1、n1.1 发光基础发光基础 概念概念1.2 发光材料的主要特性与规律发光材料的主要特性与规律1.3 能量的传递和输运能量的传递和输运1.4 光与颜色光与颜色第第1章章 发光材料的基础知识发光材料的基础知识1.1 发光基础概念发光基础概念1.1.1 光与电磁波辐射光与电磁波辐射 光的本质：电磁波光的本质：电磁波图图1-1 电磁波频谱电磁波频谱E = h = hc/ E (eV) = )(1240nm = 1.24 10-4 w (cm-1) w (cm-1) = )(107nm= 8064.5E (eV) 表表 1 -1各种可见光色对应的真空中的光波波长（各种可见光色对应的真空中的光波波长（nm
2、）光色光色紫光紫光蓝光蓝光天蓝天蓝绿光绿光黄绿黄绿黄光黄光橙光橙光红光红光波长波长380-420420-490490-500500-550550-570570-590590-620620-760光光紫外辐射（紫外辐射（ultraviolet）10nm-380 nm红外辐射红外辐射 (infrared) 780 nm-1 mm可见可见 (visible) 380nm-780 nm发光的定义发光的定义：发光就是物质在热辐射之外，体系受外界的激发，偏离发光就是物质在热辐射之外，体系受外界的激发，偏离原来的平衡态，在回复到平衡态的过程中，以光的形式发射出多余的能原来的平衡态，在回复到平衡态的过程中，以
3、光的形式发射出多余的能量，而这种多余能量的发射过程具有一定的量，而这种多余能量的发射过程具有一定的持续时间持续时间。发光是一种非平。发光是一种非平衡辐射。衡辐射。发发 光光 =明明 亮亮(?)白炽灯白炽灯-钨丝通电加热到钨丝通电加热到2000 左右产生左右产生-热辐射热辐射。热辐射热辐射:是一种普遍现象，与物体受热后有较高的温度有关，是固体晶是一种普遍现象，与物体受热后有较高的温度有关，是固体晶格在高温下剧烈振动产生的格在高温下剧烈振动产生的 ，是一种热平衡状态的辐射。，是一种热平衡状态的辐射。注意：注意：1 发光是由发光物质的电子在不同能级间跃迁产生的。发光是由发光物质的电子在不同能级间跃迁
4、产生的。 2 发光过程仅伴有极少量的热辐射。发光过程仅伴有极少量的热辐射。3非平衡热辐射还有发射和散射等非平衡热辐射还有发射和散射等荧光和磷光荧光和磷光:一般将激发停止后仍然发出的光称作磷光，如长余辉发一般将激发停止后仍然发出的光称作磷光，如长余辉发光材料所发的光是典型的磷光。曾将激发停止后持续时间大于光材料所发的光是典型的磷光。曾将激发停止后持续时间大于10-8秒秒的发光叫做磷光，现在对荧光和磷光不做严格的区别。的发光叫做磷光，现在对荧光和磷光不做严格的区别。1.1.2 发光发光固体发光的两个基本特征固体发光的两个基本特征:（1） 任何物体在一定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指任何物体在一
5、定温度下都具有平衡热辐射，而发光是指吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分；吸收外来能量后，发出的总辐射中超出平衡热辐射的部分；（2） 当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段当外界激发源对材料的作用停止后，发光还会持续一段时间，这是固体发光与其它光发射现象的根本区别。时间，这是固体发光与其它光发射现象的根本区别。发光是一种宏观现象，但它和晶体内部的缺陷结构、能带结构、发光是一种宏观现象，但它和晶体内部的缺陷结构、能带结构、能量传递、载流子迁移等微观性质和过程密切相关。能量传递、载流子迁移等微观性质和过程密切相关。基态基态：能量最低的平衡状态：能量最低的平衡状态激发态：原子
6、或分子吸收一激发态：原子或分子吸收一定的能量后，电子被激发到定的能量后，电子被激发到较高较高能级能级但尚未电离的状态但尚未电离的状态 卤粉卤粉Ca5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+（1） 自然界中的发光材料自然界中的发光材料（2 ） 17世纪开始，发光现象称为实验科学的研究对象世纪开始，发光现象称为实验科学的研究对象1 发光材料简介：发光材料简介：（3 ） 1852年，光致发光第一个规律年，光致发光第一个规律-Stocks定律提出定律提出（4） 1867年，红宝石的光谱特性年，红宝石的光谱特性（5） 1878年，阴极射线发光的研究年，阴极射线发光的研究（6） 19世纪末世纪末20世纪初，世
7、纪初，X射线和核辐射的发现射线和核辐射的发现（7） 1905年，爱因斯坦用光子的概念揭示年，爱因斯坦用光子的概念揭示Stocks规律的意义规律的意义（8 ）1913年，波尔提出原子结构的量子理论年，波尔提出原子结构的量子理论-发光学的理论基础发光学的理论基础（9） X射线激发的射线激发的CaWO4医用照相，寻找钨矿，以及其它类医用照相，寻找钨矿，以及其它类发光材料在显示、照明等方面的广泛医用发光材料在显示、照明等方面的广泛医用1.1.3发光材料发光材料发光材料定义发光材料定义:发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形发光体，是一种能够把从外界吸收的各种形式的能量转换为非平衡光辐射的功能材料。式的
8、能量转换为非平衡光辐射的功能材料。 基质基质：发光材料中的主体物质：发光材料中的主体物质激活剂（发光中心）激活剂（发光中心）：掺入的：掺入的杂质，决定材料的发光性能杂质，决定材料的发光性能发光材料组成：发光材料组成：荧光粉：一定的激发条件下能发光的无机粉末材料，一般指的荧光粉：一定的激发条件下能发光的无机粉末材料，一般指的是粉末晶体，也称为磷光体（是粉末晶体，也称为磷光体（phosphors),含有稀土离子的则成含有稀土离子的则成为稀土荧光粉为稀土荧光粉.1. 基质组成中阳离子应具有惰性气体元素电子构型，或具有闭壳层电子结构基质组成中阳离子应具有惰性气体元素电子构型，或具有闭壳层电子结构2.
9、阳离子和阴离子都必须是光学透明的；阳离子和阴离子都必须是光学透明的；3. 晶体应具有确定的某种缺陷。晶体应具有确定的某种缺陷。作为基质化合物至少应具备如下基本条件：作为基质化合物至少应具备如下基本条件：已用作基质的无机化合物主要有已用作基质的无机化合物主要有：1. 氧化物及复合氧化物，如氧化物及复合氧化物，如Y2O3，Gd2O3，Y3AI5O12(YAG)，SrTiO3等；等；2. 含氧酸盐，如硼酸盐，铝酸盐，镓酸盐，硅酸盐，磷酸盐，钒酸盐，钼酸盐和含氧酸盐，如硼酸盐，铝酸盐，镓酸盐，硅酸盐，磷酸盐，钒酸盐，钼酸盐和钨酸盐以及卤磷酸盐等。钨酸盐以及卤磷酸盐等。3.3.稀土卤氧化物（如稀土卤氧化
10、物（如LaOCl，LaOBr），稀土硫氧化物（如），稀土硫氧化物（如Y2O2S，Gd2O2S）等）等。激活剂：激活剂掺入到基质中后以离子形式占据晶体中某种阳离子格位构激活剂：激活剂掺入到基质中后以离子形式占据晶体中某种阳离子格位构成发光中心，因此激活离子又被称作发光中心离子。激活离子的电子跃迁是成发光中心，因此激活离子又被称作发光中心离子。激活离子的电子跃迁是产生发光的根本原因。产生发光的根本原因。激活离子在基质中能够产生电子跃迁实现发光，须遵循一定选择定则。主激活离子在基质中能够产生电子跃迁实现发光，须遵循一定选择定则。主要有：要有：拉鲍特定则（拉鲍特定则（LaPortes Rule，亦称宇
11、称选择定则：，亦称宇称选择定则：在中心对称环境在中心对称环境中，跃迁仅允许发生在相反宇称状态之间，否则是禁戒的中，跃迁仅允许发生在相反宇称状态之间，否则是禁戒的）和和自旋选择定则自旋选择定则（Spin selection Rule：跃迁仅允许发生在相同自旋多重态之间跃迁仅允许发生在相同自旋多重态之间 ）。激活离子的选择条件：激活离子的选择条件：具有未充满轨道；与基质中被取代离子半径相近具有未充满轨道；与基质中被取代离子半径相近。激活剂激活剂绿：激活元素绿：激活元素黄：等离子体元素（电压的作用下发生气体放电）黄：等离子体元素（电压的作用下发生气体放电）蓝紫：基质元素蓝紫：基质元素图图1-5“发光
12、元素周期表发光元素周期表”按被激发的按被激发的方式可分为方式可分为1.1.4 发光材料分类：发光材料分类：光致发光光致发光(photoluminescence，通常为紫外线，通常为紫外线)电致发光（电致发光（elctroluminescence,电压电压 )阴极射线发光（阴极射线发光（cathodoluminescence，电子束），电子束）X射线及高能粒子发光（射线及高能粒子发光（x-ray luminescence)）机械发光（机械发光（triboluminescence，如球磨），如球磨）化学发光化学发光(chemiluminescence化学反应产生的能量）化学反应产生的能量）生物发光
13、生物发光(bioluminescence )声发光声发光 (sonoluminescence )热释发光热释发光 (thermoluminescence )放射线发光放射线发光 (radioluminescence )(1) 定义：定义：用紫外线、可见光或红外线激发材料而产生的发光现象。用紫外线、可见光或红外线激发材料而产生的发光现象。(2) 材料分类：材料分类：荧光灯用发光材料、荧光灯用发光材料、LED发光材料、发光材料、PDP(Plasma Display Panel)用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。用发光材料、长余辉发光材料和上转换发光材料。(3) 实用材料：实用材料：荧光灯
14、用荧光灯用红粉红粉Y2O3:Eu3+ 、 绿粉绿粉CeMgAl11O19:Tb3+ 、蓝粉、蓝粉BaMgAl10O17:Eu2+；LED用用(Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce3+ ；PDP用用 ZnSiO4：Mn2+ 等。等。1 光致发光光致发光定义：定义：电场直接作用在物质上所产生的发光现象，电能转电场直接作用在物质上所产生的发光现象，电能转化为光能，是一种主动发光性冷光源。化为光能，是一种主动发光性冷光源。分类：分类：注入式发光和本征型发光（高能电子碰撞激发发光中心）。注入式发光和本征型发光（高能电子碰撞激发发光中心）。图1-6 注入式电致发光模型注入式电致发光模型2
15、电致发光电致发光:晶体材料都呈现一定规律的周期排列，内部原子存在较晶体材料都呈现一定规律的周期排列，内部原子存在较强的相互作用，导致电子能级的变化，许多相近的能级强的相互作用，导致电子能级的变化，许多相近的能级构成构成能带能带。许多重要的发光材料大部分都是选择在基质中掺入微量许多重要的发光材料大部分都是选择在基质中掺入微量杂质，使得基质晶格的规则排列被破坏，从而形成杂质，使得基质晶格的规则排列被破坏，从而形成缺陷缺陷能级能级，当外部光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，当外部光源照射时，电子就会在各种能级间跃迁，从而形成发光现象。，从而形成发光现象。掺杂到基质晶格中的激活剂的价态、在晶格中的位
16、置、掺杂到基质晶格中的激活剂的价态、在晶格中的位置、激活剂周围的情况，是否有共激活剂等，决定发光中心激活剂周围的情况，是否有共激活剂等，决定发光中心的发光特性。的发光特性。1.2 发光材料的主要特性与规律发光材料的主要特性与规律当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分被当光照射到发光材料上时，一部分被反射、散射，一部分被透射，剩余的部分被材料吸收透射，剩余的部分被材料吸收,遵循遵循beer定律定律其中，其中，I0() 为波长为为波长为的光照射到物质的强度；的光照射到物质的强度；I ()为光通过厚度为光通过厚度X的发光材料后的强度；的发光材料后的强度；X-厚度；厚度；k 是不依赖光强，
17、随波长而变化的函数，称为吸收系数是不依赖光强，随波长而变化的函数，称为吸收系数;1.2 .1光谱与能级光谱与能级1 吸收光谱（吸收光谱（absorption spectrum)几个概念吸收光谱吸收光谱以被吸收的光子的以被吸收的光子的能量能量(波长、波数和能量波长、波数和能量eV)为横坐为横坐标，吸光度标，吸光度D或或 、log 为纵坐标，给出分子对具有不同能量光为纵坐标，给出分子对具有不同能量光子的吸收特性。子的吸收特性。吸光度被吸收的光子的能量(波长、波数和能量eV)图1-7 吸收光谱吸收光谱图1-8 对于单晶发光材料，经过适当光学加工后对于单晶发光材料，经过适当光学加工后(如切割，抛如切割
18、，抛光光)，直接可以测其吸收光谱（考虑反射的损失）。对于，直接可以测其吸收光谱（考虑反射的损失）。对于多晶粉末发光材料多晶粉末发光材料，需测定其漫反射光谱。，需测定其漫反射光谱。漫发射漫发射：光线照到粗糙表面时，光线向四面八方散射和反射。：光线照到粗糙表面时，光线向四面八方散射和反射。漫发射率：漫发射率：指反射的光子数占入射光子数的百分数。指反射的光子数占入射光子数的百分数。 漫发射光谱：漫发射光谱：漫反射率随入射波长（或频率）变化的谱图。漫反射率随入射波长（或频率）变化的谱图。2 漫反射光谱漫反射光谱(diffuse reflection spectrum)SKRRRF2)1 ()(2Kub
19、elkaMunk function 图图1-9 漫反射光谱和吸收光谱漫反射光谱和吸收光谱图图1-10 (Ba,Ca,Mg)10(PO4)Cl2:Eu2+的激发光谱的激发光谱(a)和漫反射光谱（和漫反射光谱（b）最强激发谱峰位于最强激发谱峰位于365nm，而漫反射率最低处却在，而漫反射率最低处却在240340nm之间之间 激发光谱是通过测量荧光材料的发光能量随波长（或频率）变化激发光谱是通过测量荧光材料的发光能量随波长（或频率）变化而获得的光谱，反映的是不同波长的光激发材料时引起的荧光的相而获得的光谱，反映的是不同波长的光激发材料时引起的荧光的相对效率。激发光谱与吸收光谱是有差别的，因为并不是所
20、有被吸收对效率。激发光谱与吸收光谱是有差别的，因为并不是所有被吸收的光的各个波长都能起激发作用。激发光谱对分析发光的激发过程的光的各个波长都能起激发作用。激发光谱对分析发光的激发过程具有重要意义。具有重要意义。3 激发光谱激发光谱(excitation spectrum)发射光谱表示发光的能量按波长发射光谱表示发光的能量按波长(或频率或频率)的分布。发射光谱不仅的分布。发射光谱不仅与激发光的强度及波长密切相关而且直接反映激活离子的电子跃与激发光的强度及波长密切相关而且直接反映激活离子的电子跃迁，有时还反映出激活离子所处的迁，有时还反映出激活离子所处的晶格位置晶格位置-结构探针。结构探针。4 发
21、射光谱发射光谱( emission spectrum)图图1-11 一些发光材料的发射光谱一些发光材料的发射光谱 通常发光材料的光谱分带谱和线谱通常发光材料的光谱分带谱和线谱两种。典型的谱线形状有洛伦兹、两种。典型的谱线形状有洛伦兹、高斯形等（不同的物理机理）高斯形等（不同的物理机理）光谱曲线最大强度的一半所对应的两个波长之差，定义为该光谱光谱曲线最大强度的一半所对应的两个波长之差，定义为该光谱的谱线的宽度，称为半高宽，用来衡量发射光谱谱线宽窄程度。的谱线的宽度，称为半高宽，用来衡量发射光谱谱线宽窄程度。5 半高宽（半高宽（Full Width Half Maximum)原子有许多轨道，不同轨
22、道的电子所处的能量状态不同，原子有许多轨道，不同轨道的电子所处的能量状态不同，形成不同的能级（形成不同的能级（ energy level)，能级具有分立性，能级具有分立性.6 能级图能级图（energy level)基态基态(ground state) ：能量最低的平衡状态，原子核外电子都：能量最低的平衡状态，原子核外电子都位于离核最近的相应轨道旋转。位于离核最近的相应轨道旋转。激发态激发态 (excitation state)：原子或分子吸收一定的能量后，电子被激：原子或分子吸收一定的能量后，电子被激发到较高发到较高能级能级但尚未电离的状态但尚未电离的状态 .处于激发态的微观粒子均存在跃迁回
23、处于激发态的微观粒子均存在跃迁回基态的可能性，因为激发态不是最稳定的状态。基态的可能性，因为激发态不是最稳定的状态。能级简并能级简并 (degeneracy of energy level)：在某些情况下，对应于某一：在某些情况下，对应于某一能量能量E的能级，微观体系可以有的能级，微观体系可以有n个不同的状态，称为能级简并个不同的状态，称为能级简并 .能级分裂能级分裂 (split of energy level)：微观体系在电场、磁场作用下，使：微观体系在电场、磁场作用下，使原来简并的能级分裂成原来简并的能级分裂成n个能级的现象个能级的现象 .能级图能级图（）：按照微观粒按照微观粒子（原子、
24、离子、分子或某些基团等）体系容许具有的能量大小，子（原子、离子、分子或某些基团等）体系容许具有的能量大小，由低到高按次序用一些线段表示出来。光谱是能级之间跃迁的宏观由低到高按次序用一些线段表示出来。光谱是能级之间跃迁的宏观反映。（能级的数目是无限的）反映。（能级的数目是无限的）图图1-12用来表示原子（或离子）所处能量状态的符合，称为光谱用来表示原子（或离子）所处能量状态的符合，称为光谱项，通常表示为项，通常表示为2S+1LJ (L总轨道量子数，总轨道量子数，L为为0.1.2.3.4.5数数值，分别用值，分别用S,P,D,F,G,H表示，表示，S总自旋量子数，总自旋量子数，J总角动总角动量量子
25、数）。量量子数）。如如Pr3+,最外层有两个自旋平行的最外层有两个自旋平行的f电子，基态光谱项电子，基态光谱项3H4Pr3+ S=1磁量子数磁量子数m分别为分别为3,2，L=5，H表示表示轻稀土轻稀土J= =L-S = 4Stokes law:发光材料的发射波长一般总是大于激发光波长发光材料的发射波长一般总是大于激发光波长，即发光的光子能量必然小于激发光的光子能量，激发光波，即发光的光子能量必然小于激发光的光子能量，激发光波长长(或能量或能量)与发射光波长与发射光波长(或能量或能量)之差称为之差称为Stokes位移。位移。7 Stokes 定律和反定律和反 stokes 发光（发光（anti-
26、Stokes luminescence图图 1-13 Ba2SiO4： Eu2+的激发和发射光谱的激发和发射光谱Stokes位移的原因最主要位移的原因最主要是由于体系与周围晶格热平是由于体系与周围晶格热平衡从高振动能级趋于低振动衡从高振动能级趋于低振动能级损耗能量的原因。能级损耗能量的原因。注意：注意：上转换材料用近红外线（上转换材料用近红外线（1000nm左右）激发，可左右）激发，可以得到红色、绿色或者蓝色发光。这些反以得到红色、绿色或者蓝色发光。这些反Stokes发光是通发光是通过吸收两个光子而发出一个大能量的光子来实现过吸收两个光子而发出一个大能量的光子来实现图1-14 能级图能级图 8
27、 晶体场理论 晶体场理论：当配体逼近中心原子时便在中心原子周围形成了一个静电晶体场理论：当配体逼近中心原子时便在中心原子周围形成了一个静电场场 (称为配位场或晶体场称为配位场或晶体场)，配体与中心原子（或离子）之间的相互作用，配体与中心原子（或离子）之间的相互作用力为静电作用力。因此晶体场理论在本质上就是静电相互作用理论。力为静电作用力。因此晶体场理论在本质上就是静电相互作用理论。n晶体场理论是研究过渡族或稀土元素（络合物）化学键的理论。它在静晶体场理论是研究过渡族或稀土元素（络合物）化学键的理论。它在静电理论的基础上，结合量子力学和群论（研究物质对称的理论）的一些电理论的基础上，结合量子力学
28、和群论（研究物质对称的理论）的一些观点，来解释过渡族元素和镧系元素的物理和化学性质，着重研究配位观点，来解释过渡族元素和镧系元素的物理和化学性质，着重研究配位体对中心离子的体对中心离子的d轨道的影响。轨道的影响。基本要点基本要点中心思想：中心思想：静电理论静电理论中心离子的五个价层简并的中心离子的五个价层简并的d轨道在配体场作用下产生能级分裂轨道在配体场作用下产生能级分裂中心离子和配体之间本质是电性吸引的结果中心离子和配体之间本质是电性吸引的结果分裂后分裂后d轨道中的电子重新排列轨道中的电子重新排列正八面体场中的正八面体场中的 d 轨道能级分裂轨道能级分裂 dz2，dx2-y2轨道能级升高程度
29、大；轨道能级升高程度大； dxy, dxz , dyz轨道能级升高程度小轨道能级升高程度小ESdxy, dxz , dyzt2gdz2，dx2-y2eg自由自由离子离子球对球对称场称场 O八面八面体场体场晶体场效应是晶体场效应是d轨道能级轨道能级平均平均升高了升高了ES（晶体场稳定能）（晶体场稳定能）-ES分裂能分裂能定义：定义： O = eg- t2g= 10Dq O可由实验得到，可由实验得到，不同配合物不同配合物 O不同不同Eeg- Et2g=10Dq2Eeg+ 3Et2g=0Eeg= 6DqEt2g= -4Dq不同配体场中不同配体场中 d 轨道的分裂情况轨道的分裂情况 影响分裂能影响分裂
30、能( )的因素的因素n中心离子中心离子n电荷越高，电荷越高， 值值越大越大n主量子数主量子数n越大，越大， 值值越大越大n配体配体n光谱化学序列光谱化学序列 IBrClSCNFOHONOHCOOC2O42- H2ONCSEDTANH3 enbipy phenSO32-NO2八面体场八面体场 四面体场四面体场 晶体场理论的应用晶体场理论的应用n解释、预测配合物的空间构型及其形变解释、预测配合物的空间构型及其形变n解释配合物的热力学稳定性解释配合物的热力学稳定性n解释配合物的颜色、吸收光谱、发射光谱解释配合物的颜色、吸收光谱、发射光谱n决定配合物的高低自旋态，说明磁性决定配合物的高低自旋态，说明磁
31、性配合物的吸收光谱配合物的吸收光谱八面体配合物八面体配合物Ti(H2O)63+发发生生(t2g)1(eg)0 (t2g)0(eg)1跃迁，跃迁，称为称为d-d跃迁。跃迁。 Ohd-d跃迁跃迁吸收波长为吸收波长为500nm左右绿色光，看到的透射光是补色左右绿色光，看到的透射光是补色Ti3+离子水溶液呈紫色。离子水溶液呈紫色。 是解释电子是解释电子-声子（声子（振动的量子振动的量子）相互作用的一种物理模型，描述发光离子和它周围）相互作用的一种物理模型，描述发光离子和它周围晶格离子所形成体系的能量与周围晶格离子位置之间的关系图。横轴来代表晶格离子所形成体系的能量与周围晶格离子位置之间的关系图。横轴来
32、代表离子的离子的位置位置，纵轴表示，纵轴表示电子电子-离子系统的能量离子系统的能量，包括电子能量和离子势能以及电子和离子之，包括电子能量和离子势能以及电子和离子之间的相互作用能。两条曲线分别代表系统基态能量，和激发态的能量，曲线上的水间的相互作用能。两条曲线分别代表系统基态能量，和激发态的能量，曲线上的水平横线表示晶格振动能级，平横线表示晶格振动能级，S代表黄昆因子，是描述晶格驰豫大小的能量。代表黄昆因子，是描述晶格驰豫大小的能量。1.2.2 位形坐标图（位形坐标图（Configuration coordinate)图图1-15 位形坐标图位形坐标图由于这种坐标模型考虑由于这种坐标模型考虑到电
33、子和点阵间的相互到电子和点阵间的相互作用，所以它能解释温作用，所以它能解释温度猝灭，高温时谱带展度猝灭，高温时谱带展宽，宽，Stokes位移，材料位移，材料不发光，发射波长随温不发光，发射波长随温度变化多种实验现象。度变化多种实验现象。 1 1 解释激发能带和发射能带之间的解释激发能带和发射能带之间的stokesstokes位移。位移。（由于电子运动速度非常快，热平衡过程在跃迁发（由于电子运动速度非常快，热平衡过程在跃迁发生之前就已完全到达，光学跃迁是垂直进行的）生之前就已完全到达，光学跃迁是垂直进行的） 利用位形坐标图定性解释发光中的问题：利用位形坐标图定性解释发光中的问题：图1-16 位形
34、坐标图位形坐标图 2 2 解释晶体发光的温度猝灭问题（大多数发光解释晶体发光的温度猝灭问题（大多数发光材料，发光强度会随着温度上升而降低。材料，发光强度会随着温度上升而降低。图图1-17 Sr0.8Eu0.2Si2O2-zN2+2z/3荧光材料荧光材料发射光谱随温度变化发射光谱随温度变化(77-425 K, ex = 370 nm) 图1-18 发光的温度猝灭的位形坐标图发光的温度猝灭的位形坐标图激发态和基态位形曲线斜率不同（温度高，发光激发态和基态位形曲线斜率不同（温度高，发光中心晶格振动增强中心晶格振动增强, ,激发态的能量升高到交点处的激发态的能量升高到交点处的几率增大几率增大. .基态
35、和激发态的发光中心离子间的相对基态和激发态的发光中心离子间的相对位置位置R R大，猝灭温度低，反之，猝灭温度高）大，猝灭温度低，反之，猝灭温度高） 关于位形坐标图中关于位形坐标图中R的应用的应用(1)发光材料中，阳离子被激发后发光材料中，阳离子被激发后R0，阴离子被激发后，阴离子被激发后R 0如如KCl:Tl, Tl+-6S2,激发后电子激发后电子6s跃迁到跃迁到6p,电子云的分布扩大，对电子云的分布扩大，对周围负离子的吸引力变大，周围离子会更靠近周围负离子的吸引力变大，周围离子会更靠近Tl+ , R0阴离子被激发，电子云扩大，阴离子电负性变小，对阳离子吸引阴离子被激发，电子云扩大，阴离子电负
36、性变小，对阳离子吸引变小，位形的平衡距离变大变小，位形的平衡距离变大R0(2)激活剂的半径大于置换的离子半径，并且激发的是阴离激活剂的半径大于置换的离子半径，并且激发的是阴离子，子， R0 ，R较小；反之较小；反之R变大变大(3)激发的是阳离子时，激发的是阳离子时， R0，激活剂的半径大于置换，激活剂的半径大于置换的离子半径，的离子半径， R的绝对值可能很大的绝对值可能很大 表表1-1 Ln0.9Eu0.1SO6的猝灭温度的猝灭温度Eu3+的半径时的半径时0.98埃米，埃米，结论：电荷迁移，猝灭温度和发光效率随稀土离子半径增大而结论：电荷迁移，猝灭温度和发光效率随稀土离子半径增大而逐渐降低逐渐
37、降低 3 3 解释吸收光谱在高温时谱带展宽。（温度越解释吸收光谱在高温时谱带展宽。（温度越高，基态、激发态离子振幅越大）高，基态、激发态离子振幅越大）图1-16 位形坐标图位形坐标图 4 4 解释材料不发光（位形曲线错开较远，激发解释材料不发光（位形曲线错开较远，激发态曲线上的平衡点处在基态曲线的范围之外）态曲线上的平衡点处在基态曲线的范围之外）图1-19 不发光材料的位形坐标图 5 5 说明激发光谱和发射光谱属于高斯分布线形说明激发光谱和发射光谱属于高斯分布线形图1-20表达荧光粉发射带和激发带产生的位形坐标图（1 1） 光谱带大多数是在几秒的光谱带大多数是在几秒的时间内测量的大量的单个跃迁
38、的时间内测量的大量的单个跃迁的统计和。统计和。（3 3） 吸收的光子能量在在吸收的光子能量在在A A1 1C C1 1和和A A2 2C C2 2之间变化，吸收光子的能之间变化，吸收光子的能量变化是一个高斯函数。量变化是一个高斯函数。（2 2） 基态能级基态能级A A1 1A A2 2和激发态能和激发态能级级B B1 1B B2 2的位置是随机变化，为高的位置是随机变化，为高斯分布。斯分布。 6 6 发射波长随温度变化（发射波长随温度变化（B B比比A A温度高，激发峰蓝移，温度高，激发峰蓝移，发射峰红移）发射峰红移）图1-20荧光粉发射带和激发带产生的位形坐标图（1）辐射能量）辐射能量Qe:
39、发光是物体内部以某种方式吸收能量后转化为光发光是物体内部以某种方式吸收能量后转化为光辐射的过程，发光属于热力学非平衡辐射，其重要特征之一就是亮辐射的过程，发光属于热力学非平衡辐射，其重要特征之一就是亮度。光源辐射发出的光（包括红外线、可见光和紫外线）的能量称度。光源辐射发出的光（包括红外线、可见光和紫外线）的能量称为光源的为光源的辐射能量辐射能量Qe,单位是卡单位是卡,尔格尔格.焦耳焦耳.。（2）辐射通量：辐射通量：在单位在单位i时间内通过某一面积的辐射能量，而光源在时间内通过某一面积的辐射能量，而光源在单位时间内辐射出的总能量称为光源的单位时间内辐射出的总能量称为光源的辐射通量辐射通量,也称
40、为辐射功率，单也称为辐射功率，单位是位是J/S(瓦特）瓦特）,erg/s.Cal/s。1 光源的辐射特性光源的辐射特性1.2.3 发光的亮度和效率发光的亮度和效率（3）光源在某一方向的辐射强度）光源在某一方向的辐射强度Ie：光源在包含该方向的立体光源在包含该方向的立体角内发射的辐射通量与立体角之比。单位是角内发射的辐射通量与立体角之比。单位是W/Sr (瓦瓦/球面）。球面）。（4）光源在给定方向上的辐射亮度）光源在给定方向上的辐射亮度L e(, )又称为辐射率又称为辐射率,是是光源在该方向上的单位投影面积，在单位立体角中的辐射通量，光源在该方向上的单位投影面积，在单位立体角中的辐射通量，单位是
41、单位是W/(m2Sr)(瓦每球面度平方米）瓦每球面度平方米）（5）辐射照度）辐射照度Me（6）光谱辐射通量（辐射通量的光谱密度）光谱辐射通量（辐射通量的光谱密度 ）：光源发出的）：光源发出的光在单位波长间隔内的辐射通量，单位是光在单位波长间隔内的辐射通量，单位是W/m。 = e /（7）光谱辐射照度）光谱辐射照度M ：光源发出的光在单位波长间隔内的：光源发出的光在单位波长间隔内的辐射照度，单位为辐射照度，单位为W/m2。（8）光谱辐射亮度）光谱辐射亮度L ：光源发出的光在单位波长间隔内的辐：光源发出的光在单位波长间隔内的辐射亮度，单位为射亮度，单位为W/(m2Sr)2 人眼的视觉特性人眼的视觉
42、特性 光辐射探测和计量体系包括：光辐射探测和计量体系包括： 辐射光度学：非可见光区的辐射辐射光度学：非可见光区的辐射, 纯客观的物理量纯客观的物理量,适适 用于整个电磁辐射波段。用于整个电磁辐射波段。 光度学：评光度学：评 价可见光区的辐射价可见光区的辐射,考虑人的视觉效果的考虑人的视觉效果的 生生物物理量，反应人眼的视觉明暗特性。物物理量，反应人眼的视觉明暗特性。人眼的视网膜上感光细胞：柱状细胞，灵敏度高，感受极微弱的光人眼的视网膜上感光细胞：柱状细胞，灵敏度高，感受极微弱的光 锥状细胞，灵敏度低，很好区分颜色。锥状细胞，灵敏度低，很好区分颜色。图图1-2 CIE标准观察者的人眼的光谱光视效
43、率和效能标准观察者的人眼的光谱光视效率和效能国际照明委员会（国际照明委员会（CIE)根据各国测试和研究的结果，提根据各国测试和研究的结果，提出平均人眼对各种波长的光的相对灵敏值。出平均人眼对各种波长的光的相对灵敏值。硒光电池硒光电池(照度计）颜色校正图照度计）颜色校正图F= KP= KmP其中，其中，K：与视觉有关的比例系数，也称可见度，：与视觉有关的比例系数，也称可见度，Km：光功当量，：光功当量，：相对可见度：相对可见度(通常称视见函数通常称视见函数)。所以，辐射通量相同，但波长不同的光，光通量是不同的。如。所以，辐射通量相同，但波长不同的光，光通量是不同的。如555nm的黄绿光和的黄绿光
44、和650 nm的红光辐射通量相同时，前者的光通量是后者的的红光辐射通量相同时，前者的光通量是后者的10倍。倍。3光度量及其单位光度量及其单位(1)光通量光通量v（luminous flux, Lm)：光源在单位时间发出的光能量：光源在单位时间发出的光能量假定某一辐射体发出的光线是单一波长假定某一辐射体发出的光线是单一波长，该辐射体单位时间内所辐射的单位波长，该辐射体单位时间内所辐射的单位波长范围内的能量就是辐射通量或辐射功率范围内的能量就是辐射通量或辐射功率P，由该辐射通量对人眼所引起感觉的量，由该辐射通量对人眼所引起感觉的量为为光通量光通量F，它表示单位时间内流出光能的大小，单位是流明。，它
45、表示单位时间内流出光能的大小，单位是流明。光度学：光辐射光度学：光辐射特性的物理度量单位对整个电磁波谱都有意义。但对于照明光源，特性的物理度量单位对整个电磁波谱都有意义。但对于照明光源，必须引入衡量人眼对照明光源的亮度感觉的物理量，称为光度学。必须引入衡量人眼对照明光源的亮度感觉的物理量，称为光度学。dPKFm0实际上辐射体辐射不是一种波长，于是对应于各波长发出的总辐射通量实际上辐射体辐射不是一种波长，于是对应于各波长发出的总辐射通量的总光通量的总光通量F为：为：(2)发光强度是发光强度是Iv, 烛光烛光cd（candle），），指光源在某一方向上发光强弱的物理量指光源在某一方向上发光强弱的物
46、理量，一般用，一般用IV表示，定义为光源在某一方向上的立体角元内表示，定义为光源在某一方向上的立体角元内d传送的光通量传送的光通量dv与该与该立体角元立体角元d之比，表示该光源在该方向上的发光强度。单位为坎德拉，符号为之比，表示该光源在该方向上的发光强度。单位为坎德拉，符号为cd,它它是光度学的基本单位是光度学的基本单位。发光二极体的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光发光二极体的发光强度通常是指法线（对圆柱形发光管是指其轴线）方向上的发光强度。若在该方向上辐射强度为（强度。若在该方向上辐射强度为（1/683）W/sr时，则发强度为时，则发强度为1坎德拉（符号为坎德拉（
47、符号为cd）。由于一般）。由于一般LED的发光二强度小，所以发光强度常用烛光的发光二强度小，所以发光强度常用烛光(坎德拉坎德拉, mcd)作单位。作单位。 1979年规定：年规定：坎德拉是光源在给定方向上的发光强度，坎德拉是光源在给定方向上的发光强度，频率频率为为540.01541012Hz的的单色辐射光源（单色辐射光源（550nm黄绿色单色黄绿色单色可见光可见光），在此方向上的辐射强度为），在此方向上的辐射强度为 1/683 W/Sr,即在该方向上的发光强度为即在该方向上的发光强度为1坎德拉坎德拉。其后就导出其它的光度量单位。其后就导出其它的光度量单位。1坎德坎德拉的点状光源拉的点状光源(各
48、项同性）所发出的总各项同性）所发出的总光通量光通量为为4流明流明. 发光强度一般是对电光源（或者光源的大小和使用的距离比很小），在衡量发光强度一般是对电光源（或者光源的大小和使用的距离比很小），在衡量有一定面积的面光源，则采用光亮度和光照度的概念。有一定面积的面光源，则采用光亮度和光照度的概念。量子效率用百分数（）表示量子效率用百分数（）表示 ，反映发光体中光子转换的效率，取，反映发光体中光子转换的效率，取决于发光材料的特性，而不能反映能量的损失。决于发光材料的特性，而不能反映能量的损失。4 发光效率发光效率发光效率主要有三种表示方法。即亮度效率发光效率主要有三种表示方法。即亮度效率(又叫流明
49、效率又叫流明效率1)，功率效率，功率效率(又叫能量效率又叫能量效率p)和量子效率和量子效率q。(1)量子效率测量量子效率测量，一般采用罗丹明，一般采用罗丹明B作波长转换材料。发光材料发出的光照在作波长转换材料。发光材料发出的光照在罗丹明罗丹明B上，通过一种光子数检测仪测量。当样品发出的光用光谱辐射分布上，通过一种光子数检测仪测量。当样品发出的光用光谱辐射分布表示时，就可获得光子数和光子总数的光谱分布。表示时，就可获得光子数和光子总数的光谱分布。能量转换效率发射光的光功率（能量）与激发时输入的电功率（能量）能量转换效率发射光的光功率（能量）与激发时输入的电功率（能量）或呗吸收的光功率（或能量）之
50、比，是一个无量纲的小于或呗吸收的光功率（或能量）之比，是一个无量纲的小于1的百分数的百分数测量方法：测量方法：能量效率能量效率都常用比对法测量，即待测样品与已知能量效率的标准样品对照。通都常用比对法测量，即待测样品与已知能量效率的标准样品对照。通过待测样品的发光强度与标准样品发光强度比较，就可较容易获得能量效率。过待测样品的发光强度与标准样品发光强度比较，就可较容易获得能量效率。(2)（3）实际应用中通常采用）实际应用中通常采用流明效率流明效率表示，统称为发光效率或光效，表示，统称为发光效率或光效，流明流明效率是发射的光通量效率是发射的光通量F(以流明为单位以流明为单位)与激发时输入的电功率或
