326日固体发光.pptx

固体发光材料与应用固体发光材料与应用课程性质：专业选修课程性质：专业选修任课教师：卢利平任课教师：卢利平材料科学与工程学院材料科学与工程学院第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 光致发光光致发光第三章第三章 固体激光材料固体激光材料第四章第四章 电致发光电致发光通通过过深深入入浅浅出出的的讲讲解解使使同同学学们们对对光光与与物物质质相相互互作作用用的的基基本本物物理理现现象象；固固体体发发光光的的条条件件、过过程程和和规规律律；发发光光材材料料和和器器件件的的设设计计原原理理、制制备备方方法法和和应应用用等等有有一一个个较为全面的认识和了解。较为全面的认识和了解。课程目的课程目的与任务与任务课程内容课程内容目目 录录第一章第一章 绪绪 论论发光：即发光：即Luminescence一词，作为一个技术一词，作为一个技术名词，是专指一种特殊的光发射现象。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。机物和无机物），都具有发光的性能。如发光水母一样的如发光水母一样的“希望树希望树”种子；种子；郁郁葱葱、奇妙的郁郁葱葱、奇妙的发光发光森林森林；可当房子居住的参天巨树；可当房子居住的参天巨树；色彩斑斓神气活现的茂密雨林色彩斑斓神气活现的茂密雨林影片影片阿凡达阿凡达：男主角杰克男主角杰克 潘多拉星球潘多拉星球非非洲洲北北部部有有一一种种发发光光树树，白白天天与与普普通通树树没没区区别别。但但每每到到晚晚上上，从从树树干干到到树树枝枝通通体体会会发发出出明明亮亮的的光光。由由于于这这种种树树发发出出的的光光比比较较强强烈烈，当当地地人人经经常常把把它它移移植植到到自自家家的的门门前前作作为为路路灯灯使使用用。在在夜夜间间，人人们们可可以以在在树树下下看书甚至做针线。看书甚至做针线。科科学学家家解解释释：这这种种树树之之所所以以会会发发光光，是是因因为为其其树树根根特特别别喜喜欢欢吸吸收收土土壤壤中中的的磷磷。这这种种磷磷会会在在树树体体内内转转化化成成磷磷化化氢氢，而而磷磷化化氢氢一一遇遇到到氧氧气气就就会会自自燃燃，从从而而使使得得树树身身磷光闪烁。磷光闪烁。发光树：发光树：发发光光树树不不仅仅在在非非洲洲有有，在在乌乌克克兰兰西西部部甚甚至至有有一一个个能能在在夜夜间间发发出出奇奇光光的的“发发光光森森林林”。长长约约1.81.8万万米米，宽宽约约50005000米米。白白天天看看起起来来与与一一般般森森林林没没有有什什么么两两样样，可可是是一一到到夜夜间间，整整个个树树林林像像用用荧荧光光粉粉涂涂过过一一样样放放着着耀眼的光。耀眼的光。据据称称，这这片片森森林林不不仅仅会会发发光光，如如果果人人靠靠近近的的话话，还还会会有有一一种种热热乎乎乎乎的的感感觉觉。更更加加奇奇怪怪的的是是，这这片片林林子里没有任何飞禽走兽，甚至连昆虫都没有。子里没有任何飞禽走兽，甚至连昆虫都没有。科科学学家家猜猜测测：这这一一地地区区可可能能有有强强烈烈的的放放射射性性辐辐射射，草木吸收这些放射性元素后，也产生了发光效应。草木吸收这些放射性元素后，也产生了发光效应。发光树：发光树：萤火虫萤火虫 栉水母栉水母生生物物界界说说到到发发光光，首首先先想想到到萤萤火火虫虫，除除此此之之外外大大自自然然中中还还有有许许多多能能够够发发光光的的生生物物，如如一一些些生生活活在在海海里里的的鱼鱼、虾虾、水水母、珊瑚、贝类和蠕虫等。母、珊瑚、贝类和蠕虫等。百慕大三角洲发现的荧光虾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。光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。发光蚯蚓发光蚯蚓美美国国南南部部生生活活着着一一种种长长达达4545厘米的发光蚯蚓。厘米的发光蚯蚓。这这种种蚯蚯蚓蚓一一旦旦被被伤伤害害，就就会会分分泌泌出出闪闪烁烁着着蓝蓝光光的的黏黏液。液。铁路蠕虫铁路蠕虫身身上上长长有有两两种种不不同同的的发发光光器官。器官。仿仿佛佛圣圣诞诞树树一一般般，头头部部发发出红光，身子闪烁绿光。出红光，身子闪烁绿光。通通常常能能强强烈烈发发光光的的植植物物多多是是低低等等菌菌类类植物植物(如细菌、真菌和藻类植物如细菌、真菌和藻类植物)。平平时时也也会会见见到到一一段段发发朽朽的的树树桩桩、木木块块，能能够够在在黑黑暗暗中中发发出出蓝蓝白白色色的的荧荧光光，研研究究发发现现，树树桩桩已已被被假假蜜蜜环环菌菌寄寄生生，它它能能使使木木材材腐腐烂烂，还还分分泌泌一一些些能能分分解解木木材材的的酶酶，这这些些酶酶可可以以将将纤纤维维素素、木木质质素素转转化化为为真真菌菌能能够够吸吸收收的的小小分分子子物物质质，假假蜜蜜环环菌菌的的菌菌丝丝细细胞胞得得到到这这些些食食物物后后就就开开始始不不停停地地繁繁衍衍、长长大大，同同时时积积累累大大量量能能够够用用来来产产生生荧荧光光的的物物质质。这这些些带带荧荧光光的的物物质质在在荧荧光光酶酶的的催催化化作作用用下下进进行行生生物物氧氧化化，并并把把化化学学能能转转化化为为光光能能，就是我们看到的这种生物光了。就是我们看到的这种生物光了。荧光菌荧光菌发光蘑菇发光蘑菇 发光菌类植物：发光菌类植物：古代古代“夜明珠夜明珠”，是指，是指能够在夜晚（或暗室中）能够在夜晚（或暗室中）自行发光的天然物体。自行发光的天然物体。而且这种光是人用肉眼而且这种光是人用肉眼能够直接看到的光。能够直接看到的光。萤石萤石 夜明珠：夜明珠：2020世世纪纪4040年年代代，前前苏苏联联科科学学家家发发现现：在在置置于于高高频频电电场场中中的的生生物物体体周周围围，会会闪闪动动着着色色彩彩绚绚丽丽的的光光环环和和光光点点，而而当当生生物物体体死死亡亡后后，这这种种光光环环和和光光点点也也随随着着消失。消失。同同法法研研究究人人体体，惊惊奇奇的的发发现现人人体体的的各各部部位位发发出出的的光光有有不不同同的的颜颜色色：手手臂臂是是蓝蓝色色的的、心心脏脏是是深深蓝蓝的的、臀臀部部是是浓浓绿绿色色的的。更更有有趣趣的的是是，人人体体某某些些部部位位发发出出的的光光非非常常强强，恰恰好好与与古古代代中中国国人人发发现现的的700700多多个个穴穴位位相对应。相对应。人体发光：人体发光：一、发光现象一、发光现象二、激发方式二、激发方式三、发光材料三、发光材料概概括括说说：发发光光是是物物体体内内部部以以某某种种方方式式吸吸收收的的能能量转化为光辐射的过程。量转化为光辐射的过程。物体发光的条件、过程和规律；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；发光材料和器件的设计原理、制备方法和应用；以光和物质的相互作用等基本物理现象。以光和物质的相互作用等基本物理现象。一、发光现象一、发光现象发发光光学学内内容容并非一切光辐射都称为发光。发光是光辐射一部分。并非一切光辐射都称为发光。发光是光辐射一部分。*注意注意*：平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。非非平平衡衡辐辐射射：在在某某种种外外界界作作用用激激发发下下，物物体体偏偏离离原原来的热平衡态所产生的辐射。发光是其一种。来的热平衡态所产生的辐射。发光是其一种。光辐射光辐射 =平衡辐射平衡辐射 +非平衡辐射非平衡辐射起因于物体的温度。起因于物体的温度。T,T,热平衡热平衡(准平衡准平衡),),相应热辐射。相应热辐射。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。热热辐辐射射：温温度度在在0K0K以以上上的的任任何何物物体体都都有有热热辐辐射射，但但温温度度不不够够高高时时辐辐射射波波长长大大多多在在红红外外区区，人人眼眼看看不不见见。物物体体的的温温度度达达到到50005000以以上上时时，辐辐射射的的可可见见部部分分就就够够强强了，例如烧红了的铁，电灯泡中的灯丝等等。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：）发光与热辐射的区别：开始不发光开始不发光 黄白色黄白色橙色橙色暗红暗红发发光光：叠叠加加在在热热辐辐射射之之上上的的一一种种光光发发射射。发发光光材材料料能能够够发发出出明明亮亮的的光光，而而它它的的温温度度却却比比室室温温高高不不了了多多少少。因此发光有时也被称为因此发光有时也被称为“冷光冷光”。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。非平衡辐射有许多种，除了发光以外，还有反射、散射等。光光辐辐射射的的特特征征一一般般可可用用5个个宏宏观观光光学学参参量量描描述述：亮亮度度、光光谱谱、相相干性干性、偏振度偏振度和和辐射期间辐射期间。&（2）发光与其他非平衡辐射的区别：）发光与其他非平衡辐射的区别：亮度亮度：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；：亮度高低不能区分各种类型的非平衡辐射；光光谱谱改改变变及及非非相相干干性性：不不仅仅在在发发光光中中存存在在，在在联联合合散散射射和和康康普普顿顿-吴吴有有训训效效应应中中也也有有。而而且且，作作为为在在特特定定条条件件下下的的发发光光，如如激激光光（受受激激发发射射）及及超超辐辐射射（特殊条件下的自发发射），具有相干性。（特殊条件下的自发发射），具有相干性。偏振度偏振度：在发光现象中并没有带普遍性的特点。：在发光现象中并没有带普遍性的特点。辐辐射射期期间间：是是判判据据。发发光光有有一一个个比比较较长长的的延延续续时时间间(Duration)(Duration)，这这个个延延续续时时间间有有长长有有短短，总总之之都都比比反反射、散射的持续时间长很多。射、散射的持续时间长很多。l 辐射期间：辐射期间：是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。是指去掉激发后，辐射还可延续的时间。此此延延续续时时间间长长可可达达几几十十小小时时，短短也也有有1010-10-10 秒秒左左右右，总总之都比反射、散射的持续时间（之都比反射、散射的持续时间（1010-14-14秒）长很多。秒）长很多。在在激激发发(Excitation)(Excitation)即即外外界界作作用用停停止止后后发发光光不不马马上上消消失失而是逐渐变弱，这个过程称为余辉而是逐渐变弱，这个过程称为余辉(afterglow)(afterglow)。荧光荧光(Fluorescence)(Fluorescence)磷光磷光(Phosphorescence)(Phosphorescence)无机物发光领域这两词仍没有严格区分，甚至混淆。无机物发光领域这两词仍没有严格区分，甚至混淆。但但在在有有机机物物发发光光中中，分分子子从从单单态态（singletsinglet）跃跃迁迁到到基基态态（也也是是单单态态）的的发发光光叫叫荧荧光光，从从三三重重态态（triplet triplet statestate）跃跃迁迁到到基基态态的的发发光光叫叫磷磷光光，这这是是不不容容混混淆的。淆的。1010-10-10秒数量级指标有点任意性，技术测量水平。随发展，测量时间已突破飞秒数量级指标有点任意性，技术测量水平。随发展，测量时间已突破飞秒（秒（1010-15-15秒）。实测到的发光弛豫时间短到皮秒（秒）。实测到的发光弛豫时间短到皮秒（1010-12-12秒）的例子已不少。秒）的例子已不少。名名 称称激激 发发 方方 式式光致发光光致发光光的照射光的照射电致发光电致发光气体放电或固体受电的作用气体放电或固体受电的作用阴极射线发光阴极射线发光电子束的轰击电子束的轰击放射线发光放射线发光核辐射的照射核辐射的照射X X射线发光射线发光X X射线的照射射线的照射摩擦发光摩擦发光机械压力机械压力化学发光化学发光化学反应化学反应生物发光生物发光生物过程生物过程发光体受外界作用而发光发光体受外界作用而发光,发光学中称这种作用为激发。发光学中称这种作用为激发。根据激发方式，区别发光类型。根据激发方式，区别发光类型。二、激发方式二、激发方式用光激发产生的发光。用光激发产生的发光。&光致发光光致发光 PL(Photoluminescence)：应用应用1 1：固体激光器和日光灯，即作为光源。固体激光器和日光灯，即作为光源。新新型型长长余余辉辉材材料料SrAlSrAl2 2O O4 4:Eu,Dy:Eu,Dy，过过去去是是ZnS:CuZnS:Cu型型或碱土金属硫化物类。或碱土金属硫化物类。应应用用2 2：物物理理上上，用用紫紫外外-红红外外各各波波长长激激发发，可可研研究究物物质质结结构构和和它它接接受受光光能能后后内内部部发发生生的的各各种种变变化化过过程程（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）。实例实例1 1：发光二极管发光二极管(LED light emitting diode)(LED light emitting diode)LED LED是半导体的电致发光，利用电流通过是半导体的电致发光，利用电流通过p-np-n结发光。结发光。LED LED已是家用电器上不可缺的元件，家喻户晓。已是家用电器上不可缺的元件，家喻户晓。LED LED也用于大屏幕显示。也用于大屏幕显示。实例实例2 2：夹在两平行板电极间薄层材料产生的发光。夹在两平行板电极间薄层材料产生的发光。可可用用于于计计算算机机液液晶晶显显示示屏屏的的背背照照明明。(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。)&电致发光电致发光 EL(Electroluminescence)：用电场或电流产生的发光，最初译成场致发光。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材料中也获得了明亮的p-np-n结发光，其相应研究蓬勃开展起来。结发光，其相应研究蓬勃开展起来。如：电弧放电、火花放电、辉光放电如：电弧放电、火花放电、辉光放电是电子束激发的发光。是电子束激发的发光。应应用用：电电视视显显像像屏屏，当当然然还还包包括括计计算算机机、电电子子显显微微镜镜和各式各样电子仪器的显示屏。和各式各样电子仪器的显示屏。&阴极射线发光阴极射线发光 CL(Cathodoluminescence)：7070年年代代还还发发现现了了一一种种低低到到几几伏伏至至几几十十伏伏的的电电子子激激发发的的发发光光，叫叫做做低低能能电电子子发发光光，资资料料中中也也常常称称为为真真空空荧荧光光(Vacuum(Vacuum fluorescence)fluorescence)。不不过过能能产产生生这这种种荧荧光光的的物物质质极极其其有有限限，迄迄今今为为止止，能能实实际际应应用用的的只只有有ZnOZnO一一种种。但但从从事事显显示示研研究究的的科科技技人人员员仍仍对对之之很很感感兴兴趣趣，因因为为它它们们亮度极高。目前市场上仍然有产品。亮度极高。目前市场上仍然有产品。所所使使用用的的电电子子能能量量常常在在几几千千至至上上万万eVeV。高高能能电电子子束束进进入入发发光光体体后后撞撞击击晶晶格格，产产生生数数量量增增多多的的电电子子(次次级级电电子子)，次次级级电电子子又又会会产产生生能能量量不不断断减减小小，数数量量倍倍增增。最最后后大大量量、能能量量只只有有几几个个eVeV的的电电子子激激发发发发光光材材料料的的效效率率达到最大，材料因此强发光。达到最大，材料因此强发光。&放射线发光放射线发光 RL(Radioluminescence)：应用：应用：医用医用X光透视屏和摄像增感屏。光透视屏和摄像增感屏。是各种射线如是各种射线如、等核辐射激发的发光。等核辐射激发的发光。应用：应用：辐射剂量计。辐射剂量计。&X射线发光射线发光 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。电子激发发光。应应用用：紧紧急急照照明明等等。如如市市场场上上产产品品，一一种种含含两两种种隔隔离离开开化化合合物物的的透透明明容容器器，在在需需要要时时消消除除隔隔离离使使之之混混合合产产生生化化学学反反应应而而发光。这种产品能持续发光半小时以上，并有足够亮度发光。这种产品能持续发光半小时以上，并有足够亮度。&化学发光化学发光 (Chemiluminescence)&生物发光生物发光 (Bioluminescence)&摩擦发光摩擦发光 (Triboluminescence)&声致发光声致发光 (Sonoluminescence)三、发光材料三、发光材料&（1）发光与非发光材料并没有明显界限！）发光与非发光材料并没有明显界限！强激发强激发纯度提高纯度提高掺掺 杂杂自自然然界界中中天天然然或或合合成成的的发发光光体体数数量量很很大大。人人体体的的牙牙齿齿、指指甲甲，动动物物的的脂脂肪肪、卵卵、奶奶、皮皮肤肤，植植物物的的浆浆液液、油油、果实，又如蚕丝、树脂、叶绿体、纸张等果实，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、掺杂材料无机固体发光材料，大致可分为：纯材料、掺杂材料稀稀土土元元素素化化合合物物：Gd及及前前后后邻邻Sm,Eu,Tb,Dy等等5个个元素化合物（如硫酸盐等）是本身可以发光的。元素化合物（如硫酸盐等）是本身可以发光的。La CeSm Eu Gd Tb DyPr Nd PmHo Er Tm YbLu0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 144F电子的数目电子的数目 发光不是线谱的元素发光不是线谱的元素 只在作为掺杂时才发光的元素只在作为掺杂时才发光的元素固态、液态或作为掺杂时都可发光的元素固态、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）发光材料大类：纯发光材料+掺杂发光材料掺杂发光材料由由组组成成化化合合物物基基质质的的元元素素发发光光：低低温温下下阴阴极极射射线线激激发发纯纯ZnO、CaO、SrO等等，发发光光与与中中性性原原子子Zn、Ca、Sr的的电电子子跃迁频率间有明显关系，是后者和晶格结合的结果。跃迁频率间有明显关系，是后者和晶格结合的结果。由由组组成成化化合合物物的的原原子子团团发发光光：如如Pt(CN)42-，UO22+，WO42-及及MoO42-等。等。含含Pt(CN)42-材材料料：MxPt(CN)4YH2O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。含含UO22+化化合合物物：如UO2SO43H2O等，易形成复合物，如K2UO2(SO4)22H2O等，它们在紫外光激发下可发光。含含WO42-，MoO42-材材料料：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，占杂质含量极少，占10-3。杂杂质质可可以以改改变变发发光光材材料料的的性性能能，包包括括效效率率、余余辉辉、光光谱谱等等。在在电电致致发发光光中中，杂杂质质可可用用来来改改变变导导电电类类型型及电阻率等参量。及电阻率等参量。掺杂发光材料掺杂发光材料实实际际应应用用对对发发光光材材料料发发光光材材料料和和器器件件的的要要求求，主主要要是是发发光光效效率率、亮亮度度、余余辉辉及及光光谱谱等等基基本本特特征征，发发光光的技术应用就是以这些主要特征为的技术应用就是以这些主要特征为依据依据而发展的。而发展的。第二章第二章 光致发光光致发光 2.1 2.1 光致发光主要特征及一般规律光致发光主要特征及一般规律2.2 2.2 光致发光材料的制备工艺及其原理光致发光材料的制备工艺及其原理2.3 2.3 光致发光材料及其应用光致发光材料及其应用2.3.1 2.3.1 长余辉材料长余辉材料2.3.2 2.3.2 灯用荧光材料灯用荧光材料2.3.3 2.3.3 上转换发光材料上转换发光材料 当当物物质质受受到到诸诸如如光光照照、外外加加电电场场或或电电子子束束轰轰击击等等的的激激发发后后，吸吸收收了了外外界界能能量量，其其电电子子处处于于激激发发状状态态，物物质质只只要要不不因因此此而而发发生生化化学学变变化化，当当外外界界激激发发停停止止以以后后，处处于于激激发发状状态态的的电电子子总总要要跃迁跃迁回到基态回到基态。在在这这个个过过程程中中，一一部部分分多多余余能能量量通通过过光光或或热热的的形形式式释释放放出出来来。这部分能量以光的电磁波形式发射出来，即称为发光现象。这部分能量以光的电磁波形式发射出来，即称为发光现象。概概括括地地说说，发发光光就就是是物物质质内内部部以以某某种种方方式式吸吸收收能能量量以以后后，以以热热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。发光概念发光概念/内涵：内涵：用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。是指是指激发激发波长落在波长落在从紫外到近红外从紫外到近红外这个范围内的发光。这个范围内的发光。光致发光概念光致发光概念/内涵：内涵：2.1 2.1 光致发光主要特征及一般规律光致发光主要特征及一般规律发光材料对光的吸收遵循：发光材料对光的吸收遵循：I()=I0()e-kx一、吸收光谱一、吸收光谱吸收光谱：吸收光谱：k k随波长（或频率）的变化。随波长（或频率）的变化。当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分透射，剩下的被吸收。只有被吸收的这部分光才对发光起作用。但是也不是所有被吸收的光的各个波长都能起激发作用。研究哪些波长被吸收，吸收多少，显然是重要的。I0()初始强度；初始强度；I()光通过厚度光通过厚度x后的强度后的强度k吸收系数（不依赖光强、但随波长变化而变化）吸收系数（不依赖光强、但随波长变化而变化）发发光光材材料料的的吸吸收收光光谱谱，首首先先决决定定于于基基质质，而而激激活活剂剂和和其其他他杂质也起一定的作用，它们可以产生吸收带或吸收线。杂质也起一定的作用，它们可以产生吸收带或吸收线。二、反射光谱二、反射光谱如果材料是一块单晶，经过适当的加工（如切割、抛光等），利用分光光度计并考虑到反射的损失，就可以测得吸收光谱。但是多数实用得发光材料都是粉末状，是由微小的晶粒组成的。这对精确测量吸收光谱造成很大的困难。在得不到单晶的情况下，通常只能通过材料的反射光谱来估计他们对光的吸收。当粉末层足够厚时，光在粉末中通过无数次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射的那一侧。这样，我们就可以理解为什么反射率能够反映材料的吸收能力。同时也可以知道，在这种多次折射与反射的情况下，吸收和反射的数量关系是很复杂的。我们只能说，如果材料对某个波长的吸收强，反射率就低。反之，反射率就高。但不能认为反射光谱就是吸收光谱。反射光谱是指反射光谱是指反射率反射率R R随波长（或频率）的变化。随波长（或频率）的变化。反反射射率率是是指指反反射射光光的的总总量量（粉粉末末，指指漫漫反反射射）和和入入射射光的总量之比。光的总量之比。是是指指发发光光的的某某一一谱谱线线或或谱谱带带的的强强度度随随激激发发光光波波长长（或或频率）的变化。频率）的变化。横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。三、激发光谱三、激发光谱内涵：内涵：激发光谱激发光谱反映不同波长的光激发材料的效果。反映不同波长的光激发材料的效果。表示对发光起作用的激发光的波长范围。表示对发光起作用的激发光的波长范围。吸吸收收光光谱谱只只说说明明材材料料的的吸吸收收，至至于于吸吸收收后后是是否否发发光光，则不一定。则不一定。把把吸吸收收光光谱谱和和激激发发光光谱谱相相互互对对比比，就就可可判判断断哪哪些些吸吸收收对发光是有贡献的，哪些是不起作用的。对发光是有贡献的，哪些是不起作用的。是指发光的能量按波长或频率的分布。是指发光的能量按波长或频率的分布。四、发光光谱（也称发射光谱）四、发光光谱（也称发射光谱）通常实验测量的是发光的相对能量。通常实验测量的是发光的相对能量。发射光谱中发射光谱中,横坐标为波长横坐标为波长(或频率或频率),),纵坐标为发光相对强度。纵坐标为发光相对强度。带谱带谱线谱线谱以三价稀土离子为激活剂的材料为例：这种材料的三价稀土离子的能级结构和自由的三价稀土离子非常相似，因此可以确定各条谱线的来源。这对研究发光中心及其在晶格中的位置很有用处。一般，光谱形状可用高斯函数表示：一般，光谱形状可用高斯函数表示：E=E0 exp-a(-0)2频率，频率，E、E0频率频率,0处相对能量，处相对能量，正常数正常数（二）晶体内产生电子和空穴：（二）晶体内产生电子和空穴：将将任任意意运运动动，激激发发状状态态也也就就不不会会局局限限在在一一个个地地方方，而将发生转移。而将发生转移。五、能量传输五、能量传输离子被激发到较高能量状态离子被激发到较高能量状态产生电子和空穴产生电子和空穴（一）离子被激发：（一）离子被激发：处于激发态离子可以和附近离子处于激发态离子可以和附近离子相互作用相互作用将激发能量传出去。将激发能量传出去。则原来被激发的离子回到基态，而附近的离子则转到激发态。则原来被激发的离子回到基态，而附近的离子则转到激发态。这样的过程可以一个接一个继续下去，形成激发能量的传输。这样的过程可以一个接一个继续下去，形成激发能量的传输。激激发发的的离离子子处处于于高高能能态态，它它们们就就不不是是稳稳定定的的，随随时时有有可可能回到基态。能回到基态。在在回回到到基基态态的的过过程程中中，如如果果发发射射出出光光子子，这这就就是是发发光光，这个过程就叫做这个过程就叫做发光跃迁发光跃迁或辐射跃迁。或辐射跃迁。如如果果离离子子在在回回到到基基态态时时不不发发射射光光子子，而而将将激激发发能能散散发发为热（晶格振动），为热（晶格振动），这就称为无辐射跃迁或这就称为无辐射跃迁或猝灭猝灭。六、发光和猝灭六、发光和猝灭（一）离子被激发到较高能量状态（一）离子被激发到较高能量状态 情况情况并不是激发能量全部都要经过传输，能量传输也不会无限的延续下去。激激发发的的离离子子是是发发射射光光子子，还还是是发发生生无无辐辐射射跃跃迁迁，或或者者是是将将激激发发能能量量传传递递给给别别的的离离子子，这这几几种种过过程程都都有有一一定定的的几几率率，决决定定于于离子周围的情况（如近邻离子的种类、位置等）。离子周围的情况（如近邻离子的种类、位置等）。（二）产生电子和空穴（二）产生电子和空穴 情况情况由激发而产生的电子和空穴，不稳定，最终将会复合。由激发而产生的电子和空穴，不稳定，最终将会复合。在复合以前有可能经历复杂的过程。如，它们可能分别被杂质离子或晶格缺陷所捕获，由于热振动而又可能获得自由，这样可以反复多次，最后才复合而放出能量。一一般般而而言言，电电子子和和空空穴穴总总是是通通过过某某种种特特定定的的中中心心而而实实现现复合的。复合的。发光和猝灭在发光材料中发光和猝灭在发光材料中互相独立互相竞争互相独立互相竞争的两种过程。猝灭的两种过程。猝灭占优势时发光就弱，效率也低。反之，发光就强，效率也高。占优势时发光就弱，效率也低。反之，发光就强，效率也高。若若复复合合后后发发射射出出光光子子，这这种种中中心心就就是是发发光光中中心心（可可以以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂）是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂）有有些些复复合合中中心心将将电电子子和和空空穴穴复复合合的的能能量量转转变变为为热热而而不不发射光子，这样的中心就叫做发射光子，这样的中心就叫做猝灭中心猝灭中心发发 光光 谱谱 带带 总总 是是 位位 于于 其其 相相 应应 激激 发发 谱谱 带带 的的 长长 波波 边边Stokes定律：定律：发光的光子能量发光的光子能量 小于小于 激发光的光子能量激发光的光子能量七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光七、斯托克斯定律和反斯托克斯发光如把一种材料的发射光谱和激发光谱加以比较，就会发现，绝大多数的情况下，发光谱带总是位于相应的激发谱带的长波边。例如，发光在红区，激发光多半在蓝区；发光在可见区，激发光多半在紫外区。E13E12E11E03E02E01发光中心的能级结构示意图发光中心的能级结构示意图E E0101，E E0202，E E0303 基态时的不同振动能级基态时的不同振动能级E E1111，E E1212，E E1313激发态不同的振动能级激发态不同的振动能级 （材料的发光谱带位于其相应激发谱带的长波边）（材料的发光谱带位于其相应激发谱带的长波边）吸收光子，跃迁；吸收光子，跃迁；在在E12马马上上与与周周围围环环境境相相互互作作用用，交交出出部部分分能能量量，转转移移到到E11；损损失了部分能量。失了部分能量。一一般般，系系统统与与周周围围环环境境取取得得热热平平衡衡后后在在振振动动能能级级上上的的分分布布，大大致致和和exp(-E/KT)成成正正比比。E是是较较高高振振动动能能级级与与最最低低振振动动能级间的距离。能级间的距离。系系统统与与周周围围晶晶格格的的热热平平衡衡所所需需的的时时间间远远远远短短于于电电子子在在激激发发态态上的寿命。上的寿命。由由此此可可见见，系系统统一一旦旦被被激激发发到到高高的的振振动动能能级级，绝绝大大多多数数要要趋趋向低振动能级向低振动能级。中中心心从从周周围围环环境境获获得得能能量量，从从E12E12转转移移到到E13E13、1414，然后跃迁到，然后跃迁到E01E01。则则发发光光光光子子能能量量就就大大于于激发光子能量。激发光子能量。这这种种发发光光称称为为反反斯斯托托克克斯发光。斯发光。反斯托克斯发光反斯托克斯发光:E13E12E11E03E02E01E14这是从这是从晶格振动取得能量晶格振动取得能量，产生反，产生反StokesStokes发光。发光。通过通过多光子吸收多光子吸收，产生反，产生反StokesStokes发光：发光：两个或多个光子两个或多个光子“合成合成”一个大光子一个大光子过程多种多样过程多种多样待后面细讲待后面细讲 通常有三种表示法：通常有三种表示法：量子效率量子效率q 功率效率（能量效率）功率效率（能量效率）p 光度效率（流明效率）光度效率（流明效率）l八、发光效率八、发光效率 量子效率量子效率q：是指发射的是指发射的光子数光子数Nf与激发时吸收的光子数（或电子与激发时吸收的光子数（或电子数）数）Nx之比之比。但但一一般般总总有有能能量量损损失失，激激发发光光光光子子能能量量常常大大于于发发射射光光光子能量。光子能量。当当激激发发光光波波长长比比发发光光波波长长短短很很多多时时，这这种种能能量量损损失失（斯托克斯损失）就很大。（斯托克斯损失）就很大。如如日日光光灯灯中中激激发发光光波波长长为为254nm254nm（汞汞线线），发发光光的的平平均波长可以算作是均波长可以算作是550nm550nm。因因此此，即即使使量量子子效效率率为为1 1（或或100%100%），但但斯斯托托克克斯斯能能量损失却有量损失却有1/21/2以上。以上。所以所以量子效率反映不出来，引入功率效率量子效率反映不出来，引入功率效率。功率效率（能量效率）功率效率（能量效率）p：是指发射光的是指发射光的光功率光功率Pf与被吸收的光功率与被吸收的光功率Px（或激发（或激发时输入的电功率）之比时输入的电功率）之比。发光器件总要作用于人眼。发光器件总要作用于人眼。人眼只能感觉到可见光，且在可见光范围内，人眼只能感觉到可见光，且在可见光范围内，对不同波对不同波长光的敏感程度差别极大长光的敏感程度差别极大。人眼对人眼对555nm555nm绿光绿光最敏感，随波长变化其相对视感度通常最敏感，随波长变化其相对视感度通常用视见函数用视见函数（）表示：表示：功功率率效效率率很很高高的的发发光光器器件件发发出出的的光光，人人眼眼看看起起来来不见得很亮。不见得很亮。用人眼衡量发光器件功能时，引入流明效率。用人眼衡量发光器件功能时，引入流明效率。流明效率流明效率l：发射的发射的光通量光通量L（以流明为单位）与激发时输入的电与激发时输入的电功率或被吸收的其他形式能量总功率功率或被吸收的其他形式能量总功率Px之比之比。对对于于光光致致发发光光来来说说，如如果果激激发发光光是是单单色色或或接接近近单单色色的的，波波长长为为x x,发发射射光光也也是是单单色色或或接接近近单单色色的的,波波长长为为f f,则则量子效率与功率效率有如下关系：量子效率与功率效率有如下关系：九、发光的衰减九、发光的衰减发光像章持续发光几小时，日光灯关闭上发光，也持续一定时间发光像章持续发光几小时，日光灯关闭上发光，也持续一定时间发发光光与与其其他他光光发发射射现现象象的的根根本本区区别别就就在在于于持持续续时时间间。这这个个持持续续时时间间来来自自于于电电子在各种高能量状态的寿命。子在各种高能量状态的寿命。假假定定发发光光材材料料中中某某种种离离子子被被激激发发，没没有有能能量量传传递递发发生生，激发到高能态电子终究要回到基态。激发到高能态电子终究要回到基态。如如果果在在某某一一时时刻刻t共共有有n个个电电子子处处在在某某一一激激发发能能级级，在在dt时时间间内内跃跃迁迁到到基基态态的的电电子子数数目目dn应应该该正正比比于于ndt，即：即：dn=-a n dt （公式公式1）这里比例常数这里比例常数a表示电子跃迁到基态的几率。表示电子跃迁到基态的几率。分离变量：分离变量：由此可以得到由此可以得到 n0是初始时刻（是初始时刻（t=0）被激发的电子数）被激发的电子数dn=-a n dt（公式（公式2）可以证明：电子在激发态的平均寿命就是可以证明：电子在激发态的平均寿命就是1/a=1/a=。作作业业：n n0 0是是初初始始时时刻刻（t=0t=0）被被激激发发的的电电子子数数，已已知知寿寿命命是是指指电电子子数数变变为为初初始始电电子子数数的的1/e1/e时时所所经经历历的的时时间间，试证明：电子在激发态的平均寿命就是试证明：电子在激发态的平均寿命就是1/a=1/a=因为因为 所以所以 令：令：=即：即：-at=-1求解：寿命求解：寿命t=1/a。发光强度发光强度I应该正比于电子跃迁到基态的速率，即应该正比于电子跃迁到基态的速率，即 I dn/dt可得：可得：I=I0e-at (由公式由公式2直接得知直接得知)即：发光以即：发光以指数形式衰减指数形式衰减。在在秒后，发光强度为初始强度秒后，发光强度为初始强度1/e。称衰减常数。称衰减常数。发光材料的发光材料的值，短至毫微秒数量级，长达几秒、几十秒甚至更长。值，短至毫微秒数量级，长达几秒、几十秒甚至更长。实实验验中中，测测出出不不同同时时间间的的发发光光强强度度，在在单单对对数数坐坐标标上上作作图图，可可以得到一条直线，其斜率就是以得到一条直线，其斜率就是a，从而可以得到，从而可以得到值。值。指数式衰减，基本形式。复杂，叠加。指数式衰减，基本形式。复杂，叠加。很多长余辉材料的衰减遵循双曲线式。很多长余辉材料的衰减遵循双曲线式。十、热致释光与红外释光十、热致释光与红外释光 双双曲曲线线式式衰衰减减，温温度度对对之之有有很很大大影影响响，温温度度降降低低到到一一定的程度，激发停止后的发光很快地完全停止。定的程度，激发停止后的发光很快地完全停止。当当温温度度升升高高时时，发发光光又又逐逐渐渐加加强强，这这种种现现象象称称为为加加热热发光或热致释光，有时简称发光或热致释光，有时简称热释光热释光。注注意意：加加热热发发光光不不是是说说用用热热来来激激发发发发光光，而而是是用用热热来来释释放放光光能能，意意味味着着，发发光光材材料料能能够够贮贮存存激激发发能能，当当温温度升高以后，将贮存的光能逐渐释放出来。度升高以后，将贮存的光能逐渐释放