光學原理發(fā)光的定義及特點課件

1、光學原理發(fā)光的定義及特點課件本章重點本章重點 發(fā)光的定義和特點發(fā)光的定義和特點 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)光的幾個重要參數(shù)發(fā)光的幾個重要參數(shù)一、光的本質(zhì)一、光的本質(zhì) 波粒二相性波粒二相性 波動性波動性 電學及磁學分量組成的電學及磁學分量組成的 互成互成9090 簡諧運動簡諧運動 波長和頻率兩個參量波長和頻率兩個參量 干涉、衍射現(xiàn)象干涉、衍射現(xiàn)象 粒子性粒子性 早在早在19001900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的光子

2、光子 光子能量為光子能量為 光電導、光電發(fā)射、發(fā)光及光化學等效應都是粒子光電導、光電發(fā)射、發(fā)光及光化學等效應都是粒子性的體現(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0K0K的物體都會向外輻射能量的物體都會向外輻射能量 連續(xù)光譜（光強隨波長的變化關(guān)系）連續(xù)光譜（光強隨波長的變化關(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布向短波方向移動 平衡輻射平衡輻射 效率低（白熾燈效率低（白熾燈 10%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)光有何特點呢？日光燈發(fā)光有何特點呢？白色光白色

3、光燈管溫度不高，接近常溫燈管溫度不高，接近常溫顯然不是熱輻射發(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/W80 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 不需要將發(fā)光材料加熱到高溫（如日光燈、顯像管等不需要將發(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：電子在不同高能態(tài)上的分布偏離熱平衡分布原因：電子在不同高能態(tài)上的分布偏離熱平衡分布 從這些高能態(tài)的躍遷而來的光就會比相

4、應溫度下同樣波長的發(fā)從這些高能態(tài)的躍遷而來的光就會比相應溫度下同樣波長的發(fā)射強很多射強很多 需要以某種方式把能量交給物體使電子升到一定高能態(tài)需要以某種方式把能量交給物體使電子升到一定高能態(tài)激激發(fā)過程發(fā)過程 只是在少數(shù)中心進行，不會影響物體的溫度只是在少數(shù)中心進行，不會影響物體的溫度 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：發(fā)光的優(yōu)點：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8010

5、0lm/W三、發(fā)光的定義三、發(fā)光的定義 發(fā)光就是物體不經(jīng)過熱階段而將其內(nèi)部以發(fā)光就是物體不經(jīng)過熱階段而將其內(nèi)部以某種方式吸收的能量直接以光能的形式釋某種方式吸收的能量直接以光能的形式釋放出來的非平衡輻射過程放出來的非平衡輻射過程四、發(fā)光的特點四、發(fā)光的特點 冷光冷光 發(fā)光體和周圍環(huán)境的溫度幾乎是相同的，并不需要加溫發(fā)光體和周圍環(huán)境的溫度幾乎是相同的，并不需要加溫 只有個別中心得到能量，周圍大量的中心仍處于未被激發(fā)的只有個別中心得到能量，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） 從外界吸收能量到放出光來，花費一定時間。從外界吸收能量到放出光來，花費一定時間。 發(fā)出的光既有

6、反映這個物質(zhì)特點的光譜，又有一定的衰減規(guī)發(fā)出的光既有反映這個物質(zhì)特點的光譜，又有一定的衰減規(guī)律律 與反射光、散射光、契連科夫輻射等區(qū)分與反射光、散射光、契連科夫輻射等區(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 機械發(fā)光機械發(fā)光機械能（機械能（ZnS:MnZnS:Mn在振動時發(fā)光）在振動時發(fā)光） 物理發(fā)光物理發(fā)光物理能（進一步劃分）物理能（進一步劃分） 化學發(fā)光化學發(fā)光化學能（熒光棒）化學能（熒光棒） 生物發(fā)光生物發(fā)光 生物化學能（螢火蟲）生物

7、化學能（螢火蟲）物理發(fā)光物理發(fā)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 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）就會在電場氣體中的帶電粒子（電子和離子）就會在電場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 使原本不導電的氣體變得導電了使原本不導電的氣體變得導電了 氣體放電總伴隨著光的發(fā)射 氣體放電過程中，

8、有的原子、分子或離子在碰撞過程中會被激發(fā)到高能態(tài)，從而會發(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現(xiàn)共振能量傳遞間接地實現(xiàn)氣體放電的應用氣體放電的應用 霓虹燈霓虹燈 日光燈日光燈 PDPPDP 氣體激光器氣體激光器 激光泵浦激光泵浦 紫外殺菌燈紫外殺菌燈 投影光源投影光源 2 2）固體發(fā)光）固體發(fā)光A A）有機材料）有機材料B B）無機材料）無機材料晶體晶體半導體發(fā)光二極管、激光器半導體發(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

9、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）（根據(jù)激發(fā)方式分類） 光致發(fā)光（光致發(fā)光（PhotoluminescencePhotoluminescence， PL PL） 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)光主要為為254 nm254 nm紫外線紫外線 陰極射線發(fā)光（陰極射線發(fā)光（CathodoLuminescenceCathodoLuminescence，CLCL） 激發(fā)能為電子束的動能，如激發(fā)能為電子束的動能，如CRTCRT、FEDFED等等 電致發(fā)光（電致發(fā)光（ElectroLuminescence, ELElectro

10、Luminescence, EL） 激發(fā)能為電場能激發(fā)能為電場能 高能粒子發(fā)光（高能粒子發(fā)光（x 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)光類型課堂練習課堂練習有光的發(fā)射就是發(fā)光這一說法是否正確？發(fā)光材料發(fā)出的光稱為“冷光”是因為發(fā)光材料發(fā)光時不需要被加熱到高溫激發(fā)停止后，發(fā)光一定會延續(xù)一段時間陰極射線發(fā)光是由電子束（陰極射線）發(fā)射的日光燈和PDP的熒光粉發(fā)光都屬于光致發(fā)光錯誤錯誤正確正確正確正確正確正確錯誤錯誤6. 6. 發(fā)光材料一般按照激發(fā)的方式進行分類發(fā)光材料一般按照激發(fā)的方式進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

11、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（藍色芯片）（藍色芯片）光致發(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)光必須首先從外界獲取能量發(fā)光必須首先從外界獲取能量 將體內(nèi)的原子、分子或離子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)將體內(nèi)的原子、分子或離子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài) 輻射躍遷輻射躍遷 高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)，高能態(tài)（激發(fā)態(tài)）是一種不穩(wěn)定的狀態(tài)， 粒子遲早會從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放出吸收的粒子遲早會從激發(fā)態(tài)躍遷回基

12、態(tài)，釋放出吸收的能量能量 如果能量是以光子的形式釋放出來的就稱之為輻如果能量是以光子的形式釋放出來的就稱之為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 輻射躍遷的競爭過程，會降低材料的發(fā)光效率輻射躍遷的競爭過程，會降低材料的發(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

13、傳輸 He-NeHe-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：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)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)到激發(fā)態(tài)到激發(fā)態(tài)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：發(fā)光中心從激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，多余的能量無輻射躍遷過程：發(fā)光中心從激發(fā)

14、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，導致材料溫度的升高一聲子的形式釋放到晶格中，導致材料溫度的升高能量傳輸過程：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)光中心與發(fā)光中心間進行傳遞與發(fā)光中心間進行傳遞課堂練習課堂練習發(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%100%無輻射躍遷會降低材料的發(fā)光效率無輻射躍遷會降低材料的發(fā)光效率發(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

15、量能量傳遞傳遞正確正確正確正確正確正確錯誤錯誤七、表征發(fā)光的主要性能指標七、表征發(fā)光的主要性能指標1 1、激發(fā)光譜（發(fā)光材料特定波長的發(fā)光強度與激發(fā)、激發(fā)光譜（發(fā)光材料特定波長的發(fā)光強度與激發(fā)光波長的關(guān)系。光波長的關(guān)系。 ） 確定對發(fā)光有貢獻的激發(fā)光波長范圍確定對發(fā)光有貢獻的激發(fā)光波長范圍的激發(fā)光譜橫坐標：橫坐標： 激發(fā)光波長激發(fā)光波長縱坐標：發(fā)光強度（效率）縱坐標：發(fā)光強度（效率）通常為相對值通常為相對值2.2. 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)光強度按波長的分布發(fā)光強度按波長的分布光譜的線型：光譜的線型：線譜線譜寬帶譜寬

16、帶譜線譜線譜+ +寬帶譜寬帶譜橫坐標：橫坐標： 發(fā)射光波長發(fā)射光波長縱坐標：發(fā)光強度（效率）縱坐標：發(fā)光強度（效率）通常為相對值通常為相對值Gauss函數(shù)函數(shù) 表示表示3.3. 發(fā)光效率發(fā)光效率發(fā)光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)光輻射能量與吸收能量之比發(fā)光輻射能量與吸收能量之比量子效率量子效率輻射出的量子數(shù)與吸收的量子數(shù)之比輻射出的量子數(shù)與吸收的量子數(shù)之比 流明效率流明效率發(fā)射的光通量與吸收的能量之比發(fā)射的光通量與吸收的能量之比4.4. 發(fā)光的增長與衰減發(fā)光的增長與衰減發(fā)光的馳豫是發(fā)光的重要

17、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)光稱為熒光將激發(fā)停止后立即停止的發(fā)光稱為熒光人眼不可察覺人眼不可察覺激停止后，延續(xù)相當長一段時間的發(fā)光稱為磷光激停止后，延續(xù)相當長一段時間的發(fā)光稱為磷光人眼可見人眼可見隨著實驗技術(shù)的發(fā)展，這種區(qū)分已經(jīng)變得不明確隨著實驗技術(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名稱了，還有很多人沿用這兩個名稱A 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)時激發(fā)態(tài)可以躍遷到不同的基態(tài)時只要始態(tài)能級相同，相應的發(fā)只要始態(tài)能級相

18、同，相應的發(fā)光就有相同的衰減時間光就有相同的衰減時間發(fā)光的增長發(fā)光的增長ndtdn-I激發(fā)很弱時激發(fā)很弱時發(fā)光達到穩(wěn)定值的某一規(guī)定的百分數(shù)（如發(fā)光達到穩(wěn)定值的某一規(guī)定的百分數(shù)（如90）所需時間稱為發(fā)）所需時間稱為發(fā)光的上升時間光的上升時間發(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)光強成正比與激發(fā)光強成正比激發(fā)很強時激發(fā)很強時發(fā)光的上升時間，隨激發(fā)強度的增加而減小，而最大穩(wěn)發(fā)光的上升時間，隨激發(fā)強度的增加而減小，而最大穩(wěn)定值與激發(fā)光強無關(guān)定值與激發(fā)光強無關(guān)B B） 復合發(fā)光復合發(fā)光假設兩類載流了數(shù)目相等，都等于假設兩類載流了數(shù)目相等，都等于n n任何一個載流子都可以和異號的任何任何一個載流子都可

19、以和異號的任何個載流子復合個載流子復合實用上將熒光粉的亮度下降到激發(fā)停止的瞬間亮實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%10%所經(jīng)歷的時間稱作余輝時間所經(jīng)歷的時間稱作余輝時間顯示技術(shù)中常用的余輝劃分顯示技術(shù)中常用的余輝劃分為了適應人眼的頻率響應特性，家用電視要求為了適應人眼的頻率響應特性，家用電視要求2030ms以下的中（短）余輝熒以下的中（短）余輝熒光粉光粉顯示管一般要求顯示管一般要求50ms至數(shù)百毫秒的長余輝熒光粉至數(shù)百毫秒的長余輝熒光粉三基色熒光粉的余輝特性要求基本一致（有時需要特意引入適當?shù)拟鐒珶晒夥鄣挠噍x特性要求基本一致（有時需要特意引入適當?shù)拟鐒?，如如Ni，Co等）等）課堂練習課堂練習 激發(fā)光譜的橫坐標和縱坐標分別表示什么參量激發(fā)光譜的橫坐標和縱坐標分別表示什么參量 橫坐標：激發(fā)光的波長橫坐標：激發(fā)光的波長 縱坐標：特定波長（或譜帶）發(fā)射光的強度或光通量縱坐標：特定波長（或譜帶）發(fā)射光的強度或光通量 常見的激發(fā)光譜或發(fā)射光譜的縱坐標一般為相對強度常見的激發(fā)光譜或發(fā)射光譜的縱坐標一般為相對強度 工程上將激發(fā)停止后發(fā)光強度降低到起始值的工程上將激發(fā)停止后發(fā)光強度降低到起始值的 所需