2023年1101发光基础知识

第一讲发光材料的根底学问第一节发光光与电磁波辐射光是能量的一种形态，光的本质是电磁波，在波长范围极为宽广的电390~770nm。在那个446~492nm492~578nm578~592nm592~620nm，红色620~770nm。由单一波长组成的光称为单色光，事实上，严格的单色光几乎不存在，全部光源所产生的光均占据一段波带，有的可能很窄，例如，激光能够为是最接近抱负单色光的光源。波长超过可见光的紫色和红色两头的电磁辐射别离称为紫外辐射和红10nm，红外辐射的长波段人为地规1mm人眼的视觉特性光源与显示器件放射的可见光辐射刺激人眼引发的明暗和颜色的感觉，除取决于辐射对人眼产生的物理刺激外，还取决于人眼的视觉特性。发光成效最终是由人眼来评判的，能量参数并未考虑人眼的视觉作用，发光成效必需用基于人眼视觉的光量参数来描述。特地好地域分颜色。人眼的视觉特性和大脑区域的生理功能打算了客参观波刺激人眼而引发的主观成效。不同波长的光，人眼的感受程度不同，即人眼对各类颜色光感受的灵敏度是不同的，对绿光的灵敏度最高，而对红光的灵敏度要低得多。不同的观看者对各类波长的光的灵敏度也有所不同；而且，人眼对光感受的灵敏度还与观看者的年龄及安康状况有关，这会给光的气宇带来特地大的困难。因此，国际照明委员会〔CIE〕依照各国测试和争论的结果，提出平均人眼对各类波长的光的相对灵敏度值〔光谱光视觉函数。在亮度超过10cd/m2的环境里最大的视觉响应峰值在光谱绿区中的555nm1924的光谱光视效率。当环境亮度低于10cd/m2时，属于暗视觉的范围。眼睛适30min507nm。关于光辐射的探测和计量存在着辐射度学和光度学两种不同的体系。辐射度学适用于整个电磁辐射波段，是用纯客观的物理量，不考虑人眼的视觉成效来描述光辐射，通常常使用于非可见光区的辐射；光度学物理量是考虑了人的视觉郊外的生理物理量，能够反映人眼的视觉明暗特性，用于评判可见光区域的辐射。发光的本质当某种物质受到诸如光照耀、外加电场或电子束轰击等的激发后，只要该物质可不能因此而发生化学转变，它总要答复到原先的平稳状态。在那个进程中，一部份多余的能量会通过光或热的形式释放出来。假设是这部份能量是以可见光或近可见光的电磁波形式放射出来的，就称这种现象为发光。归纳地说，发光确实是物质在热辐射之外以光的形式放射出多余的能量，而这种多余能量的放射进程具有必定的持续时刻。发光现象的两个要紧的特点是：任何物体在必定温度下都有热辐射，发光是物体吸取外来能量后所发出的总辐射中超出热辐射的部份；当外界激发源对物体的作用停顿后，发光现象还会持续必定的时刻，称为余晖。近代物理争论说明，光的吸取和放射是原子〔分子或离子〕体系在不同能量状态间跃迁的结果。这一进程可分为两种：在没有外界作用的情形下处于基态的原子数量老是占绝大多数。当原子受到光子照耀时，处于低能态E1E2于激发态E2E1，放出相应的能量，那个进程称为自发放射〔图解发光进程〕发光的分类与应用1〕发光的分类对各类发光现象，可按其被激发的方式进展分类：光致发光、电致发光、阴极射线发光、辐照发光、化学发光和生物发光等。光致发光〔photoluminescence〕光致发光是指用紫外光、可见光或红外光激发发光材料而引发的发光现象。它大致通过吸取、能量传递及光放射三个时期。光的吸取及放射都发生于能级之间的跃迁，都通过激发态。而能量传递那么是由于激发态的运动。激发光辐射的能量可直接被发光中心〔激活剂或杂质〕吸取，也可被发光材料的基质吸取。在第一种情形下，发光中心吸取能量向较高能级跃迁，随后跃迁回到较低能级或基态能级而产生发光。在其次种情形下，基质吸取光能，在基质中形成电子—空穴对，它们可能在晶体中运动，被束缚在各个发光中心上，发光是电子与空穴的复合而引发的。当发光中心离子处于基质的能带中时，会形成一个局域能级，处在基质导带和价带之间，即位于基质的禁带中。不同的基质构造，发光中心离子在禁带中形成的局域能级的位置不同，从而在光激发下，会产生不同的跃迁，致使不同PDP发光材料和上转换发光材料。电致发光〔electroluminescence〕电致发光是由电场直接作用在物质上所产生的发光的现象。电致发光分为两种类型：一是本征型电致发光1936年，德斯特里奥效应导体p-np-n〔空穴〕会p(n)型材料区。如此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，从而发光。阴极射线发光〔cathodeluminescence〕是发光物质在电子束激发下所产生的发光。电子射入发光材料的晶格，由于一系列的非弹性碰撞而形成二次电子，其中一部份由于二次放射而损失掉，而大部份电子激发发光中心，以辐射或无辐射跃迁形式释放出所吸CRT发光。辐照发光辐照发光是指高能光子〔Xγ射线〕和高能粒子〔α粒子、β粒子、质子、中子〕辐照发光材料，与其中的原子、分子碰撞、使之发生电离，电离出的电子有特地大的动能，可连续引发其他原子的激发和电离，产生二次电子，通过电子—空穴复合或激子的迁移，把激发能传递给激活剂而发光。医院诊断用X其他发光应力发光是将机械应力加在某种固体材料上而致使的发光现象。比较猛烈的应力发光在地震时能够明显观看到，一些材料在断裂时常常可观看到发光现象，如SiONaCl、TiOSrTiO2 2 3化学发光是由化学反映进程中释放出来的能量激发发光物质所产生的发光现象。生物发光是指在生物体内，由于生命进程的转变，其相应的生化反映释放的能量激发发光物质所产生的发光。还有热释发光、光释发光、声致发光等。2〕发光的应用自然界的很多物体〔包括固体、液体和气体，有机物和无机物〕都具有发光的性能。就固体发光材料而言，其包括有机材料和无机材料两大类。目前无机发光材料的争论与应用已相当深切，稀土发光材料已趋于主导地位，而有机发光材料的争论正在蓬勃进展。要区分某一材料是不是发光并无明显的界限。一样条件下不发光的材料在超级强的激发下也可能有微弱的发光；有些材料需要提高纯度，发光才能增加；有些材料纯度高但需要掺入一些杂质才能有好的发光。在技术10-3。有的发光材料中含有不止一种杂质。通过杂质的掺入能够转变发光材料的性能，包括效率、余晖、光谱等，在电致发光材料中杂质还可用来转变导电类型和电阻率等参量。各类发光材料按必定的技术要求制成不同的发光器件，在外界的激发下发光。在利用发光材料和器件时，应领先了解它们的性能，然后依照具体需要打算实施方案。实际应用对发光材料和器件的要求主假设是发光效率、亮度、余晖及光谱等大体特点。利用发光作为光源是照明技术的一次革命。从古代的钻木取火到近代的白炽灯照明，尽管技术上有了飞跃的变革，但它们的原理完全一样，均依托热辐射。白炽灯在照明中起了极大的作用，但它在依托热辐射取得光15lm/W。而利用光致发光材料制成的日光灯作为照明光源，它不仅能够模拟太阳的100lm/W发光材料和器件的一项格外重要的应用是显示。显示技术在生产、军事、科学试验和日常生活中具有重要的应用，并成为人们生活之必需，其进展也极为快速。从家用的彩色阴极射线电视机到高清楚大屏幕的彩色等离子体平板显示器，从运算机显示屏得显示屏，品种繁多，目前正在往小型化、集成化和高清楚大屏幕显示方向进展。光电子学器件是利用发光器件和适当的光电器件等结合，能够实现全X图像转换器，实现图像贮存、光放大和规律电路、振荡器、放大器、继电器等功能的光电子学器件。发光在核辐射场的探测辐射剂量的记录方面也取得了普遍的应用，具有放射发光性能的闪耀体是组成闪耀计数器的要紧部件。而闪耀计数器是辐射场探测的重要方式之一。利用辐照发光和热释发光的原理制作的剂量计，在辐射剂量学中始终受到重视。另外，发光在农业上选种、工业中的分析、染色，医学诊断，水利勘探，和化学分析，分子生物学和考古学都有不同程度的应用。一、吸取光谱〔Absorptionspectrum〕吸取光谱是描述吸取系数随入射光波长转变的谱图。当一束光照耀到发光材料上时，一部份被反射、散射，一部份透射，其他的被吸取。只有被吸取的这部份光才能对发光材料的发光起作用。固然不是全部被吸取的各类波长光都能对发光有奉献即能起激发作用。发光材料对光的吸取遵循如下规律：I〔λ〕=I〔λ〕e-KX0 λ式中I

〔λ〕——波长为λ的入射光的初始强度；0I〔λ〕——入射光通过厚度为XK——吸取系数，不随光强但随波长转变的一个系数。λ发光材料的吸取光谱要紧打算于材料的基质，激活剂和其他杂质对吸取光谱也有必定的阻碍。多数情形下，发光中心是一个简洁的构造，发光材料基质晶格四周的离子对它的性质会产生阻碍。吸取能够是由发光材料基质晶格的空位所打算，空位是在发光材料的形成进程中产生的。被吸取的光能一部份辐射发光，一部份能量以晶格振动等非辐射方式消耗掉。大多数发光材料主吸取带在紫外光谱区。发光材料的紫外吸取光谱可由紫外—可见分光光度计来测量。二、漫反射光谱〔Diffusereflectionspectrum〕假设是材料是一块单晶，通过适当的光学加工，利用分光光度计并考虑到反射的损失，就能够够测得该材料的吸取光谱。可是大多数实际的发光材料并非单晶，而是粉末，并由众多的微小晶粒组成，这给精准测量吸取光谱带来特地大的困难。现在，只能通过测定材料的反射光谱来估量它对光的吸取。当光线投射到粗糙的外表时，光线向四周八方散射和反射，称为漫反射。一样粗糙外表、粉末漫反射就较强，反射光的总量与入射光的总量之比称为漫反射率。物体的漫反射率随入射波长而转变的谱图称为漫反射光谱，有时简称为反射光谱。通常，假设是材料对某波长的吸取强，反射率就低，反之，吸取弱，反射率就高。但绝不能以为漫反射光谱确实是吸取光谱。紫外—可见分光光度计上附有漫反射积分球、粉体盒和固体样品架，能够用来进展漫反射光谱的测量。3、激发光谱〔Excitationspectrum〕激发光谱是指发光材料在以不同波长光的激发下，该材料的某一发光谱线或谱带的强度或发光效率与激发波长的关系。激发光谱反映了不同波长的光激发的成效。依照激发光谱能够确信激发该发光材料使其发光所需的激发波长范围，并能够确信某发光谱线强度最大时最正确的激发光波长。激发光谱对分析发光的激发进程具有重要意义。通过吸取光谱〔或反射光谱〕和激发光谱彼此比较，不仅能够判定哪些吸取对发光有效，哪些是不起作用的，而且还能够了解材料的更多信息。4、放射光谱〔Emissionspectrum〕发光材料的放射光谱，有时也称为荧光光谱或发光光谱，是指发光材料在某一特定波长光的激发下，所放射的不同波长光的强度或能量散布。很多发光材料的放射光谱是持续谱带，但它常常由一个或可分解成几个峰状的曲线所组成。这些峰所对应的波长称为峰值波长。它用来描述荧光所含的要紧颜色。而有一些发光材料的放射光谱比较窄，称为窄带，乃至成为谱线。放射光谱与激发光的强度及波长有关，还与温度有关。激发光强度的阻碍表此刻发光材料有几个放射带时，每一个带的发光强度依照激发光的强度不同而异。五、谱线外形〔spectral-lineshape〕一样光谱的外形可用高斯函数来表示，即EE 0

0

)2]

νE为ν 0在峰值频率时相对能量；α0有些发光材料的光谱〔包括放射光谱、激发光谱、吸取光谱等〕在一较宽的波长范围内呈现持续的光谱带，称为带谱，而另一些发光材料的光谱由一条条线状放射组成的光谱，称为线状光谱，简称线谱。尽管线谱的每条谱线的波长范围都很窄，但照旧有必定的宽度。严格地说，带谱和线谱之间并无定量的分界限，而是人们感观的一种生疏。其缘由是由于原子体系中的各能级存在着固有宽度和原子热运动及原子之间〔光学〕碰撞等因素的阻碍，原子辐射出来的光谱线总有必定的频率〔或波长〕展宽，使光谱线中各个单色重量的强度随着频率的转变呈现出“钟形”散布，这种谱线强度按频率散布〔ν0在双侧，强度对称地下降。辐射频谱散布曲线上的两个半最大强度点之0间的波长之差，称为谱线宽度或常称为半宽度，简称线宽。典型的谱线外形有洛伦兹线形、高斯线形〔多普勒线形〕等，相应的线宽有洛伦兹线宽、多普勒线宽等。六、能级图众所周知，物质的原子由原子核和核外电子两部份组成，电子围围着原子核旋转，由量子理论能够得知，电子只能在某些符合必定条件的轨道上旋转，这些轨道称为稳固轨道或量子轨道。电子在这些稳固轨道上旋转时，完全不放出能量，而处于“稳固”状态。通常原子有很多轨道，不同轨道的电子所处的能量状态不同，形成不同的能级。电子的轨道离核越远，原子所含的能量越大。原子在稳固状态时，各电子都位于离核最近的相应轨道，这时原子所含的能量最低。当原子从外面取得能量时，某些轨道上的电子能够跃迁到具有较高能量轨道或能级上，而处于激发状态，整个原子也称为被激发的原子。当电子从较高能级跃迁到一个较低能级时，那么会放出能量，可能发光。放出的辐射能的频率E2E1

1E2E1式中，为普朗克常量，等于×10-27ergs依照量子理论，辐射能的吸取或放射不是持续的，而是一份一份地吸收或放射，每一份的辐射能〔也称量子〕EνE=，频率越大，亦确实是波长越短，量子的数值越大，能量越高。辐射光的量子，又称为光子。原子或分子和它们组成的体系有很多特定的，各不一样的能量状态，其中最低的能量状态称为基态，而能量高于基态的一切状态称为激发态。处于激发态的微观粒子均存在跃迁回基态的可能性，由于激发态不是最稳固状态。En的状态，这种情形称为能级简并，同一能级的不同状态数，称为该能级的简并度。与其相反，微观体系在电场、磁场等的作用下，使原先简并的能级割裂成n依照微观粒子〔包括原子、离子、分子或某些基团等〕体系允许具有的能量大小，由低到高地顺挨次用一些线段表示出来，那么称为体系的能级图。能级的数量是无穷的，通常只画出与所争论问题有关的能级的能级图。光谱与能级具有必定的联系，光谱是能级之间跃迁的宏观反映，并通过光谱的测定、分析，能够确信出能级的位置和构造。而能级那么是形成光谱的内在本质，依照能级能够推想光谱的位置、形态。利用光谱与能级能说明一系列发光的机理和规律。7、斯托克斯定律和反斯托克斯定律将光致发光材料的放射光谱和激发光谱加以比较，就会觉察，在绝大多数情形下，放射谱带老是位于相应的激发谱带的长波边。也确实是说，发光光子能量必定小于激发光的光子能量。发光物质的发光波长一样老是大于激发光波长，这一规律称为斯托克斯定律。激发光波长〔或能量〕与放射光波长〔或能量〕之差称为斯托克斯位移。或说发光的光子能量通常要小于激发光子的能量。2060~1000nm激发，能够取得红色、绿色乃至蓝色的发光。八、位形坐标图很多有关发光材料光谱的试验数据，能够利用简洁的位形坐标图〔简称位形坐标〕予以说明。位形坐标图是描述发光离子和它四周的晶格离子所形成体系的能量〔包括电子能量、离子势能和电子和离子间的彼此作用能〕与四周晶格离子位置之间关系的图形。自由离子的吸取光谱与放射光谱的能量一样，而且都是窄带谱或锐线谱。而晶体中的离子与自由离子不同，在晶体中的离子的放射光谱的能量均低于吸取光谱的能量，而且由于晶格振动对离子的阻碍多呈现宽带谱，与发光中心离子相联系的电子跃迁能够与基质晶体原子〔离子〕互换能量因此，发光中心离子与四周晶格离子之间的相对位置、振动频率和中心离子的能级都要受到晶体场的阻碍，由此可将激活离子和其四周晶格离子看做一个整体来考虑。由于原子的质量比电子大得多，运动也慢得多。因此，在电子的快速跃迁进程中，晶体中原子间的相对位置和运动速度，能够近似地以为大体不变，这常称为Frank-Condon坐标来表示一个体系：纵坐标表示晶体中发光中心的势能，它包括电子和离子的势能和彼此作用在内的整个体系的能量；横坐标表示中心离子和四周的一个笼统的位置概念。利用位形坐标能够定性地说明晶体发光中的一些问题。说明激发能和放射能之间的斯托克斯位移。说明吸取光谱在高温时谱带展宽。说明晶体发光的温度猝灭。说明材料不发光。说明激发光谱和放射光谱属于高斯散布线形。放射波长随温度转变。9、光通量〔totalflux〕光源在单位时刻、向四周空间辐射并引发视觉的能量，称为光通量，即光源所放射出光能量的速度或光的流淌速度，用Φ

表示，单位为流明ν〔l555nm650nm10引进的视觉刺激的强度。通常承受比较法〔光度法〕测试光源的光通量，马上待测光源与标准光源别离置于积分球内，别离测出它们的光电流，将积分球测量窗口安置修正滤色片，现在二者光通量的比即等于光电流之比，从而测出待测灯的光通量。另外光通量的测量还能够承受分光法，马上光源通过单色仪，测得其相对光谱能量散布，并与标准灯〔持续光谱〕相对光谱能量散布相较较，求出光源的光通量。假设采样距离等于单色仪狭缝通带函数的半宽度，承受分光法，利用分光法，利用光通量标准灯能够正确测得待测灯的光通量。假设采样距离不等于单色仪狭缝通带函数的半宽度，测量结果将存在系统误差，谱线功率越大，系统误差越严峻。关于同一类型的灯，可承受光度法对系统误差进展校正。10、发光强度〔Intensity〕光源某方向单位立体角内发出的光通量概念为光源在该方向上的发光强度，其单位为坎德拉c，是国际单位制七个大体单位之一，用符号表示。IΦν ν

/W，Wν用球面度来测量，单位为球面度S。Φ为光源在W总光通量l。在实际中，通常把用于争论的发光材料的发光强度和标准件用的发光材料的强度〔一样激发条件下〕相较较来表征发光材料的技术特性，现在所测量的发光强度为相对值。11、亮度〔Brightness〕亮度是光度学量，单位为尼特或坎德拉每平方米〔1nt/1cd/2颜色的明暗程度。光度学量是生理物理量，不仅与客观物理量有关，还与人的视觉有关。亮度表示的是发光体元外表dσ在其与法线成θ角的方向dΩB

d/(dcosd，Φ面遵循朗伯定律时，那么Bθ无关。1931CIE-XYZγk8()y()380k——常数；φ(λy()——CIE色度观看者光谱刺激值函数，也即人眼的光谱光视效率函数。亮度的测量方式一样可分为分光光度法和光电积分法。分光光度法是通过测量材料本身的光度特性，然后再由这些光谱测量数据通过计算的方式求得物体在各类标准光源和标准照明体下的亮度值。这种方式能够取得很高的精度，可是由于需要光谱扫描，因此所需时刻长，数据处置量大，系统要配备构造简洁的分光元件，体积浩大且对工作环境要求高。光电积CIEy(量一次仅测量某一波长的色刺激，而是在整个测量波长范围内进展一次积分测量。它的特点是速度快，由于它没必要像分光光度法那样先测量光谱散布，也免去了在整个可见光谱范围内的大量积分计算。而且只要光探测器的匹配精度足够好，那么光电积分法也具有相当高的测量精度。承受光电积分法，通过把光电探测器的光谱灵敏度匹配成人眼的光谱光视效率，利用

k8()y()Cy()S(()380一次完成测量进程，其中y() y()Sy()称为卢瑟条件。y关于长余晖发光材料，有两个很重要的指标，一个是初始亮度，也确实是激发光源关闭时的亮度值，一个是余晖时刻，也确实是发光在人眼可m2是人眼可视值的百倍，严格地说，激发照度激发时间这种情形很难实现，第一要求可视距离超级近，不然要求标志超级大；其次要求人在黑暗中要待上足够长的时刻才能适应四周环境，区分出光亮。因此在消防平安领域实际应用中，各标准、标准组织把m2激发照度激发时间标准德国标准/lx1000/min105min--10min2020min--60min日本标准20042083--国际海事组织--15--212、发光效率能量效率发光能量对吸取能量之比称为发光的“能量效率1EB 发光能量 E吸取由于发光材料吸取的能量有一部份转化为热量散失，因此能量效率值表征出激发能量转变成发光能量的完善程度。发光中心本体直接吸取能量时，发光效率最高。假设是能量被基质吸取，例如在复合型发光材料中，这时将形成电子和空穴，它们沿晶格移动时可能被“陷阱”俘获。电子和空穴被“陷阱”俘获和电子和空穴的“无辐射复合”都将使能量效率下降。量子效率除能量效率外，为表征被发光材料所吸取的激活能的转换效率，引进一个“量子效率”的概念。发光材料辐射出的量子数

〕与吸取的激发发光

〕之比称为量子效率吸取NNB 发光N量子吸取假设是以相应于辐射与吸取光谱的频率最大值υ和υ来表示，那么EB 能量 E

NN发光

发光 吸取B 发光量子吸取 吸取 吸取 吸取在量子效率的情形下，不考虑辐射光谱对吸取光谱斯托克斯位移时的能量损失。效率值事实上打算于发光材料的基质和制备工艺，除此之外，和掺入的杂质及激活剂的浓度也有关。量子效率还和激发条件、激发光波长、强度及温度等有关。流明效率荧光灯的发光效率通常以流明效率来表示。流明效率即是放射的光通量与激发时输入的光功率或被吸取的其他形式能量总功率之比，单位为流明瓦lm/，可用来表示荧光粉的发光效率。目前，一般白炽灯的光效约10-15lm/W、高色温钨白炽灯26-28lm/W、50-80lm/W80-100lm/W。13、色坐标〔Chromaticitycoordinate〕关于发光材料咱们通常会用发光颜色来描述，受到心理和生理方面的阻碍，人们对颜色的判定可不能完全一样，即便是正常视觉的人眼判定也可不能完全一样，为了刻画一种发光颜色，有时会给出其主放射峰，事实上如此也很难精准地描述一种发光材料，由于即便两种材料具有一样的主放射放射波长，事实上颜色也会有所不同。要定量地对一种颜色进展描述，而且用物理方式来代替人眼来测量颜色，就要用到色度图。荧光体的发光H0绿色〔y〕和红色〔z〕定量表示出来

〔x、00 0H xx yy zz0 0 0 0而x，y，z值所谓色坐标和平面方程有关xyz122xy来表示，就能CIE是比较完善和精准的系统。CIE1931部靠右的部份是红色域。由单光混合而成的全数颜色均沿着舌形区的边界限散布，舌形区的边界限称为光谱轨迹。紫色把代表红色的色度点和代表蓝色的色度点连接在一路，表示这两种颜色相混合时可能取得各类混合色的色度，其中包括部份红色和全部紫色的色度点。在这条线上混合色的饱100%。具有紫色相及紫色相邻的红色相的颜色称为非光谱色相色。除此之外，其他色相的颜色颜色称为光谱色相色。色度点在色度图中的位置反