固体发光1课件

发光原理基础任课教师：郑春艳物理与光电工程学院闭卷考试，期末考试占80%，平时成绩占20%固体发光许少鸿参考书：发光原理与发光材料祁康成

课程教材考核方式第一章概论影片《阿凡达》：潘多拉星球“希望树”种子发光树发光蘑菇电影《阿凡达》中的发光植物为我们打造了一幅绚丽、梦幻的外星世界景观。现在，这种会自动发光的植物已经被科学家从大荧幕带到了现实生活当中。美国科学家近来利用生物基因技术成功培育出了名为“星光阿凡达”的发光植物。将海洋发光细菌DNA引入花烟草叶绿体中，使其能够在不借助任何涂料或是紫外线照射的情况下自然、主动的持续发光。

科学家们正在试图通过改造树木基因令其能够发出光亮，如果能够成功，这些树木就能作为不需要电源的自然街灯。

发光原理：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：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。

发光原理：菌体内的荧光素在荧光素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光了。发光蘑菇发光菌类植物：通常能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，树桩此时已被假蜜环菌寄生。萤火虫

栉水母动物界说到发光，首先想到萤火虫，除此之外大自然中还有许多能够发光的动物，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。萤火虫发光原理：萤火虫腹部的发光细胞中含有虫荧光素和虫荧光素酶，荧光素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。水母发光原理：水母体内含有特殊的发光蛋白（埃奎林），遇到钙离子就会发生化学反应发出光来。生物化学能——光能生物发光有什么特点？“冷发光”——即发光过程中，发光体并不需要被加热到高温，它和周围环境温度几乎相同。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。

发光矿物夜明珠：萤石长余辉蓄光型夜明珠：必须靠外界的日光、紫外线等光源激发后才能发光；发光原理：夜明珠的基体材料是无机盐类中的激活晶态磷光体

光能——光能放射能——光能永久发光的夜明珠：不需要借助任何外界能量进行激发，靠自身含有的放射性同位素激发而发光。

----光致发光----放射线发光

x射线发光X光透视机医用增感屏是临床X线摄影不可缺少的重要器材，它与X线胶片匹配使用。增感屏上的荧光物质能将穿透机体的X线转化为可见光对胶片感光，可以提高X线对胶片感光的利用效率。光能——光能阴极射线发光阴极射线管（CRT）发光原理:能量大约在几千电子伏以上的高速电子打到荧光粉表面时，大部分都可进入材料内部。产生速度越来越低的“次级”电子，直到发光体中出现大量的能量在几电子伏的低速电子，激发发光材料发出强光。

阴极射线发光是指电子束激发的发光。

雷达显示屏电子的动能——光能发光原理：荧光棒外形多为条状，外层以聚乙烯（塑料）包装，内置一玻璃管夹层，夹层内外液体分别为过氧化物和酯类化合物、荧光染料。使用时经弯折、击打、揉搓等使玻璃破裂，过氧化物和酯类化合物发生反应后，能量传递至荧光染料，再由染料发出荧光。

荧光棒——化学发光化学能——光能电致发光（场致发光）发光原理：物质在一定的电场作用下被电能所激发而产生的发光现象。是一种直接将电能转化为光能的发光现象。发光二极管无机材料有机材料电能——光能LED（lightemittingdiode）声致发光液体中的气泡被强大的声波作用时，气泡会坍塌到一个非常小的体积，内部温度可以超过10万摄氏度，过程中会发出瞬间的闪光。

声能——光能发光原理：极光是地球周围的一种大规模放电的过程。来自太阳的高能带电粒子（太阳风，电子、质子等构成）到达地球附近，地球磁场迫使其中一部分沿着磁场线集中到南北两极。当他们进入极地的高层大气时，与大气中的原子和分子碰撞，形成极光。极光——高能粒子发光高能粒子动能——光能闪电发光原理：雷雨云底层与地面间形成强大电场，大气被强烈电离，形成一条狭窄的导电通道，流过很强的电流，以至空气通道被烧得白炽耀眼，出现一条弯弯曲曲的细长光柱。——热辐射发光电流热效应电能——光能热辐射发光铁的热辐射开始不发光→→→黄白色橙色暗红热能——光能太阳（恒星）太阳发光原理

核能——光能火焰燃烧发光：既有化学能直接转换成产物的激发能产生的化学发光，又有化学能转化成热能，导致周围空气温度升高产生的热辐射发光。化学能——光能人体发出红外光生物能——光能白炽灯电能——光能发光原理：靠电流加热灯丝（钨丝）至白炽状态，发出可见光。热辐射发光有什么特点？“热发光”——即发光过程中，发光体需要被加热到较高温度时才能发出可见光，且光与热伴行。1.1发光现象

一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应可将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光辐射和红外辐射。一、光辐射以电磁波形式或粒子形式传播的能量，可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为光辐射的波长在10nm至1mm范围内。宏观：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。二、广义的发光概念发光是能量转换过程微观：物体中的电子受到外界能量的激发，跃迁到高能态（激发态），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，并把多余的能量释放出来。如果以光子的形式释放，就称为发光。三、发光的主要过程各种发光物质，包括气、液、固体，除物质获取外界能量的方式不同，发光过程都大体相同。1.激发过程发光必须首先从外界获取能量将物质体内的原子、分子或离子从基态激发到高能态2.辐射跃迁过程

高能态（激发态）是一种不稳定的状态粒子迟早会从激发态跃迁回基态，释放出吸收的能量如果能量是以光子的形式释放出来的就称之为发光跃迁或辐射跃迁辐射跃迁是发光所需要的跃迁3.无辐射跃迁过程

并非所有被物质吸收的激发能都能转化为光辐射输出，说明粒子从高能态到基态的跃迁并非只有发光这一种方式。粒子从激发态跃迁到基态的过程不产生光子辐射输出将激发能散发为热（如使得晶格振动加剧，导致晶体温度升高），称为无辐射跃迁无辐射跃迁和辐射跃迁是激发态回到基态的两种方式，是竞争过程，会降低物质的发光效率。四、发光的类型平衡辐射：又叫平衡热辐射物体辐射电磁波的同时，也吸收电磁波。当辐射和吸收达到平衡时，物体的温度不再变化，此时物体的热辐射称为平衡热辐射。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500℃以上时，辐射的可见部分就够强了，例如烧红了的铁，白炽灯中的灯丝等。“热发光”与温度相关的辐射1、

任何物体在任何温度下都可以进行热辐射；2、热辐射的能量与波长、温度以及物体的性质有关，随着温度的升高，辐射的总功率增大，辐射的光谱分布向短波方向移动；

热辐射的特点：红-黄-白-蓝3、辐射出的电磁波是连续的。

物体中的分子、原子在不停的做热运动；温度是描述平衡状态下这种运动激烈程度的物理量，热运动越剧烈物体温度就越高；在一定温度下，物体中的原子分子有一定的处在不同激发态上的分布（遵循玻耳兹曼分布律）

，因此，由它们跃迁引起的热辐射就有很宽的光波长范围；

当温度升高时，电子在不同能态上的分布移向较高能量的状态，电子处于高能态的几率增加，这样，辐射光的强度会增大，峰值波长会向短波长移动。热辐射发光存在的问题在升高温度以得到我们所需要的光辐射的同时，物体还会发射许多我们不需要的辐射，大部分能量落到红外部分，发光效率低（白炽灯只有10%左右），热损耗大。如果一个物体能够在任何温度下全部吸收任何频率的电磁辐射，那么这个物体称为绝对黑体。绝对黑体的吸收本领是一切物体中最大的，加热时它辐射本领也最大。天然的、理想的绝对黑体是不存在的。人造黑体是用耐火金属制成的具有小孔的空心容器，如图所示。加热加热小孔黑体模拟装置

用金属制成封闭空腔，空腔壁全部涂黑，仅留一小孔，四周绝热，这样的容器的小孔就相当于黑体。黑体辐射黑体辐射的发射本领只与温度有关热平衡时，黑体表面单位面积辐射光谱能量的大小及其分布完全决定于它的温度。黑体热辐射温度材料性质、形状与同温度其它物体的热辐射相比，黑体热辐射本领最强黑体辐射的基本定律式中，λ—波长，m；T—黑体温度，K；

c1

—第一辐射常数，3.742×10-16W

m2；

c2—第二辐射常数，1.4388×10-2W

K；

(1)普朗克定律1900.10.19普朗克在德国物理学会会议上提出一个黑体辐射公式(2)

斯特藩-

玻耳兹曼定律斯特藩-玻耳兹曼常数总辐出度与T4

成正比0100020001.0

可见光区0.56

000

K3

000

K1879年斯特藩从实验上总结而得到1884年玻耳兹曼从理论上证明(3)

维恩位移定律常量0100020001.0

可见光区0.56

000

K3

000

K或

m=C

TC

=5.880×1010Hz/K1893年由理论推导而得峰值波长

m

与温度T

成反比若视太阳为黑体，测得

估算出太阳表面温度约

T表面

=6000K发射率同温度下，黑体发射热辐射的能力最强，在每一个方向都最大可能的发射任意波长辐射能；实际物体的辐射特性真实物体表面的发射能力低于同温度下的黑体；因此，定义了发射率

(也称为黑度)

：相同温度下，实际物体的半球总辐射力与黑体半球总辐射力之比:物体表面的发射率取决于物质种类、表面温度和表面状况。非平衡辐射：不需要提高物体的温度，在某种外界作用激发下，物体偏离原来的热平衡态时所产生的辐射。“冷发光”在加热物体时，物体内所有原子或分子的能量都得到提高。在达到热平衡时，物体的原子或分子中的电子有一定的能态分布，电子处于较高能态的几率由温度决定，如果物体温度不很高，这种可能性就很小，这时热辐射主要由红外光组成，可见光成分很少。

什么叫偏离热平衡态：如果以某种方式把外界能量传给物体中的个别原子或分子，使其升到高能态，而周围大量的分子或原子处于未被激发的状态，就可使电子在不同能态上的分布偏离热平衡分布。电子从这些高能态跃迁发出的光，就会比相应温度下同波长的热辐射强的多。狭义的“发光”Luminescence概念：发光就是物体不经过热阶段而将其内部以某种方式吸收的能量直接以光能的形式释放出来的非平衡辐射过程。

发光只是在少数发光中心进行，不会影响物体的温度，可以更有效地把外界提供的能量转化成我们所需要的可见光，发光效率高。“发光”是一个专业名词，指一种特殊的光发射现象，即叠加在热辐射之上的一种光发射。与热辐射相比发光的优点：发光只有个别原子或分子吸收能量，发光的光谱就决定于这些原子和分子，那么可以寻找合适的材料以获得所需光谱，选择性好。发光的特点：冷发光发光体和周围环境的温度几乎是相同的，并不需要加温只有个别中心得到能量，周围大量的中心仍处于未被激发的状态衰减（余辉）从外界吸收能量到放出光来，需要花费一定时间。在激发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)。发出的光既有反映这个物质特点的光谱，又有一定的衰减规律与反射光、散射光等区分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。发光与其他非平衡辐射的区别：辐射期间：是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。可作为判据。发光的延续时间有长（几十小时）有短（10-10

秒），但都比反射、散射的持续时间（10-14秒）长很多。荧光(Fluorescence)磷光(Phosphorescence)无机物发光领域这两词没有严格区分，甚至混淆。但在有机物发光中，是不容混淆的。荧光

激发时的发光。余辉时间小于10-8s，即激发一停，发光随即停止。磷光

激发停止后的发光。余辉时间大于10-8s，即激发停止后，发光还要持续一段时间。1.2激发方式及应用名称激发方式光致发光光的照射电致发光电场作用高能粒子发光高能粒子轰击阴极射线发光电子束轰击射线发光射线的照射生物发光生物化学反应化学发光化学反应声致发光声波轰击发光体受外界作用而发光,发光学称这种作用为激发。可根据激发方式区分发光类型：用光（紫外光、可见光、红外光）激发产生的发光。光致发光PL(Photoluminescence)：应用1：日光灯（节能灯），即作为照明光源。

传统日光灯节能灯稀土三基色荧光粉卤磷酸钙荧光粉惰性气体玻璃管工作原理荧光粉被汞蒸气放电产生的254nm紫外线激发，发出可见光。应用2：道路交通标示、仪表及发光涂料等

长余辉荧光粉：俗称夜光粉，磷光粉，在去掉激发源（日光、灯光）后还能够长时间发光（几小时至十几小时）。等离子体显示板(PlasmaDisplayPanel，缩写为PDP)等离子体是继物质3态（固态、液态、气态）后发现的第四态，由数量密度都近似的正、负电荷组成。大屏幕色彩丰富应用3：等离子体显示器

工作原理每个等离子体发光管就是我们所说的等离子体显示器的像素与日光灯原理相似彩色PDP的发光显示主要由以下过程组成：气体放电过程，即隋性气体(含氙的混合气)在外加电信号的作用下产生放电，发射出紫外线（氙，147nm)的过程;荧光粉发光过程，即气体放电所产生的紫外线，激发光致荧光粉发射可见光的过程。应用4：物理上，用紫外-红外各波长激发物质，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）。1961年长春光机所1960年，美国物理学家梅曼发明红宝石激光器——世界上第一台激光器红宝石晶体（基质是Al2O3）内掺有少量的Gr2O3

应用5：固体激光器

掺钕钇铝石榴石晶体（Nd2O3:Y3Al5O12，简称Nd:YAG）Nd:YAG激光器波长1.064微米应用范围：主要用于全息术；各种材料的加工，如打孔、点焊、激光标刻以及集成电路中厚膜、薄膜电路的加工制造、冗余修复等；在医疗上则可用于多种外科手术；军事上，被广泛应用于激光测距机、目标指示器和激光雷达等。

优点：使用方便、输出功率大，可得到超短脉冲（飞秒）固态激光器用于激光测距敏感器、激光三维成像敏感器，为嫦娥三号探测器保驾护航。激光产生原理Laser

方向性好单色性好相干性好亮度高激光特点：发光前

自发辐射发光后处在高能级的单个粒子总会自发地向低能级跃迁，同时辐射出一个具有一定频率的光子，这种过程称为自发辐射。普通光源（白炽灯、日光灯）的发光过程为自发辐射。特点：每个粒子在发光的过程中彼此独立，所发射的光子在方向、位相、偏振方向、频率上都不同——非相干光

受激辐射

1916年爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，预测到光可以产生受激辐射放大，奠定了激光的理论基础。爱因斯坦处在高能级的粒子，在外来光子的作用下，发射光子的过程，称为受激辐射.发光前发光后特点：发射的光子与外来光子完全一样（即频率、位相、偏振、传播方向完全相同）——相干光吸收前吸收后粒子吸收外来的光子，从低能级跃迁到高能级的过程称为吸收过程，也称为受激吸收。

受激吸收在粒子与外加光场相互作用时同时存在受激辐射和受激吸收两种作用，要想使受激辐射占优势实现光放大，必须使处在高能级的粒子数大于处在低能级的粒子数。这种分布正好与热平衡态时的粒子分布相反（高能态上的粒子少于低能态上的粒子数），称为粒子数反转分布。产生激光的三个必要条件：1实现粒子数反转2使粒子被激发

3要实现光放大

——需要选择合适的工作物质

——通过光学谐振腔实现——需要激励能源

（激活介质）能对光的频率和方向进行选择，可获得连续的光放大可用其产生的自发辐射光作入射光，经反射镜反射沿轴线方向传播的光被放大，沿非轴线方向传播的光被减弱。应用6：染料激光器

工作物质是有机染料（液体），可用闪光灯或红宝石激光器泵浦使得染料分子发光。与固体相比，染料激光器通常可以用于更广泛的波长范围内，使得它们特别适合于调谐，调谐范围为0.3～1.2微米因此是目前在光谱学研究中用得最多的一种激光器。。激光染料电致发光EL(Electroluminescence)：通过电场或电流产生的发光，最初译成场致发光。应用1：气体放电灯（日光灯、低压钠灯、霓虹灯等）

在气体放电过程中，有的原子、分子、离子在碰撞过程中会被激发到高能态，跃迁回低能态时就会发光。气体放电：当气体中存在较强电场时，气体中的带电粒子（电子、离子）就会在电场作用下加速，与气体中的原子或分子碰撞，使之电离产生新电子和离子，重复这样的过程，就会产生许多带电粒子，使原本不导电的气体变得导电。产生气体放电发光的可以是原子气体，如各种惰性气体、金属蒸气或它们的离子，也可以是分子气体。各种原子、分子、离子都有它们特有的能级结构，因而具有特有的发光波长。因此可以选择合适的发光气体，以获得所需发光颜色或发光光谱。霓虹灯应用2：气体激光器（原子、离子、分子、准分子）

在适当放电条件下，气体粒子有选择性地被激发到某高能级上，产生受激辐射跃迁。与固体相比，气体的光学均匀性好,气体激光器的输出光束具有较好的方向性、单色性和较高的频率稳定性。可工作在很宽的波长范围，从紫外到远红外。He－Ne激光器632．8nm

发光二极管是由GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷化镓）等半导体材料制成的，当对二极管P-N结加正向电压时，电子和空穴复合发光。发光二极管被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保(无汞）、寿命长、体积小等特点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。应用3：发光二极管(LED)

美国纽约时代广场户外全彩LED显示屏

（上海三思）白光LED三种方法第一种方法：在蓝色LED芯片上涂敷能被蓝光激发的黄色荧光粉，芯片发出的蓝光与荧光粉发出的黄光互补形成白光。第二种方法：在紫外光LED芯片上涂敷RGB三基色荧光粉，实现白光发射。第三种方法：把三基色LED发光芯片封装在一起，按照一定的比例对其光色进行控制，混出白光。目前最常用蓝光LED激发黄色荧光粉来产生白光，蓝色技术成为关键技术。

2014诺贝尔物理学奖获奖者是发明了“高亮度蓝色发光二极管”

的三名日本物理学家赤崎勇(IsamuAkasaki)、天野浩(HiroshiAmano)和中村修二(ShujiNakamur)。

氮化镓（GaN）和铟氮化稼（InGaN）

蓝光LEDLED台灯LED路灯奥迪LED大灯1987年，美籍华裔教授邓青云和VanSlyke采用了超薄膜技术，用透明导电膜作电极，制成了双层有机电致发光器件。1990年，Burroughes等人发现了以共轭高分子PPV为发光层的OLED（也称PLED），从此在全世界范围内掀起了OLED研究的热潮。邓教授也因此被称为“OLED之父”。

2011年，邓青云与两位同行共同获得了沃尔夫化学奖，这是在化学领域仅次于诺贝尔奖的国际性大奖。

（OrganicLight-EmittingDiode）

有机发光二极管OLEDOLED具有结构简单、超轻薄(厚度小于1毫米)、低功耗及可实现柔性显示等特性，OLED显示器被誉为“梦幻显示器”。OLED显示技术与传统的LCD显示方式不同，无需背光灯，采用非常薄的有机材料（染料及颜料小分子，共轭高分子）涂层发光。

视角范围大（超过170度）可折叠OLED结构LG手机英国科技公司计划研发“透明飞机”，将运用OLED技术于飞机机身上，不仅能让乘客可以一览无遗窗外的风光，如同翱翔在天际中。还能变成触摸屏，让乘客能彻底在机上享受。你敢坐么？常用工作物质有砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）、硫化镉（CdS）、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件。应用4：半导体激光器（激光二极管Laserdiode）

体积小、重量