【2017年整理】1101发光的基础知识.docVIP

PAGE6 / NUMPAGES14 第一讲 发光材料的基础知识 第一节 发光 1.1 光与电磁波辐射 光是能量的一种形态，光的本质是电磁波，在波长范围极其宽广的电磁波中，光波仅占很小的部分。可见光的波长范围约在390~770nm。在这个范围内的各种波长都可凭眼睛的颜色感觉来加以区分。紫色390~446nm，蓝色446~492nm，绿色492~578nm，黄色578~592nm，橙色592~620nm，红色620~770nm。由单一波长组成的光称为单色光，实际上，严格的单色光几乎不存在，所有光源所产生的光均占据一段波带，有的可能很窄，例如，激光可认为是最接近理想单色光的光源。 波长超过可见光的紫色和红色两端的电磁辐射分别称为紫外辐射和红外辐射。紫外辐射的短波段可以延伸到10nm，红外辐射的长波段人为地规定到1mm左右，再长的波段则属于无线电波的范围。 1.2 人眼的视觉特性 光源与显示器件发射的可见光辐射刺激人眼引起的明暗和颜色的感觉，除了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。发光效果最终是由人眼来评价的，能量参数并未考虑人眼的视觉作用，发光效果必须用基于人眼视觉的光量参数来描述。 人眼的视网膜上布满了大量的感光细胞，感光细胞有两种：（1）柱状细胞，灵敏度高，能感受极微弱的光；（2）锥状细胞，灵敏度较低，但能很好地区分颜色。人眼的视觉特性和大脑区域的生理功能决定了客观光波刺激人眼而引起的主观效果。不同波长的光，人眼的感受程度不同，即人眼对各种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。不同的观察者对各种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察者的年龄及健康状况有关，这会给光的度量带来很大的困难。因此，国际照明委员会（CIE）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555nm处。这条视觉函数曲线是1924年得到国际上公认的，也称为明视觉的光谱光视效率。当环境亮度低于10cd/m2时，属于暗视觉的范围。眼睛适应暗视觉状态约需30min时间，此时的最大视觉响应峰值在507nm。 对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，不考虑人眼的视觉效果来描述光辐射，通常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野的生理物理量，可以反映人眼的视觉明暗特性，用于评价可见光区域的辐射。 1.3 发光的本质 当某种物质受到诸如光照射、外加电场或电子束轰击等的激发后，只要该物质不会因此而发生化学变化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部分多余的能量会通过光或热的形式释放出来。如果这部分能量是以可见光或近可见光的电磁波形式发射出来的，就称这种现象为发光。 概括地说，发光就是物质在热辐射之外以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持续时间。 发光现象的两个主要的特征是：任何物体在一定温度下都有热辐射，发光是物体吸收外来能量后所发出的总辐射中超出热辐射的部分；当外界激发源对物体的作用停止后，发光现象还会持续一定的时间，称为余辉。 近代物理研究表明，光的吸收和发射是原子（分子或离子）体系在不同能量状态间跃迁的结果。这一过程可分为两种：在没有外界作用的情况下处于基态的原子数目总是占绝大多数。当原子受到光子照射时，处于低能态E1的原子会吸收能量而跃迁到高能态E2，这个过程称为受激吸收。处于激发态E2的原子其能量较高，属于介稳状态，会跃迁到低能态E1，放出相应的能量，这个过程称为自发发射。（图解发光过程） 1.4发光的分类与应用 1）发光的分类 对各种发光现象，可按其被激发的方式进行分类：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。 （1）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起的发光现象。它大致经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，都经过激发态。而能量传递则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）吸收，也可被发光材料的基质吸收。在第一种情况下，发光中心吸收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。在第二种情况下，基质吸收光能，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起的。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。不同的基质结构，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