氣體（水銀蒸汽）放電產(chǎn)生紫外線（電產(chǎn)生紫外線（254nm）紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光紫外線激發(fā)熒光粉發(fā)光 發(fā)光發(fā)光 不不需要將發(fā)光材料加熱到高溫（如日光燈、顯像管等需要將發(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）常溫下就可產(chǎn)生光發(fā)射） 原因：電子原因：電子在不同高能態(tài)上的分布偏離熱平衡在不同高能態(tài)上的分布偏離熱平衡分布分布 從從這些高能態(tài)的躍遷而來的光就會(huì)比相應(yīng)溫度下同樣波長(zhǎng)

4、的發(fā)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(zhǎng)的發(fā)射強(qiáng)射強(qiáng)很多很多 需要以需要以某種方式把能量交給物體使電子升到一定高能某種方式把能量交給物體使電子升到一定高能態(tài)態(tài)激激發(fā)過程發(fā)過程 只是只是在少數(shù)中心在少數(shù)中心進(jìn)行，進(jìn)行，不會(huì)影響物體的不會(huì)影響物體的溫度溫度 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可見光 發(fā)光的優(yōu)點(diǎn)：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白熾燈效率20 lm/W，偏黃，日光燈的效率，偏黃，日光燈的效率80100lm/W三、發(fā)光

5、的定義三、發(fā)光的定義 發(fā)光就是物體發(fā)光就是物體不經(jīng)過熱階段不經(jīng)過熱階段而將其內(nèi)部以而將其內(nèi)部以某種方式某種方式吸收的能量吸收的能量直接直接以光能的形式釋以光能的形式釋放出來的放出來的非平衡輻射非平衡輻射過程過程四、發(fā)光的特點(diǎn)四、發(fā)光的特點(diǎn) 冷光冷光 發(fā)光體和發(fā)光體和周圍環(huán)境的溫度幾乎是相同的，并不需要周圍環(huán)境的溫度幾乎是相同的，并不需要加溫加溫 只有個(gè)別只有個(gè)別中心得到中心得到能量，周圍大量的中心仍處于未被激發(fā)的能量，周圍大量的中心仍處于未被激發(fā)的狀態(tài)狀態(tài) 衰減（余輝）衰減（余輝） 從從外界吸收外界吸收能量到放出能量到放出光來光來，花費(fèi)，花費(fèi)一定一定時(shí)間。時(shí)間。 發(fā)出的光既有反映這個(gè)物質(zhì)特點(diǎn)的

6、光譜，又有一定的衰減發(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)規(guī)律律 與反射光與反射光、散射光、契連科夫輻射等、散射光、契連科夫輻射等區(qū)分區(qū)分五、發(fā)光的分類五、發(fā)光的分類 以某種方式將能量交給物體使電子提升到一定以某種方式將能量交給物體使電子提升到一定高能態(tài)的過程稱為高能態(tài)的過程稱為激發(fā)激發(fā) 一般按激發(fā)能來源劃分一般按激發(fā)能來源劃分 機(jī)械機(jī)械發(fā)光發(fā)光機(jī)械能（機(jī)械能（ZnS:Mn在振動(dòng)在振動(dòng)時(shí)發(fā)光）時(shí)發(fā)光） 物理發(fā)光物理發(fā)光物理能物理能（進(jìn)一步劃分）（進(jìn)一步劃分） 化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光化學(xué)能（熒光棒）化學(xué)能（熒光棒） 生物發(fā)光生物發(fā)光 生物化學(xué)能（螢火蟲）生物化學(xué)能（螢火蟲）物理發(fā)光物理發(fā)

7、光（根據(jù)材料的物相分類）（根據(jù)材料的物相分類） 氣體放電氣體放電 只適合于氣態(tài)物質(zhì)只適合于氣態(tài)物質(zhì) 固體發(fā)光固體發(fā)光 最常用，最廣泛最常用，最廣泛 液體發(fā)光液體發(fā)光 常用于材料分析常用于材料分析1）氣體放電發(fā)光）氣體放電發(fā)光只適合氣態(tài)物質(zhì)只適合氣態(tài)物質(zhì) 氣體中的帶電粒子（電子和離子）就會(huì)在電場(chǎng)氣體中的帶電粒子（電子和離子）就會(huì)在電場(chǎng)的作用下加速的作用下加速 帶電粒子氣體中的原子或分子碰撞電離產(chǎn)生新帶電粒子氣體中的原子或分子碰撞電離產(chǎn)生新的電子和離子的電子和離子 使原本不導(dǎo)電的氣體變得導(dǎo)電了使原本不導(dǎo)電的氣體變得導(dǎo)電了 氣體放電總伴隨著光的發(fā)射 氣體放電過程中，有的原子、分子或離子在碰撞過程中會(huì)

8、被激發(fā)到高能態(tài)，從而會(huì)發(fā)出光來hXX* 激發(fā)還可以通過異類原子（或分子）間的激發(fā)還可以通過異類原子（或分子）間的共振能量傳遞間接地實(shí)現(xiàn)共振能量傳遞間接地實(shí)現(xiàn)氣體放電的應(yīng)用氣體放電的應(yīng)用 霓虹燈霓虹燈 日光燈日光燈 PDP 氣體激光器氣體激光器 激光泵浦激光泵浦 紫紫外殺菌燈外殺菌燈 投影投影光源光源 2）固體發(fā)光）固體發(fā)光A）有機(jī)材料）有機(jī)材料B）無機(jī)材料）無機(jī)材料晶體晶體半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器半導(dǎo)體發(fā)光二極管、激光器粉末粉末熒光粉熒光粉薄膜薄膜電致發(fā)光電致發(fā)光單晶薄膜單晶薄膜發(fā)光粉混入介質(zhì)形成的薄膜發(fā)光粉混入介質(zhì)形成的薄膜直接制成的薄膜直接制成的薄膜物理發(fā)光物理發(fā)光（根據(jù)激發(fā)方式分類）（根

9、據(jù)激發(fā)方式分類） 光致發(fā)光（光致發(fā)光（Photoluminescence， PL） 激發(fā)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)光主要為為254 nm紫外線紫外線 陰極射線發(fā)光（陰極射線發(fā)光（CathodoLuminescence，CL） 激發(fā)激發(fā)能為電子束的動(dòng)能，如能為電子束的動(dòng)能，如CRT、FED等等 電致發(fā)光電致發(fā)光（ElectroLuminescence, EL） 激發(fā)能為電場(chǎng)能激發(fā)能為電場(chǎng)能 高能粒子發(fā)光（高能粒子發(fā)光（x射線、高能粒子激發(fā)）射線、高能粒子激發(fā)）常見熒光粉器件的發(fā)光類型常見熒光粉器件的發(fā)光類型課堂練習(xí)課堂練習(xí)1.

10、有光的發(fā)射就是發(fā)光這一說法是否正確？2. 發(fā)光材料發(fā)出的光稱為“冷光”是因?yàn)榘l(fā)光材料發(fā)光時(shí)不需要被加熱到高溫3. 激發(fā)停止后，發(fā)光一定會(huì)延續(xù)一段時(shí)間4. 陰極射線發(fā)光是由電子束（陰極射線）發(fā)射的5. 日光燈和PDP的熒光粉發(fā)光都屬于光致發(fā)光錯(cuò)誤錯(cuò)誤正確正確正確正確正確正確錯(cuò)誤錯(cuò)誤6. 發(fā)光材料一般按照激發(fā)的方式進(jìn)行分類發(fā)光材料一般按照激發(fā)的方式進(jìn)行分類正確正確下列器件熒光粉的發(fā)光類型分別是？下列器件熒光粉的發(fā)光類型分別是？陰極射線管陰極射線管陰極射線發(fā)光陰極射線發(fā)光節(jié)能燈節(jié)能燈光致發(fā)光光致發(fā)光PDP光致發(fā)光光致發(fā)光冷陰極熒光燈冷陰極熒光燈光致發(fā)光光致發(fā)光白光白光LED（藍(lán)色芯片）（藍(lán)色芯片）光

11、致發(fā)光光致發(fā)光器件名稱器件名稱發(fā)光類型發(fā)光類型六、材料發(fā)光所經(jīng)歷的主要過程六、材料發(fā)光所經(jīng)歷的主要過程 激發(fā)激發(fā) 發(fā)光必須首先發(fā)光必須首先從外界獲取從外界獲取能量能量 將體內(nèi)的原子、分子或離子從基態(tài)激發(fā)到高能將體內(nèi)的原子、分子或離子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)態(tài) 輻射躍遷輻射躍遷 高能高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）是態(tài)（激發(fā)態(tài)）是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)一種不穩(wěn)定的狀態(tài)， 粒子遲早粒子遲早會(huì)從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放出吸收的會(huì)從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放出吸收的能量能量 如果如果能量是以光子的形式釋放出來能量是以光子的形式釋放出來的就的就稱之為稱之為輻輻射躍遷射躍遷注意注意 并非所有被發(fā)光材料吸收的激發(fā)能都能轉(zhuǎn)化為光并非所有被發(fā)光

12、材料吸收的激發(fā)能都能轉(zhuǎn)化為光輻射輸出輻射輸出 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 無輻射躍遷無輻射躍遷 能量傳輸能量傳輸 無輻射躍遷無輻射躍遷 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：量子效率： 激發(fā)能量的傳輸激發(fā)能量的傳輸 He-Ne氣體放電發(fā)光氣體放電發(fā)光 熒光粉的發(fā)光熒光粉的發(fā)光1、鹵粉的光譜、鹵粉的光譜2 、加入紅粉后的光譜、加入紅粉后的光譜3、加入的紅粉光譜、加入的紅粉光譜Sb3+Mn2+小結(jié)小

13、結(jié)發(fā)光所經(jīng)歷的主要物理過程發(fā)光所經(jīng)歷的主要物理過程激發(fā)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)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)到激發(fā)態(tài)輻射躍遷過程：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光子的形式釋放出來無輻射躍遷過程：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：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)光中心輸入的激發(fā)能在基質(zhì)

14、與發(fā)光中心間、發(fā)光中心與發(fā)光中心間進(jìn)行傳遞與發(fā)光中心間進(jìn)行傳遞課堂練習(xí)課堂練習(xí)1. 發(fā)光材料要發(fā)光就必須首先吸收能量發(fā)光材料要發(fā)光就必須首先吸收能量2. 一般來說，發(fā)光材料的量子效率不超過一般來說，發(fā)光材料的量子效率不超過100%3. 無輻射躍遷會(huì)降低材料的發(fā)光效率無輻射躍遷會(huì)降低材料的發(fā)光效率4. 發(fā)光經(jīng)歷的物理過程按下列順序發(fā)生：發(fā)光經(jīng)歷的物理過程按下列順序發(fā)生： 激發(fā)激發(fā)輻射躍遷輻射躍遷無輻射躍遷無輻射躍遷能量傳遞能量傳遞正確正確正確正確正確正確錯(cuò)誤錯(cuò)誤七、表征發(fā)光的主要性能指標(biāo)七、表征發(fā)光的主要性能指標(biāo)1、激發(fā)光譜（、激發(fā)光譜（發(fā)光材料特定波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度與激發(fā)發(fā)光材料特定波長(zhǎng)的發(fā)光強(qiáng)度

15、與激發(fā)光波長(zhǎng)的關(guān)系。光波長(zhǎng)的關(guān)系。 ） 確定對(duì)發(fā)光有貢獻(xiàn)的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍確定對(duì)發(fā)光有貢獻(xiàn)的激發(fā)光波長(zhǎng)范圍的激發(fā)光譜橫坐標(biāo)：橫坐標(biāo)： 激發(fā)光波長(zhǎng)激發(fā)光波長(zhǎng)縱坐標(biāo)：縱坐標(biāo)：發(fā)光強(qiáng)度（效率）發(fā)光強(qiáng)度（效率）通常為相對(duì)值通常為相對(duì)值2. 發(fā)射光譜發(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(zhǎng)的分布發(fā)光強(qiáng)度按波長(zhǎng)的分布光譜的線型：光譜的線型：線譜線譜寬帶譜寬帶譜線譜線譜+寬帶譜寬帶譜橫坐標(biāo)：橫坐標(biāo)： 發(fā)射光波長(zhǎng)發(fā)射光波長(zhǎng)縱坐標(biāo)：縱坐標(biāo)：發(fā)光強(qiáng)度（效率）發(fā)光強(qiáng)度（效率）通常為相對(duì)值通常為相對(duì)值Gauss函數(shù)函數(shù) 表示表示3. 發(fā)光效率發(fā)光效率發(fā)光

16、效率反映了材料吸收激發(fā)能量后轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿陌l(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壤芰啃剩üβ市剩┠芰啃剩üβ市剩┌l(fā)光輻射能量與吸收發(fā)光輻射能量與吸收能量之能量之比比量子效率量子效率輻射輻射出的出的量子數(shù)量子數(shù)與與吸收的量子數(shù)吸收的量子數(shù)之之比比 流明效率流明效率發(fā)射的發(fā)射的光通量與光通量與吸收的吸收的能量之比能量之比4. 發(fā)光的增長(zhǎng)與衰減發(fā)光的增長(zhǎng)與衰減發(fā)光的馳豫是發(fā)光的重要特征之一發(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)光稱為將激發(fā)停止后立即停止的發(fā)光稱為熒光熒光人眼不可察覺人眼不可察覺激停止后，延續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的發(fā)光稱為激停止后，延續(xù)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間的發(fā)光

17、稱為磷光磷光人眼可見人眼可見隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，這種區(qū)分已經(jīng)變得不明確隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，這種區(qū)分已經(jīng)變得不明確了，還有很多人沿用這兩個(gè)名稱了，還有很多人沿用這兩個(gè)名稱A）分立發(fā)光的衰減）分立發(fā)光的衰減衰減過程衰減過程激發(fā)態(tài)的壽命激發(fā)態(tài)的壽命分立發(fā)光衰減的規(guī)律是指數(shù)式的分立發(fā)光衰減的規(guī)律是指數(shù)式的激發(fā)態(tài)可以躍遷到不同的基態(tài)時(shí)激發(fā)態(tài)可以躍遷到不同的基態(tài)時(shí)只要始態(tài)能級(jí)相同，相應(yīng)的發(fā)只要始態(tài)能級(jí)相同，相應(yīng)的發(fā)光就有相同的衰減時(shí)間光就有相同的衰減時(shí)間發(fā)光的增長(zhǎng)發(fā)光的增長(zhǎng)ndtdn-I激發(fā)很弱時(shí)激發(fā)很弱時(shí)發(fā)光達(dá)到穩(wěn)定值的某一規(guī)定的百分?jǐn)?shù)（如發(fā)光達(dá)到穩(wěn)定值的某一規(guī)定的百分?jǐn)?shù)（如90）所需時(shí)間稱為發(fā)）所需時(shí)

18、間稱為發(fā)光的上升時(shí)間光的上升時(shí)間發(fā)光的最大穩(wěn)定值為發(fā)光的最大穩(wěn)定值為與激發(fā)光強(qiáng)成正比與激發(fā)光強(qiáng)成正比激發(fā)很強(qiáng)時(shí)激發(fā)很強(qiáng)時(shí)發(fā)光的上升時(shí)間，隨激發(fā)強(qiáng)度的增加而減小，而最大穩(wěn)發(fā)光的上升時(shí)間，隨激發(fā)強(qiáng)度的增加而減小，而最大穩(wěn)定值與激發(fā)光強(qiáng)無關(guān)定值與激發(fā)光強(qiáng)無關(guān)B） 復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光假設(shè)兩類載流了數(shù)目相等，都等于假設(shè)兩類載流了數(shù)目相等，都等于n任何一個(gè)載流子都可以和異號(hào)的任何任何一個(gè)載流子都可以和異號(hào)的任何個(gè)載流子復(fù)合個(gè)載流子復(fù)合實(shí)用上將熒光粉的亮度下降到激發(fā)停止的瞬間亮實(shí)用上將熒光粉的亮度下降到激發(fā)停止的瞬間亮度的度的10%所經(jīng)歷的時(shí)間稱作余輝時(shí)間所經(jīng)歷的時(shí)間稱作余輝時(shí)間顯示技術(shù)中常用的余輝劃分顯示技

19、術(shù)中常用的余輝劃分為了適應(yīng)人眼的頻率響應(yīng)特性，家用電視要求為了適應(yīng)人眼的頻率響應(yīng)特性，家用電視要求2030ms以下的中（短）余輝以下的中（短）余輝熒光粉熒光粉顯示管一般要求顯示管一般要求50ms至數(shù)百毫秒的長(zhǎng)余輝熒光粉至數(shù)百毫秒的長(zhǎng)余輝熒光粉三基色熒光粉的余輝特性要求基本一致（有時(shí)需要特意引入適當(dāng)?shù)拟鐒珶晒夥鄣挠噍x特性要求基本一致（有時(shí)需要特意引入適當(dāng)?shù)拟鐒?，如如Ni，Co等）等）課堂練習(xí)課堂練習(xí) 激發(fā)光譜的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別表示什么參量激發(fā)光譜的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別表示什么參量 橫坐標(biāo)：激發(fā)光的波長(zhǎng)橫坐標(biāo)：激發(fā)光的波長(zhǎng) 縱坐標(biāo)：特定波長(zhǎng)（或譜帶）發(fā)射光的強(qiáng)度或光通量縱坐標(biāo)：特定波長(zhǎng)（或譜帶）發(fā)射光的強(qiáng)度或光通量 常見的激發(fā)光譜或發(fā)射光譜的縱坐標(biāo)一般為相對(duì)強(qiáng)度常見的激發(fā)光譜或發(fā)射光譜的縱坐標(biāo)一般為相對(duì)強(qiáng)度 工程上將激發(fā)停止后發(fā)光強(qiáng)度降低到起始值的工程上將激發(fā)停止后