发光物理学 课件 一、固体发光

《发光物理学》-----材料与器件北京理工大学物理学院纳米光子学与超精密光电系统北京市重点实验室1、《发光学与发光材料》，徐叙瑢、苏勉曾主编，化学工业出版社，20042、《无机光致发光材料及应用》，张中太、张俊英编著，化学工业出版社，20053、《固体光谱学》，方容川，中国科学技术大学出版社，2001参考书：考核方式考试：平时成绩（30%）+期末成绩（70%）第1章发光的定义及分类1.1发光的定义1.2发光的分类1.2.1光致发光1.2.2电致发光1.2.3阴极射线发光1.2.4X射线及高能粒子发光1.2.5化学发光1.2.6生物发光第2章基本物理过程及现象2.1光的吸收、反射及折射2.1.1固体中的光学常数2.1.2光在界面上的反射和折射2.1.3介电常数的色散和Kramer-Kronig关系2.2Einstein关系和Einstein自发辐射系数2.2.1Einstein关系2.2.2Einstein自发辐射系数2.3谱线的宽度和线形2.3.1非均匀线宽2.3.2均匀线宽2.3.3动态非均匀线宽第3章半导体的发光第4章分立中心的发光第5章特殊结构物质的发光第6章发光动力学问题的计算机模拟第7章发光在照明和其他光源中的应用第8章显示技术第9章发光在探测中的应用第10章主要发光材料第11章发光材料的制备第12章发光材料的表征及测量技术第13章视觉与颜色第14章发光分析第15章同步辐射原理与应用简介发光学的发展简介“发光材料与器件国家重点实验室”（华南理工大学，2011）主要研究方向：发现新现象、探索新原理、设计新材料和发展新技术。

发光学是凝聚态物理学的重要分支。传统意义上的发光学是着重研究凝聚态物质中的发光过程（LuminescenceProcesses）。1987年第8届国际发光学术会议上，将发光学研究领域的核心内涵拓展为研究凝聚态物质中与激发态相关的全部物理过程（Luminescence－ExcitedStateProcesses）。

发光学的研究内容涵括了凝聚态物质中的各种激发过程与元激发的产生及其动力学过程，激发态间的能量传递与能量输运过程，激发态与其它辐射场的相互作用过程及其能量转换过程，激发态到低能态的自发发射、受激发射与无辐射驰豫过程等物理过程。已成为认识与揭示凝聚态物质中的激发与能量转换过程客观规律的基础理论和基本方法。伴随着科学技术的高速发展，发光学与应用的结合变得越发紧密，并正在由基础物理科学向着与材料科学、信息科学、化学科学、生命科学、能源科学等多学科交叉的方向发展。发光学已成为研究、探索与发展高效发光、激光、光电显示、光电转换等新型光电功能新材料、新器件与新技术的理论基础与研究手段。并在光源新技术和信息显示新技术等产业领域起着引领和先导作用。中国首片自主研发8.5代TFT-LCD基板下线据人民日报客户端2019年9月18日报道，当天下午，中国首片8.5代TFT-LCD玻璃基板产品在安徽蚌埠正式下线，这标志着我国自主研发的该产品将实现工业化生产。TFT-LCD玻璃基板是液晶显示面板的核心部件，是电子信息显示产业的关键战略材料，其生产控制精度与半导体行业相当，代表着目前全球现代玻璃规模化制造领域的最高水平。近年来，我国光电显示产业发展迅速，以京东方、华星光电、惠科集团、中电熊猫为代表的液晶面板生产商已在国内建设多条8.5代(尺寸：2.2m×2.5m)TFT-LCD面板生产线，我国已成为全球最大的信息显示产业基地，年需8.5代及以上TFT-LCD玻璃基板3.8亿平方米。一、固体发光学；二、磷光与荧光三、上转换材料及其发光机理四、发光材料与器件基础五、比尔定律；

六、稀土发光材料七、能量传递与输运八、光致发光；

九、电致发光十、LED-激光发光原理通过深入浅出的讲解使同学们对光与物质相互作用的基本物理现象；固体发光的条件、过程和规律；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用等有一个较为全面的认识和了解。课程目的与任务课程内容目录（1）“有光的发射就是发光”，这一说法是否正确？（错误）（正确）（2）激发停止后，发光一定会延续一段时间。（3）阴极射线发光，是由电子束（阴极射线）发射的。（4）日光灯和PDP荧光粉的发光都是光致发光。（1）发光材料要发光就必须首先吸收能量。（2）一般来说，发光材料的量子效率不超过100%。（3）无辐射跃迁会降低材料的发光效率。（正确）（正确）（正确）（4）发光经历的物理过程按下列顺序发生：激发辐射跃迁无辐射跃迁能量传递。课堂练习第一章绪论发光：即Luminescence一词，作为一个技术名词，是专指一种特殊的光发射现象。自然界很多物体（包括固体、液体和气体，有机物和无机物），都具有发光的性能。如发光水母一样的“希望树”种子；郁郁葱葱、奇妙的发光森林；可当房子居住的参天巨树；色彩斑斓神气活现的茂密雨林……影片《阿凡达》：男主角杰克潘多拉星球AVATAR

非洲北部有一种发光树，白天与普通树没区别。但每到晚上，从树干到树枝通体会发出明亮的光。由于这种树发出的光比较强烈，当地人经常把它移植到自家的门前作为路灯使用。在夜间，人们可以在树下看书甚至做针线。发光树：（科学家解释：这种树之所以会发光，是因为其树根特别喜欢吸收土壤中的磷。这种磷会在树体内转化成磷化氢，而磷化氢一遇到氧气就会自燃，从而使得树身磷光闪烁。）

发光树不仅在非洲有，在乌克兰西部甚至有一个能在夜间发出奇光的“发光森林”。长约1.8万米，宽约5000米。白天看起来与一般森林没有什么两样，可是一到夜间，整个树林像用荧光粉涂过一样闪着耀眼的光。据称，这片森林不仅会发光，如果人靠近的话，还会有一种热乎乎的感觉。更加奇怪的是，这片林子里没有任何飞禽走兽，甚至连昆虫都没有。（科学家猜测：这一地区可能有强烈的放射性辐射，草木吸收这些放射性元素后，也产生了发光效应。）

发光树：几年前，我国江苏省丹徒县高桥乡发现了一棵会发光的柳树，每当夜晚来临时，它便闪烁着淡蓝色的光芒，即使在狂风暴雨之夜，也不熄灭。据英国《每日邮报》报道，2013年，科学家正在培育一种“生物发光树（Glowingtrees）”，未来它将成为天然的路灯，而无需电能供给。非常环保。英国剑桥大学的研究小组正在研制一种特殊的基因，该基因具备萤火虫的生物发光特征，未来可植入不同类型的生物体。如果利用该基因培育树木，它将有效地替换传统路灯，生物发光植物还将为那些没有输电网络的居民带来生活便利。萤火虫

栉水母生物界说到发光，首先想到萤火虫，除此之外大自然中还有许多能够发光的生物，如一些生活在海里的鱼、虾、水母、珊瑚、贝类和蠕虫等。百慕大三角洲发现的荧光虾日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。发光蚯蚓美国南部生活着一种长达45厘米的发光蚯蚓。这种蚯蚓一旦被伤害，就会分泌出闪烁着蓝光的黏液。铁路蠕虫身上长有两种不同的发光器官。仿佛圣诞树一般，头部发出红光，身子闪烁绿光。通常能强烈发光的植物多是低等菌类植物(如细菌、真菌和藻类植物)。平时也会见到一段发朽的树桩、木块，能够在黑暗中发出蓝白色的荧光，研究发现，树桩已被假蜜环菌寄生，它能使木材腐烂，还分泌一些能分解木材的酶，这些酶可以将纤维素、木质素转化为真菌能够吸收的小分子物质，假蜜环菌的菌丝细胞得到这些食物后就开始不停地繁衍、长大，同时积累大量能够用来产生荧光的物质。

这些带荧光的物质在荧光酶的催化作用下进行生物氧化，并把化学能转化为光能，就是我们看到的这种生物发光了。荧光菌发光蘑菇发光菌类植物：古代“夜明珠”，是指能够在夜晚（或暗室中）自行发光的天然物体。而且这种光是人用肉眼能够直接看到的光。萤石（Fluorite）

夜明珠：发光原理矿物内的电子在外界能量的刺激下，会由低能状态进入高能状态，当外界能量刺激停止时，电子又由高能状态转入低能状态，这个过程就会发光。萤石在日光灯照射后可发光几十小时，这种光相对微弱，白天看不见，夜里看很亮。

20世纪40年代，前苏联科学家基利安夫妇发现：在置于高频电场中的生物体周围，会闪动着色彩绚丽的光环和光点，而当生物体死亡后，这种光环和光点也随着消失。人们把这一现象称之为“基利安效应”或“生命之光”。同法研究人体，惊奇的发现人体的各部位发出的光有不同的颜色：手臂是蓝色的、心脏是深蓝的、臀部是浓绿色的。更有趣的是，人体某些部位发出的光非常强，恰好与古代中国人发现的700多个穴位相对应。人体会发光吗？与基利安一起工作多年的阿达盂柯，将新鲜树叶切除多达10%，但是在其辐射场摄影照片上，仍能清晰地看到被切除的部分，只是较暗淡一些而已。这又是一桩怪事。是什么原因造成这些奇妙的“生命之光”呢？众说纷纭，主要有以下几种：一种认为：由于活体周围存在着能量环流，这些能量环流或许是以“生物等离子体”的形式存在的。生物等离子体有其特殊的空间结构。对于人体来说，与情绪、生理等多种原因有关。而基利安现象正反映了这些“生物等离子体能量”的分布情况。另一种观点认为：由于生物体在高频电压电场内，发射出高速带电微粒流。这些高压带电粒子与空气分子碰撞，使空气分子电离，当正离子密度足够大时，由于复合导致发光，因此光图像随着电场分布而变化。而人们的心理状态、生理状态等也影响这一生物电场的分布。至于怎样解释生物体表面各部分光图像的颜色和强度的显著差别，仍各说不一。还有人认为可从人类未知的能量状态和未知的辐射角度或从气功、针灸等古老实践与基利安效应的明显联系上去探求答案。最近，一则新闻报道称：日本科学家通过一个实验，发现人体可以发出一种微弱的可见光，而且光的强度在一天内还会起伏波动，发光最弱的时候是上午10点，发光最强的时候是下午4点，之后逐渐变弱。这些发现显示，发光和我们的生物钟有关，最可能与我们的代谢节律在一天中的波动状况有关。

面部发光比身体其他部位发出的光更多。这可能是因为面部比身体的其他部位日晒更多，它们接受了更多的阳光照射，肤色中的黑色素有荧光成分，这可能会增加光的“产量”。人的身体真的会发光吗？下午4点时发光最强?History1879,Incandescentlightbulb1959,halogenlamp(卤钨灯)1969,redLED1962,metalhalidelamp1961,highpressuresodiumlamp1976,greenLED1983,fluorescentlamp1993,blueLED1999,whiteLEDoillampindoorlighting发光材料手电、路灯信号灯汽车灯大屏幕手机背光源阴极射线一、发光现象二、激发方式三、发光材料（1）发光与热辐射的区别（2）发光与其他非平衡辐射的区别发光体受外界作用而发光,发光学中称这种作用为“激发”。根据激发方式，区别发光类型。发光材料是指能够以某种方式吸收能量，将其转化成光辐射（非平衡辐射）的物质材料。概括说：发光是物体内部以某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程。当某种物质收到激发（射线、高能粒子、电子束和外电场等）后，物质将处于激发态，激发态的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分的能量是位于可见、紫外或是近红外的电磁波辐射，此过程称之为发光过程。物体发光的条件、过程和规律；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用；以及光和物质的相互作用等基本物理现象。一、发光现象发光学内容32发光的定义固体中的电子受到外界能量的激发(如光吸收），从基态跃迁到激发态，这是一种非平衡态。处于激发态的电子具有一定的寿命，以一定几率回落到基态，并把多余的能量以各种形式释放出来。如果以光能的形式释放，称为发光过程。任何物体在一定温度下均有热辐射（热发光）。为了区分其它发光形式与热发光，严格的固体发光概念不包含热发光。发光现象有两个主要特征：发光为固体吸收外界能量后，所发出的总辐射超出热发射的部分。（发光的定义，指出了与热辐射的区别）外界激发源对物体的作用停止后，发光现象会持续一段时间。（发光与散射、反射等现象的区别）并非一切光辐射都称为发光。发光是光辐射一部分。(发光为固体吸收外界能量后，所发出总辐射超出热发射的部分。)**注意**：平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。非平衡辐射：在某种外界作用激发下，物体偏离原来的热平衡态所产生的辐射。发光是其一种。光辐射=平衡辐射+非平衡辐射起因于物体的温度（T）。热平衡(准平衡),相应于热辐射。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。热辐射是一种平衡辐射，基本上只与温度有关，而与物质本身无关。热辐射：温度在0K以上的任何物体都有热辐射，但温度不够高时辐射波长大多在红外区，人眼看不见。物体的温度达到5000℃以上时，辐射的可见部分就够强了，例如烧红了的铁，电灯泡中的灯丝等等。（1）发光与热辐射的区别：

开始不发光→→→黄白色橙色暗红发光：叠加在热辐射之上的一种光发射。发光材料能够发出明亮的光，而它的温度却比室温高不了多少。因此，发光有时也被称为“冷光”。炼钢的热辐射非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射、散射等。光辐射的特征一般可用5个宏观光学参量描述：亮度、光谱、相干性、偏振度和辐射期间。（2）发光与其他非平衡辐射的区别：亮度：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射。光谱改变及非相干性：不仅在发光中存在，在联合散射和康普顿-吴有训效应中也有。而且，作为在特定条件下的发光，如激光（受激发射）及超辐射（特殊条件下的自发发射），具有相干性。偏振度：在发光现象中并没有带普遍性的特点。辐射期间：是判据。发光有一个比较长的延续时间(Duration)，这个延续时间有长有短，总之都比反射、散射的持续时间长很多。辐射期间：

辐射期间是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。此延续时间长可达几十小时，短也有10-10秒左右，总之都比反射、散射的持续时间（~10-14秒）长很多。在激发（Excitation，即外界作用）停止后发光不马上消失而是逐渐变弱，这个过程称为余辉（afterglow）。荧光(Fluorescence)VS.磷光(Phosphorescence)无机物发光领域这两词仍没有严格区分，甚至混淆。但在有机物发光中，分子从单态（singletstate）跃迁到基态（也是单态）的发光叫荧光；从三重态（tripletstate）跃迁到基态的发光叫磷光，这是不容混淆的。值得注意的是，此处的10-10秒数量级指标有点任意性，依赖于技术测量水平。随着科技的发展，测量时间已突破飞秒（10-15秒）。实测到的发光弛豫时间短到皮秒（10-12秒）的例子已不少。对于除了发光中心之外，还有敏化中心的情况来说名称激发方式光致发光光的照射电致发光气体放电或固体受电的作用阴极射线发光电子束的轰击放射线发光核辐射的照射X射线发光X射线的照射摩擦发光机械压力化学发光化学反应生物发光生物过程发光体受外界作用而发光,发光学中称这种作用为激发。根据激发方式，区别发光类型。二、激发方式用光激发产生的发光。光源波长可以从紫外-可见-红外波段。光致发光PL(Photoluminescence)

应用1：固体激光器和日光灯，即作为光源。新型长余辉材料SrAl2O4:Eu,Dy，过去是ZnS:Cu型或碱土金属硫化物类。应用2：物理上，可用从紫外-红外各波长来激发，可研究物质结构和它接受光能后内部发生的各种变化过程（包括固体中的杂质和缺陷以及它们的结构、能量状态的变化，激发能量的转移和传递，以至化学反应中的激发态过程、光生物过程等等）。荧光灯白光LED上转换材料实例1：发光二极管(light-emittingdiode,LED)LED是半导体的电致发光，利用电流通过p-n结发光。LED已是家用电器上不可缺的元件，家喻户晓。（“少数载流子的注入发光”）LED也用于大屏幕显示。实例2：夹在两平行板电极间薄层材料产生的发光。可用于计算机液晶显示屏的背照明。(材料可以是蒸发的薄膜，也可以是和绝缘材料混合涂敷的发光粉末；所加电压可以是交流或直流。)

（“多数载流子被加速碰撞发光中心的发光”）电致发光EL（Electroluminescence）

用电场或电流产生的发光，最初译成“场致发光”。过去，高亮度电致发光主要是由无机材料产生的。八十年代后期，在有机材料中也获得了明亮的p-n结发光，其相应研究也蓬勃开展起来。如：电弧放电、火花放电、辉光放电是电子束激发的发光。应用：电视显像屏，当然还包括计算机、电子显微镜和各式各样电子仪器的显示屏。阴极射线发光CL(Cathodoluminescence)

70年代还发现了一种低到几伏至几十伏的电子激发的发光，叫做低能电子发光，资料中也常称为真空荧光(Vacuumfluorescence)。不过能产生这种荧光的物质极其有限，迄今为止，能实际应用的只有ZnO一种。但从事显示研究的科技人员仍对之很感兴趣，因为它们亮度极高。目前市场上仍然有产品。所使用的电子能量常在几千至上万eV。高能电子束进入发光体后撞击晶格，产生数量增多的电子(次级电子)，次级电子又会产生…能量不断减小，数量倍增。最后大量、能量只有几个eV的电子激发发光材料的效率达到最大，材料因此强发光。放射线发光RL(Radioluminescence)

应用：医用X光透视屏和摄像增感屏。是各种射线（如α、β、γ等核辐射）激发的发光。应用：辐射剂量计。

X射线发光RL(Radioluminescence)

上述射线都是高能量的，主要是通过产生的次级电子激发发光。辐射防护服工作原理自然界中的一切物体,只要温度在绝对温度零度以上,都以电磁波的形式时刻不停地向外传送热量,这种传送能量的方式称为辐射。物体通过辐射所放出的能量，称为辐射能。辐射按伦琴/小时(R)计算。辐射可以分为粒子辐射和电磁波辐射，其中粒子辐射包括中子辐射、质子辐射和电子辐射等，电磁波辐射分为X射线、紫外线和微波辐射等。这些辐射对人体的危害较大，其中电磁波辐射和中子辐射比较难防护。

辐射防护服应该具有良好的导电性能，还要有很好的加工性能，生产此种防护服的材料有金属纤维及其混纺交织织物、真空镀层织物、金属涂层织物、硫化铜织物和化学镀金属织物等。电磁辐射的两种类型：电离辐射和非电离辐射。电离辐射包含足够电磁能量，足以使原子和分子与组织分离，并改变人体内化学反应，伽马射线和X射线是两种形式的电离辐射；非电离辐射一般情况下是安全的，非电离辐射产生一些热效应，但是通常不足以对组织产生任何类型的长期损害，射频能量、可见光和微波辐射被认为是非电离辐射。因为电磁场在导电介质中传播时，其场量（E和H）的振幅随距离的增加而按指数规律衰减。从能量的观点看，电磁波在导电介质中传播时有能量损耗，因此，表现为场量振幅的减小。导体表面的场量最大，愈深入导体内部，场量愈小。这种现象也称为趋肤效应。利用趋肤效应可以阻止高频电磁波透入良导体而做成电磁屏蔽装置。一般采用电导率高的材料作屏蔽体，并将屏蔽体接地。它是利用屏蔽体在高频磁场的作用下产生反方向的涡流磁场与原磁场抵消而削弱高频磁场的干扰，又因屏蔽体接地而实现电场屏蔽。屏蔽体的厚度不必过大，而以趋肤深度和结构强度为主要考虑因素。电磁屏蔽是抑制干扰，增强设备的可靠性及提高产品质量的有效手段。合理地使用电磁屏蔽，可以抑制外来高频电磁波的干扰，也可以避免作为干扰源去影响其他设备。如在收音机中，用空芯铝壳罩在线圈外面，使它不受外界时变场的干扰从而避免杂音。音频馈线用屏蔽线也是这个道理。示波管用铁皮包着，也是为了使杂散电磁场不影响电子射线的扫描。在金属屏蔽壳内部的元件或设备所产生的高频电磁波也透不出金属壳而不致影响外部设备。应用：紧急照明等。如市场上产品，一种含两种隔离开化合物的透明容器，在需要时消除隔离使之混合产生化学反应而发光。这种产品能持续发光半小时以上，并有足够亮度。化学发光

(Chemiluminescence)生物发光

(Bioluminescence)是指生物体发光或生物体提取物在实验室中发光的现象。它不依赖于有机体对光的吸收，而是一种特殊类型的化学发光，化学能转变为光能的效率几乎为100%。也是氧化发光的一种。生物发光的一般机制是：由细胞合成的化学物质，在一种特殊酶的作用下，使化学能转化为光能。中国科大仿萤火虫高强度长时间化学发光（Nat.Commun.,2017,DOI:10.1038/s41467-017-01101-6）万米深渊的海底都生活着形形色色、光怪陆离的发光生物“荧光海滩”又称“火星潮”，由发光浮游生物形成，这一现象是在马尔代夫蜜月旅行的Will

Ho意外在海边发现的，之后人们开始将这片发光海滩称为“蓝眼泪”。摩擦发光(Triboluminescence)是指某些固体受机械研磨、振动或应力时的发光现象。例如蔗糖、酒石酸等晶体受挤压时发出闪光；合成的磷光体CaPO4:Dy3+用指甲划痕，可观察到很强的发光等。摩擦发光还泛指如下的发光过程：①应变激发发光[1]。压电固体在受到研磨或振动时发生应变，因压电效应产生高达10伏/厘米的局部场，场区因齐纳击穿产生电子空穴时，当它们复合时发出光来。也可能有一部分电子（或空穴）被陷阱俘获，然后热释发光，称为摩擦热释发光。②有的半导体（例如硅）受机械力而断裂时，可见到蓝色闪光，它是由断裂的清洁表面上形成表面态以及载流子在表面态上的重新排列引起的，也可能是断裂表面间的弧光放电引起的发光。撕胶带时产生的发光发光陀螺原理1:内部装有电池,有一个离心开关；2:当陀螺旋转起来后，离心开关接通，内部闪光电路工作。闪光电子陀螺是一种从古代一直流传到今天的小玩艺。闪光电子陀螺则是现代科技与传统相结合的新颖电子玩具，它既保留了陀螺古朴的内涵，又体现了现代电子科技的诱人魅力，上图是电子陀螺的电路图。IC是一种非常特殊的声光集成电路，它直接驱动5只发光二极管轮番闪亮，每只发光二极管闪亮的时间长短、闪亮的先后顺序，都没有规律，也可以说是完全随机的。当电子陀螺转动时，振动开关SB由于惯性作用会自动闭合，触发IC工作，D1～D5逐一轮番闪亮，展现出一幅幅不同的图案或字符。该IC还可用于制作魔幻指挥棒等新奇产品，如国外用它生产的一种警察用的夜间指挥棒，当用力一挥，指挥棒就显示“STOP”字样，非常有趣。

声致发光(Sonoluminescence)：物体在高频声波作用下产生的发光现象。例如：液体受超声波作用产生类似旋涡中的空腔，使连续性的液体断裂，因此声致发光也可看做是物体因断裂引起的一种摩擦发光。气泡破裂发生的声致发光现象微等离子体，被认为是声致发光现象产生的源头。当强大的声波作用于液体的时候，液体中会产生一种“声空化”现象——在液体中产生气泡，气泡随即坍塌到一个非常小的体积，内部的温度可以超过10万摄氏度，过程中会发出瞬间的闪光。这就是被称为“声致发光”的一种现象。声波导致气泡的产生缓慢膨胀急速压缩发光发光材料是指能够以某种方式吸收能量，将其转化成光辐射（非平衡辐射）的物质材料。

物质内部以某种方式吸收能量，将其转化成光辐射（非平衡辐射）的过程称为发光。在实际应用中，将受外界激发而发光的固体称为发光材料。它们可以以粉末、单晶、薄膜或非晶体等形态被使用，主要组分是稀土金属的化合物和半导体材料，与有色金属关系很密切。发光材料发光材料的应用照明光源：荧光灯中的荧光粉、LED照明显示与显像：电视机（阴极射线管，等离子体平板电视）、LED大屏幕显示、交通指示。高能物理辐射探测：高能物理与核物理实验。核医学成像：计算机CT、单光子发射计算机断层成像术(Single-PhotonEmissionComputedTomography，SPECT)和正电子发射断层成像术(PositronEmissionTomography，PET)等。发光材料用于探测X射线或γ射线。示踪剂和标记物：生物医学领域，认识生命过程，例如荧光量子点。。。。。。。发光背景知识发光材料的形态原子能级及跃迁固体能带基本理论发光材料的要求、构成发光的表征晶体理想晶体是由许多质点（包括原子、离子、分子或原子群等）在三维空间作有规则排列而成的固体物质。晶体的外形具有一定的对称性，反映了晶体粒子在内部的规则排列。晶体包括单晶和多晶：单晶：整个晶格是连续的。多晶：由大量小单晶颗粒组成的集体。每个小晶粒的尺寸为微米量级，呈现出粉末状态，如荧光粉。晶体材料具有高的发光效率，是发光材料的主要形态。发光材料的形态：晶体、非晶、纳米晶和薄膜Bi4Ge3O12(BGO)单晶医学成像用闪烁体用于探测X射线γ-CuI单晶闪烁体用于超快X射线探测(ColorRenderingIndex)是一种描述光源呈现真实物体颜色能力的量值。光源的演色性越高，其颜色表现就越接近理想光源或自然光。非晶非晶：组成物质的原子或离子排列不具有周期性，如玻璃，有时称作无定形材料。非晶中质点的分布类似液体，所以非晶质体也可被认为是过冷液体，因此严格说来只有晶体才是固体。晶体与非晶的不同点在于晶体的内部质点排列是有规律的，长程有序，具有固定熔点，而非晶内部质点排列是无规律，长程无序但一般短程有序，没有固定熔点。掺Tb3+发光玻璃用于闪烁探测非晶材料由于缺陷较多往往发光强度受到一定限制，但有些材料非晶态的制备比生长单晶容易且廉价，也被用作发光材料，例如玻璃闪烁体。纳米晶颗粒尺度小于100nm的晶粒组成的发光材料。与多晶材料（尺度～微米量级）相比，其尺度可以更小。颗粒尺度的减小，具有更大的比表面积，表现出较为明显的量子限制效应，对于提高发光强度，调节发光波长具有特殊作用。纳米晶可以单独存在，也可以掺入玻璃材料中，形成纳米晶玻璃。薄膜在合适的衬底上镀上发光材料，可以制备出发光薄膜。这层发光材料的形态可以是单晶、多晶甚至是非晶。某些应用场合需要采取薄膜的形态。原子的能级由量子力学得出的氢原子能级图（右图所示）玻尔理论的一条能级对应于电子的一种轨道量子力学的一条能级，则对应于电子的一种状态；每个状态用量子数n,l,m，ms

来描述。6

51234能级:粒子的内部能量值高能级:能量较高的能级低能级:能量较低的能级基能级:能量最低的能级(相应的状态称基态）激发能级:能量高于基能级的其它所有能级(相应状态称激发态)6

51234激发态基态辐射跃迁和非辐射跃迁1.跃迁:粒子由一个能级过渡到另一能级的过程2.辐射跃迁:粒子发射(或吸收)光子的跃迁(满足跃迁选择定则)①发射跃迁:粒子发射一光子ε=hγ=E2－E1而由高能级跃迁至低能级;②吸收跃迁:粒子吸收一光子ε=hγ=E2－E1而由低能级跃迁至高能级.E2E1E2E13.无辐射跃迁:既不发射又不吸收光子的跃迁(通过与其它粒子或气体容器壁的碰撞、或其它能量交换过程)4.亚稳态:若某一激发能级与较低能级之间没有或只有微弱的辐射跃迁,则该态的平均寿命会很长(≥10-3秒),称亚稳能级,相应的态为亚稳态。一般的原子能级寿命

10-8~10-9S

如H原子：2p态的能级寿命

0.16×10-8S3p态的能级寿命

0.54×10-8S。

亚稳态：如He原子的两个亚稳态能级

(20.55eV)：~10-4S(19.77eV)：~10-6S

原子光谱的产生

物质由同种或不同种原子组成，每种原子都有一定的结构。在一定条件下，气态原子能够从外界获得一定的能量而被激发，辐射出波长不连续的光谱(原子光谱），可以通过测量原子光谱的波长和强度进行物质分析。量子力学认为，原子光谱的产生，是原子发生能级跃迁的结果，而跃迁几率的大小则影响谱线的强度,并决定了跃迁规则。一、量子数1.主量子数n描述原子中电子出现几率最大区域离核的远近(电子层数);决定电子能量高低。取值：n=123456……电子层符号KLMNOP……对于氢原子，其能量高低取决于n但对于多电子原子，电子的能量除受电子层影响，还因原子轨道形状不同而异（即受角量子数影响）。2.角量子数l[“轨道角动量量子数”]，它决定了原子轨道或电子云的形状或表示电子亚层（同一n层中不同分层）。其意义:在多电子原子中，角量子数与主量子数一起决定电子的能量。之所以称l为角量子数，是因为它与电子运动的角动量M有关。如M=0时，说明原子中电子运动情况与角度无关，即原子轨道或电子云形状是球形对称的。角量子数，l只能取一定数值

l

=01234……(n-1)电子亚层spdfg说明M是量子化的，其具体物理意义是：电子云（或原子轨道）有几种固定形状，不是任意的。如：spdf

球形对称哑铃形花瓣形180

，90棒锤形第一电子层仅有ls电子，（l=0）第二电子层有2s，2p电子（l=0,1）第三电子层有3s,3p,3d电子（l=0,1,2…）依此类推。F轨道（l=3,m=+3,+2,+1,0,-1,-2,-3)。m七种取值，空间七种取向，七条等价（简并）f轨道。(3)磁量子数m[“轨道方向量子数”ml]决定波函数(原子轨道)或电子云在空间的伸展方向，决定角动量在空间的给定方向上的分量大小。m取值：m=0,±1，±2，±3……±l例：n=2，

l=0,1；m=0,±12px,2py,2pz

三种情况三个轨道的能量是相等的（简并轨道），但在外磁场作用下，可发生分裂，出现微小的能量差别。以上2px,2py,2pz，我们称为三个原子轨道。即代表核外电子的三种运动状态，例如2pz表示，核外电子处于第二电子层，是哑铃形，沿z轴方向分布。由此可深刻理解三个量子数n,l,m决定核外电子的一种空间运动状态。当l=0时，m=0球面sorbital当l=1时，m=0,±1

双叶轨道Pz轨道dxyorbitaldxzorbitaldyzorbitaldx2-y2

orbitaldz2orbitall=2，

m=0,±1,±2当l=3时,f轨道

fy3,fx3,fz3

(从左至右）fx(z2-y2),

fy(z2-x2),fz(x2-y2)

fxyz

f轨道角度分布图lm空间运动状态数00s轨道一种1+1，0，-1p轨道三种2+2，+1，0，-1，-2d轨道五种3+3，+2，+1，0,-1,-2,-3f轨道七种注意：m=0,表示一种状态。对s电子来讲，仅一种球形对称的电子云，对其它电子来说，习惯上把m=0，规定为z轴方向分布磁量子数m与角量子数l的关系(4)自旋方向量子数msms称自旋量子数ms=

1/2,表示同一轨道中电子的二种自旋状态，即仅有两种运动状态。（↑顺时针、↓逆时针）用分辨力较强的光谱仪观察氢原子光谱时，发现大多数谱线是由靠得很近的两条谱线组成的。这是因为同一空间运动状态（即同一轨道）中，可能有两种电子运动状态，即电子还有自身旋转运动（类似于地球绕太阳转，自转）。

综上所述，若描述核外电子的运动状态，需要四个量子数,即n,l,m,Ms。注意:n,l,m可描述核外电子的一种空间运动状态,即一个原子轨道。每个原子轨道中能容纳两个自旋相反的电子。主量子数与角量子数的关系

n1234电子层KLMNl0010120123亚层1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f角量子数与电子亚层、轨道形状的对应关系角量子数

01234···亚层符号spdfg···轨道形状球形哑铃型花瓣型·········主量子数n决定原子轨道的大小（即电子层）和电子的能量。角量子数l决定原子轨道（或电子云）的形状同时也影响电子的能量。磁量子数m决定原子轨道（或电子云）在空间的伸展方向。自旋量子数ms决定电子的自旋方向。思考题1：当n=3时，l,m分别可以取何值？轨道的名称怎样？思考题2：第二层中的8个电子，你可以分别用四个量子数表示它们的运动状态吗？思考题：1.对于3S电子来说，下列表示法中正确的一组量子数是（）？A.（3，0，0，+1/2）;B.（3，0，1，+1/2）C.（3，1，1，+1/2）;D.（3，1，0，+1/2）2.下列电子的量子数合理的是（）？A.（4，3，0，+1/2）;B.（4，3，4，+1/2）C.（4，2，3，+1/2）;D.（4，1，4，+1/2）3.在l=2的电子亚层中有几条原子轨道？A.（1）;B.（3）；C.（5）;D.（7）4.在多电子原子中，下列各电子具有如下量子数，其中能量最高者是（）？A.（2，1，0，-1/2）;B.（3，1，0，+1/2）C.（3，1，1，+1/2）;D.（3，2，-2，+1/2）二、简并及简并态1.简并——与同一能级对应的有两个或两个以上的状态2.简并度g——同一能级所对应的不同电子运动状态的数目。3.简并态——同一能级的各状态称为简并态例：计算1s和2p态的简并度原子状态nlmlms简并度1s100g1=22p2110-1g2=6

电子n=3态，有几种简并态？角动量有3种每种角动量空间取向有2l+1种电子还有2种自旋所以共有18种一般结论:简并态sssPPd三、原子状态的标记原子中核外电子的排布要遵守泡利不相容原理、能量最低原理一个原子内不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的状态。（或说，一个原子内不可能有四个量子数完全相同的电子）（或说，不可能有两个或两个以上的电子处于同一个量子态）1.泡利不相容原理

电子填充各壳层的次序是：1s，2s，2p，3s，3p，4s，3d，4p，5s，4d，5p，6s…电子填充顺序洪特规则两方面的含义：一是电子在原子核外排布时，将尽可能分占不同的轨道，且自旋平行；二是对于同一个电子亚层，当电子排布处于：全满（s2、p6、d10、f14）半满（s1、p3、d5、f7）全空（s0、p0、d0、f0）比较稳定。德国人弗里德里希·洪特（F.Hund）根据大量光谱实验数据总结出来的一个规律，即电子分布到能量简并的原子轨道时，优先以自旋相同的方式分别占据不同的轨道，因为以这种排布方式原子的总能量最低。所以在能量相等的轨道上，电子尽可能自旋平行地多占不同的轨道。当电子排布在同一能级的不同轨道时，总是首先单独占一个轨道，而且自旋方向相同。相同

n,l组成一个次壳层对应于l=0,1,2,3,…的各次壳层分别记做s,p,d,f,g,h…3.原子的电子组态符号例:

钠原子有11个核外电子，钠原子基态的电子组态为n≥3的激发态的钠原子电子组态为等等这10原子称原子实。原子实以外的电子称为价电子，“价电子”可以被激发1s22s22p63s1s22s22p6（1s22s22p63p）（1s22s22p63d）（1s22s22p64s）基态电中性原子的电子组态练习题（1）下面所示的电子排布式中，有些是激发态，其中在返回到基态时放出最大能量的光子的是（）。（a）1S22S22P1，

（b）1S22S23S1（c）1S22S14d1，（d）1S22S22P13S1（2）给出40号元素锆原子的电子排布式，并指出其在元素周期表中的位置。（Zr）1S22S22P63S23P63d104S24P64d25S2

五周期，IVB族，d区4.原子态的标记由于多电子原子中电子的轨道角动量与自旋角动量之间的相互作用,原子的同一电子组态可以形成不同的原子组态。（以两个电子为例来说明）两个电子各有其轨道运动（l1，l2）和自旋运动（s1，s2），每一种运动都产生磁场，因此对其他运动都产生影响。这四种运动可以有六种相互作用：一般情况下，G5、G6比较弱，可以忽略。LS耦合——G1、G2比G3、G4强,只考虑G1、G2耦合.JJ耦合——G3、G4比G1、G2强,只考虑G3、G4耦合.

在LS耦合中，两个轨道角动量合成一个总轨道角动量，其量子数为L，L=l1+l2，l1+l2-1…..l1-l2

两个自旋角动量合成一个总自旋角动量，量子数S,S=s1+s2或s1-s2然后,总自旋角动量和总轨道角动量合成总角动量J，其量子数为J=L+S,L+S-1,……L-S

。这样，就可以说明一对电子在某一组态可能形成的不同原子态。

用表示原子组态，符号L用大写字母（如：S、P、D、F、G、H……）表示，分别对应L=0,1,2,3,4…..例:氦原子的几个不同电子的原子组态(1)氦原子的1s1s电子的原子组态(2)氦原子的1s2s电子的原子组态(3)氦原子的1s2p电子的原子组态氦原子部分能级图20.55ev19.77evL:总轨道角动量量子数S:总自旋角动量量子数J:总角动量量子数mJ：总磁量子数

原子的量子数

符号

角动量表达式原子的角量子数L原子的磁量子数

mL原子的自旋量子数S

原子的自旋磁量子数mS原子的总量子数J原子的总磁量子数mJ总轨道角动量ML

总自旋角动量MS

总角动量MJ

跃迁规则量子力学证明，在多电子原子中，电子跃迁只能在偶态和奇态之间发生。对于一般的LS耦合，还应遵从以下规则：⑴主量子数变化，Δn为整数，包括0。⑵总角量子数的变化，ΔL=±1。⑶总（内）量子数变化，ΔJ=0，±1。但当J=0时,ΔJ=0的跃迁是禁戒的（J=0与J=0之间不能跃迁)。⑷总自旋量子数的变化，ΔS=0，即单重项只跃迁到单重项，三重项只跃迁到三重项。内量子数，是由于轨道运动与自旋运动的相互作用（即轨道磁矩与自旋磁矩的相互影响）而得出的，它是原子中各个价电子组合得到的总角量子数L与总自旋量子数S的矢量和，即J=L+S。三、发光材料（1）发光与非发光材料并没有明显界限！强激发纯度提高掺杂自然界中天然或合成的发光体数量很大。人体的牙齿、指甲，动物的脂肪、卵、奶、皮肤，植物的浆液、油、果实，又如蚕丝、树脂、叶绿体、纸张等………无机固体发光材料，大致可分为：纯材料、掺杂材料稀土元素化合物：Gd(Gadolinium)及前后邻Sm,Eu,Tb,Dy等5个元素化合物（如硫酸盐等）是本身可以发光的。LaCeSmEuGdTbDyPrNdPmHoErTmYbLu01234567891011121314①②③④①4F电子的数目；②发光不是线谱的元素③只在作为掺杂时才发光的元素④固态、液态或作为掺杂时都可发光的元素纯发光材料：是指基质本身就可发光的材料（2）发光材料大类：纯发光材料+掺杂发光材料由组成化合物基质的元素发光：低温下阴极射线激发纯ZnO、CaO、SrO等，发光与中性原子Zn、Ca、Sr的电子跃迁频率间有明显关系，是后者和晶格结合的结果。由组成化合物的原子团发光：如Pt(CN)42-，UO22+，WO42-及MoO42-等。含Pt(CN)42-材料：MxPt(CN)4·YH2O形式，M代表K,Na,Ca,Sr,Ba等。在短波紫外光、核辐射及X光激发下都可发光。BaPt(CN)4长期被用来制作X光荧光屏。含UO22+化合物：如UO2SO4·3H2O等，易形成复合物，如K2UO2(SO4)2·2H2O等，它们在紫外光激发下可发光。含WO42-，MoO42-材料：在各种激发下都可发光，一般取MWO4形式，M通常是碱土金属。杂质含量极少，约占10-3（掺杂浓度是激活离子掺杂在基质中的数量，其单位经常是原子百分数）。杂质可以改变发光材料的性能，包括效率、余辉、光谱等。在电致发光中，杂质可用来改变导电类型及电阻率等参量。

掺杂发光材料实际应用对发光材料和器件的要求，主要是发光效率、亮度、余辉及光谱等基本特征，发光的技术应用就是以这些主要特征为依据而发展的。2.1

与发光相关的基本知识及概念2.2

灯用荧光材料发光材料及器件2.2.1基本知识2.2.2电光源的分类及参数2.2.3常用电光源2.2.4应急照明2.3发光二极管(LED)用荧光材料(1)电磁波谱与所有物质一样，光也是物质的一种存在形式，是能引起视觉的辐射能，它以电磁波的形式在空间传播。可见光的波长在380~780纳米(nm)范围内，不同波长的光给人的颜色感觉不同，如图2.1所示。2.1基本知识及概念电磁波谱(2)光谱(3)光通量(4)发光强度(5)照度(6)亮度(7)色温(8)显色性和显色指数(9)频闪效应(10)反射率图2.1图2.1电磁波谱(2)光谱光源辐射的光往往由许多波长的单色光组成，把光线中不同强度的单色光按波长长短依次排列，称为光源的光谱。大功率50W全光谱灯珠的光谱(3)光通量光源在单位时间内，向周围空间辐射出的、使人眼产生光感觉的能量，称为光通量，用符号Φ表示，单位为流［明］(lm)。人们通常以电光源消耗1W电功率所发出的流明数(lm/W)来表征电光源的特性，称为发光效率，简称“光效”。电光源的光效越高越好。

人眼对可见光中波长为555nm的黄绿色光最灵敏，波长离555nm越远（如波长较长的红光和波长较短的紫光）灵敏度越低，所以光通量与光辐射的强弱及其波长都有关系。(4)发光强度

发光强度是表征光源(物体)发光能力大小的物理量。

光源在某一特定方向上单位立体角内(每球面度，球的面积为4πR2所张的球面度为4π）辐射的光通量，称为光源在该方向上的发光强度(简称光强)，用符号I表示，单位为坎［德拉］(cd)。

如图2.2所示，对于向各方向均匀辐射光通量的光源，各方向的光强相等，其值为：图2.2发光强度的定义ω(5)照度对被照物体表面而言，它单位面积上所接受的光通量，称为该被照面的照度，照度用符号E表示，单位为勒［克斯］（lx）。被光均匀照射的平面照度为：

表2.1

给出了一些情况下的照度。表2.1一些情况下的照度值被照物体表面照度值（lx）无月夜晚的地面上0.002月夜里的地面上0.2中午太阳光下的地面上100000晴天室外太阳散射光(非直射)下的地面上1000白天采光良好的室内100～500(6)亮度某一物体(或发光体)的表面亮度是该物体单位面积向视线方向发出的发光强度。亮度用符号L表示，其单位为坎［德拉］每平方米(cd/m2)。由于物体在各个方向的亮度不一定相同，因此常在符号L的右下角注明角度，用以表示与物体表面法线成α角方向的亮度。物体的亮度越大，人们就会感到它越亮。(7)色温色温是电光源的技术参数之一。当光源的发光颜色与黑体(能吸收全部光能的物体）加热到某一个温度所发出的光的颜色相同时，称该温度为光源的颜色温度，简称色温。(8)显色性和显色指数同一物体在不同的光源照射下，显示出不同的颜色，光源对被照物体颜色呈现的真实程度称为光源的显色性。对同一物体，在被测光源的光照射下呈现的颜色，与在标准光源的光照射下呈现的颜色的一致程度愈高，Ra则愈大，显色性愈好。表2.2所列是常用电光源的一般显色指数Ra。表2.2常用电光源的一般显色指数Ra光源显色指数Ra光源显色指数Ra白炽灯97高压汞灯22～51日光色荧光灯80～94高压钠灯20～30白色荧光灯75～85金属卤化物灯60～65暖白色荧光灯80～90钠铊铟灯60～65卤钨灯95～99镝灯85以上显色指数没有用“CRI”（color-renderingindex）的。显色指数有15种颜色，15种颜色名称：R1,淡灰红色；R2,暗灰黄色；R3，饱和黄绿色；R4,中等黄绿色；R5,淡蓝绿色；R6,淡蓝色；R7,淡紫蓝色；R8,淡红紫色；R9,饱和红色；R10,饱和黄色；R11,饱和绿色；R12,饱和蓝色；R13,白种人肤色；R14,树叶绿；R15,黄种人肤色。取前8种常见颜色的显色指数的平均值,记为Ra,表征此光源显色性。CRI，是color-renderingindex的缩写，中文为“显色指数”，是广泛性名词。Ra，是“一般显色指数”标记符号，是15种颜色显色指数中，前8个显色指数的平均。

在采用气体放电灯作为照明光源时，若被照物体处于转动状态，且转动频率刚好是电源频率的整倍数时，则转动的物体看上去就如没有转动一样。这种在以一定频率变化的光照射下，观察到的物体运动显现出不同于其实际运动的现象，称为频闪效应。频闪效应易使人产生错觉而造成事故。/timg?image&quality=80&size=b9999_10000&sec=1602914602917&di=44780d8b0b475d8b73ebb45921dac637&imgtype=0&src=http%3A%2F%2F%2Fbfs%2Farticle%2F36945d3156567f39392c3333192310e16d0a85c3.gif(9)频闪效应

电光源在采用交流电源供电时，由于交流电做周期性的变化，因而电光源所发出的光通量也随之做周期性的变化。这就会使人眼产生闪烁的感觉。相机拍摄到的荧光灯频闪频闪测量方法。频闪比率等于一个开关周期内最大光输出与最小光输出之差除以最大光输出与最小光输出之和。频闪指数等于一个开关周期内超出平均光输出的量除以全部光输出。

频闪与频闪效应是针对电光源，光通量的波动深度和由此产生的危害效应（称为频闪效应）大小的两个互为因果的物理量。频闪是指电光源光通量波动的深度。光通量波动深度越大，频闪越严重。(10)反射率

当光通量投射到被照面后，一部分被反射，一部分透过被照面，一部分则为被照面所吸收。这就是在相同照度下，不同物体有不同亮度的原因。被物体反射的光通量Φ′与射向物体的光通量Φ之比，叫做反射率或称反射系数ρ，即建筑物内墙壁及顶棚、地面的反射率的近似值如表2.3所示。表2.3墙壁及顶棚、地面的反射率的近似值反射面性质反射率(%)反射面性质反射率(%)抹灰并大白粉刷的顶棚和墙面70～80混凝土地面10～25砖墙或混凝土面(石灰、大白)喷白50～60钢板地面10～30墙、顶棚为水泥砂浆抹面30沥青地面11～12混凝土屋面板30无色透明玻璃8～10红砖墙302.2灯用荧光材料2.2.1基础知识1）

电光源的分类按电光源的发光原理，它主要分为两大类。(1)

热辐射光源和电光源

热辐射光源是当物体受热且热能足够大，使原子或分子发生激烈的相互碰撞而激发产生的光发射。电光源是利用电流将物体加热到白炽程度而产生的光。属于热辐射光源的灯有白炽灯、卤钨灯。2.2.2电光源的分类及参数（2）放电光源

放电是指在电场作用下，载流子在气体(或蒸气)中产生和运动，而使电流通过气体(或蒸气)的过程。这个过程导致光的发射，可作为光源，即放电光源。这种光源具有发光效率高、使用寿命长等特点，很有发展前途。

按放电媒质分为：

①气体放电灯。是利用气体中的放电发光，例如氙灯、氖灯等。

②金属蒸气灯。是利用金属蒸气(如汞蒸气、钠蒸气等)中的放电，且主要由金属蒸气产生光，例如汞灯、钠灯等。

按放电形式分：

①辉光放电灯。这种灯由辉光放电产生光。放电要有阳极和阴极。放电时，阴极温度不高，但要有足够的电子发射，又叫冷阴极灯。

②弧光放电灯。是由弧光放电产生光。阴极工作在较高的温度下，又叫热阴极灯，如荧光灯、汞灯、钠灯等。2）电光源的参数

(1)

额定电压和额定电流光源在预定要求下工作所需要的电压和电流分别叫做额定电压和额定电流，额定值下工作具有最好的效果。(2)

额定功率灯泡(或灯管)在额定电流下工作所消耗的功率叫额定功率。(3)发光效率灯泡(或灯管)所发出的光通量Φ与消耗的功率P之比叫发光效率，记作η，即：(4)寿命

光源的寿命是指光源从初次通电工作的时候起到其完全丧失或部分丧失使用价值的时候为止的全部点燃时间。寿命又分两种：①全寿命；②有效寿命

（有效寿命：电光源发光效率下降到初始值的70%时的使用时间）(5)光色光色包括色表和显色性两个方面。色表指光源本身发光的颜色，即从外观上看到的光的颜色。而显色性则反映被照物体所体现出的颜色。一般常用电光源的寿命是指()。A．平均有效寿命B．全寿命C．有效寿命D．光源发光效率

1）

白炽灯

2）

卤钨灯

3）

荧光灯

4）

高压气体放电灯

5）

金属卤化物灯

6）

氙灯

2.2.3常用电光源1）白炽灯

靠电能将灯丝加热到白炽状态而发光。(1)

白炽灯的构造白炽灯的构造如图2.3所示，它主要由玻璃外壳、灯丝、支架、引线和灯头组成。灯丝一般都用钨丝制成。白炽灯的发光原理就是当钨丝通过电流时，产生大量的热，使灯丝温度升高到白炽的程度(2400～3000K)而发光。(2)

白炽灯的工作特性

①电流和功率白炽灯的电流决定于灯泡的供电电压和灯丝电阻。灯泡的容量用功率来表征，白炽灯的功率等于流过灯丝的电流和工作电压的乘积。

②光通量输出白炽灯在运行中，其光通量的输出随电网电压的变化而急剧地变化。(3)

发光效率灯泡的发光效率，钨丝白炽灯的发光效率比较低，一般仅有10lm/W左右。(4)

寿命平均寿命是许多灯泡寿命的算术平均值。一般白炽灯的平均寿命为1000h。(5)

光色白炽灯所发的光与日光相比仍有一定的差别，两者相比，白炽灯的红光部分较显著。(6)

灯泡温度白炽灯所消耗的电能首先变为热能，其中有很小一部分又转变为可见光，所以白炽灯玻璃壳的温度是较高的。(7)

亮度白炽灯丝亮度很高，这样的亮度能够造成眩光。为了减少灯泡的表面亮度，有些灯泡其玻璃壳用磨砂玻璃或乳白玻璃制造。2）

卤钨灯卤钨灯除在灯泡内充入惰性气体外还充入有少量的卤族元素(氟、氯、溴、碘)，这样对防止玻壳黑化具有较高的效能。（1）

卤钨灯的结构为了使管壁处生成的卤化物处于气态，管壁温度要比普通白炽灯高得多，相应地卤钨灯的玻壳尺寸就要小得多，温度也高得多，因而必须使用耐高温石英玻璃或高硅氧玻璃。（2）

卤钨灯的光特性卤钨灯是在石英玻璃管内封进钨丝，充进惰性气体和微量的磷或溴，制成双端引出型卤钨灯。卤钨灯，由于卤钨循环作用，而能防止管壁发黑，改进了灯的工作特性，使灯的光效比普通白炽灯有显著的提高(约为18~21lm/W)。由于卤钨灯的充气压力比普通白炽灯高，所以寿命指数较低，并且容易受振动、冲击而产生机械断丝。显色性好，一般显色指数为Ra＝97，色温为3000～3200K。3）荧光灯荧光灯属于放电光源，是靠低压汞蒸气放电，利用放电过程中的电致发光和荧光质的光致发光，形成光源。它的优点是：结构简单、制造容易、价格便宜并且发光效率高、光色好、寿命长。常见的普通荧光灯是圆形截面的直长玻璃管子。在管子两端各放一个电极。荧光灯的典型结构，如图2.4所示。（1）荧光灯的工作原理荧光灯需要镇流器和启辉器才能正常工作。它的接线，如图2.5所示。（2）

荧光灯的工作特性荧光灯的电流分为额定工作电流和额定启动电流两项。额定工作电流根据灯管功率、灯管结构和电流密度而定。额定启动电流是启动时预热灯丝的电流，它比额定工作电流大。在工作电流下，灯管上产生的电压降是荧光灯的管电压。4）

高压气体放电灯（1）

高压汞灯高压汞灯又名高压水银灯，它是靠高压汞蒸气放电而发光。这里所说的“高压”是指工作状态下的气体压力为1～5个大气压，以区别于一般低压荧光灯。高压汞灯的优点是光效高、寿命长、省电、耐震。①高压汞灯的结构与工作过程高压汞灯的结构分外镇流高压汞灯和自镇流高压汞灯两种。外镇流高压汞灯的构造，如图2.6所示。

②高压汞灯的工作特性（a）光通量输出和发光效率一般所说的光通量输出和发光效率是指点燃100h以后的数值。目前高压汞灯的发光效率为40～60lm/W。

（b）光色高压汞灯的光色为淡蓝－绿色，缺乏红色成分

（c）寿命在运用中影响寿命的因素主要有：（1）启动次数；（2）启动电流和工作电流。

(2)

钠灯与汞灯一样也是靠放电而发光。如在灯管内放入适量的钠和惰性气体，就成为钠灯。钠灯具有省电、光效高、透雾能力强等特点。钠灯分为高压钠灯和低压钠灯。

①高压钠灯的结构和工作原理高压钠灯的电路原理简图，如图2.7。

②低压钠灯

低压钠灯具有很高的发光效率，可超过150lm/W。5）

金属卤化物灯金属卤化物灯也是一种气体放电灯。这种灯的优点是：发光体小，光色和日光相似，显色性也较高，光效也较高，达70lm/W左右。(1)

金属卤化物灯的构造与工作原理普通的金属卤化物灯外形和结构与汞灯相似。金属卤化物灯的发光原理与汞蒸气放电光源相似。(2)

金属卤化物灯的种类

①钠铊铟灯

②镝灯(3)

金属卤化物灯的工作特性金属卤化物灯有一个较长的启动过程，在这个过程中灯的各个参数均发生变化。从启动到参数基本稳定要4min左右，而达到安全稳定约要15min。金属卤化物灯在关闭或熄灭后，须等待10min左右才能再启动，这是由于灯工作时温度很高，放电管气压很高，启动电压升高，只有待冷却到一定程度之后才能再启动。6)

氙灯氙灯也是一种弧光放电灯。它具有功率大、光色好、体积小、亮度高、启动方便等优点，人们称誉它为“小太阳”。氙灯按外形可分为管形和球形；按冷却方式可分为自冷、水冷和风冷；按放电弧光长度可分为长弧、短弧；按充气压力可分为高压、超高压；按充气元素可分为氙灯及汞氙灯等。氙灯可以制成在交流下和直流下应用的两种。图2.3白炽灯的构造示意图1—灯头；2—康铜丝外导线；3—芯柱管；4—中心杆；5—支撑；6—灯丝；7—焊锡；8—排气管；9—排气孔；10—铜外导线；11—杜镁丝；12—内导线；13—玻壳；14—氩气图2.4荧光灯管1—灯头；2—灯脚；3—玻璃芯柱；4—灯丝（钨丝，电极）；5—玻管（内壁涂覆荧光粉，管内充惰性气体）；6—汞（少量）图2.5荧光灯的接线图图2.6高压汞灯(a)高压汞灯的构造；(b)高压汞灯的工作电路图图2.7高压钠灯的电路原理图应急照明包括疏散照明、