1發(fā)光材料的基礎(chǔ)知識課件(PPT 109頁)

1、1.1 發(fā)光基礎(chǔ) 概念1.2 發(fā)光材料的主要特性與規(guī)律1.3 能量的傳遞和輸運1.4 光與顏色第1章 發(fā)光材料的基礎(chǔ)知識第一頁，共一百零九頁。第1頁，共109頁。1.1 發(fā)光基礎(chǔ)概念1.1.1 光與電磁波輻射 光的本質(zhì)：電磁波圖1-1 電磁波頻譜第二頁，共一百零九頁。第2頁，共109頁。E = h = hc/ E (eV) = = 1.24 10-4 w (cm-1) w (cm-1) = = 8064.5E (eV) 表 1 -1各種可見光色對應(yīng)的真空中的光波波長（nm）光色紫光藍(lán)光天藍(lán)綠光黃綠黃光橙光紅光波長380-420420-490490-500500-550550-570570-59

2、0590-620620-760光紫外輻射（ultraviolet）10nm-380 nm紅外輻射 (infrared) 780 nm-1 mm可見 (visible) 380nm-780 nm第三頁，共一百零九頁。第3頁，共109頁。發(fā)光的定義：發(fā)光就是物質(zhì)在熱輻射之外，體系受外界的激發(fā)，偏離原來的平衡態(tài)，在回復(fù)到平衡態(tài)的過程中，以光的形式發(fā)射出多余的能量，而這種多余能量的發(fā)射過程具有一定的持續(xù)時間。發(fā)光是一種非平衡輻射。發(fā) 光 =明 亮(?)白熾燈-鎢絲通電加熱到2000 左右產(chǎn)生-熱輻射。熱輻射:是一種普遍現(xiàn)象，與物體受熱后有較高的溫度有關(guān)，是固體晶格在高溫下劇烈振動產(chǎn)生的 ，是一種熱平衡

3、狀態(tài)的輻射。注意：1 發(fā)光是由發(fā)光物質(zhì)的電子在不同能級間躍遷產(chǎn)生的。 2 發(fā)光過程僅伴有極少量的熱輻射。3非平衡熱輻射還有發(fā)射和散射等熒光和磷光:一般將激發(fā)停止后仍然發(fā)出的光稱作磷光，如長余輝發(fā)光材料所發(fā)的光是典型的磷光。曾將激發(fā)停止后持續(xù)時間大于10-8秒的發(fā)光叫做磷光，現(xiàn)在對熒光和磷光不做嚴(yán)格的區(qū)別。1.1.2 發(fā)光第四頁，共一百零九頁。第4頁，共109頁。固體發(fā)光的兩個基本特征:（1） 任何物體在一定溫度下都具有平衡熱輻射，而發(fā)光是指吸收外來能量后，發(fā)出的總輻射中超出平衡熱輻射的部分；（2） 當(dāng)外界激發(fā)源對材料的作用停止后，發(fā)光還會持續(xù)一段時間，這是固體發(fā)光與其它光發(fā)射現(xiàn)象的根本區(qū)別。發(fā)

4、光是一種宏觀現(xiàn)象，但它和晶體內(nèi)部的缺陷結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、能量傳遞、載流子遷移等微觀性質(zhì)和過程密切相關(guān)。第五頁，共一百零九頁。第5頁，共109頁?；鶓B(tài)：能量最低的平衡狀態(tài)激發(fā)態(tài)：原子或分子吸收一定的能量后，電子被激發(fā)到較高能級但尚未電離的狀態(tài) 第六頁，共一百零九頁。第6頁，共109頁。鹵粉Ca5(PO4)3F:Sb3+, Mn2+第七頁，共一百零九頁。第7頁，共109頁。（1） 自然界中的發(fā)光材料（2 ） 17世紀(jì)開始，發(fā)光現(xiàn)象稱為實驗科學(xué)的研究對象1 發(fā)光材料簡介：（3 ） 1852年，光致發(fā)光第一個規(guī)律-Stocks定律提出（4） 1867年，紅寶石的光譜特性（5） 1878年，陰極射線發(fā)光的

5、研究（6） 19世紀(jì)末20世紀(jì)初，X射線和核輻射的發(fā)現(xiàn)（7） 1905年，愛因斯坦用光子的概念揭示Stocks規(guī)律的意義（8 ）1913年，波爾提出原子結(jié)構(gòu)的量子理論-發(fā)光學(xué)的理論基礎(chǔ)（9） X射線激發(fā)的CaWO4醫(yī)用照相，尋找鎢礦，以及其它類發(fā)光材料在顯示、照明等方面的廣泛醫(yī)用1.1.3發(fā)光材料第八頁，共一百零九頁。第8頁，共109頁。發(fā)光材料定義:發(fā)光體，是一種能夠把從外界吸收的各種形式的能量轉(zhuǎn)換為非平衡光輻射的功能材料。 基質(zhì)：發(fā)光材料中的主體物質(zhì)激活劑（發(fā)光中心）：摻入的雜質(zhì)，決定材料的發(fā)光性能發(fā)光材料組成：熒光粉：一定的激發(fā)條件下能發(fā)光的無機粉末材料，一般指的是粉末晶體，也稱為磷光體

6、（phosphors),含有稀土離子的則成為稀土熒光粉.第九頁，共一百零九頁。第9頁，共109頁。1. 基質(zhì)組成中陽離子應(yīng)具有惰性氣體元素電子構(gòu)型，或具有閉殼層電子結(jié)構(gòu)2. 陽離子和陰離子都必須是光學(xué)透明的；3. 晶體應(yīng)具有確定的某種缺陷。作為基質(zhì)化合物至少應(yīng)具備如下基本條件：已用作基質(zhì)的無機化合物主要有：1. 氧化物及復(fù)合氧化物，如Y2O3，Gd2O3，Y3AI5O12(YAG)，SrTiO3等；2. 含氧酸鹽，如硼酸鹽，鋁酸鹽，鎵酸鹽，硅酸鹽，磷酸鹽，釩酸鹽，鉬酸鹽和鎢酸鹽以及鹵磷酸鹽等。3.稀土鹵氧化物（如LaOCl，LaOBr），稀土硫氧化物（如Y2O2S，Gd2O2S）等。第十頁，共

7、一百零九頁。第10頁，共109頁。激活劑：激活劑摻入到基質(zhì)中后以離子形式占據(jù)晶體中某種陽離子格位構(gòu)成發(fā)光中心，因此激活離子又被稱作發(fā)光中心離子。激活離子的電子躍遷是產(chǎn)生發(fā)光的根本原因。激活離子在基質(zhì)中能夠產(chǎn)生電子躍遷實現(xiàn)發(fā)光，須遵循一定選擇定則。主要有：拉鮑特定則（LaPortes Rule，亦稱宇稱選擇定則：在中心對稱環(huán)境中，躍遷僅允許發(fā)生在相反宇稱狀態(tài)之間，否則是禁戒的）和自旋選擇定則（Spin selection Rule：躍遷僅允許發(fā)生在相同自旋多重態(tài)之間 ）。激活離子的選擇條件：具有未充滿軌道；與基質(zhì)中被取代離子半徑相近。激活劑第十一頁，共一百零九頁。第11頁，共109頁。綠：激活元

8、素黃：等離子體元素（電壓的作用下發(fā)生氣體放電）藍(lán)紫：基質(zhì)元素圖1-5“發(fā)光元素周期表”第十二頁，共一百零九頁。第12頁，共109頁。按被激發(fā)的方式可分為1.1.4 發(fā)光材料分類：光致發(fā)光(photoluminescence，通常為紫外線)電致發(fā)光（elctroluminescence,電壓 )陰極射線發(fā)光（cathodoluminescence，電子束）X射線及高能粒子發(fā)光（x-ray luminescence)）機械發(fā)光（triboluminescence，如球磨）化學(xué)發(fā)光(chemiluminescence化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量）生物發(fā)光(bioluminescence )聲發(fā)光 (sonol

9、uminescence )熱釋發(fā)光 (thermoluminescence )放射線發(fā)光 (radioluminescence )第十三頁，共一百零九頁。第13頁，共109頁。(1) 定義：用紫外線、可見光或紅外線激發(fā)材料而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象。(2) 材料分類：熒光燈用發(fā)光材料、LED發(fā)光材料、PDP(Plasma Display Panel)用發(fā)光材料、長余輝發(fā)光材料和上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。(3) 實用材料：熒光燈用紅粉Y2O3:Eu3+ 、 綠粉CeMgAl11O19:Tb3+ 、藍(lán)粉BaMgAl10O17:Eu2+；LED用(Y1-aGda)3(Al1-bGab)5O12:Ce3+ ；PDP用 Z

10、nSiO4：Mn2+ 等。1 光致發(fā)光第十四頁，共一百零九頁。第14頁，共109頁。定義：電場直接作用在物質(zhì)上所產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，電能轉(zhuǎn)化為光能，是一種主動發(fā)光性冷光源。分類：注入式發(fā)光和本征型發(fā)光（高能電子碰撞激發(fā)發(fā)光中心）。圖1-6 注入式電致發(fā)光模型2 電致發(fā)光:第十五頁，共一百零九頁。第15頁，共109頁。晶體材料都呈現(xiàn)一定規(guī)律的周期排列，內(nèi)部原子存在較強的相互作用，導(dǎo)致電子能級的變化，許多相近的能級構(gòu)成能帶。許多重要的發(fā)光材料大部分都是選擇在基質(zhì)中摻入微量雜質(zhì)，使得基質(zhì)晶格的規(guī)則排列被破壞，從而形成缺陷能級，當(dāng)外部光源照射時，電子就會在各種能級間躍遷，從而形成發(fā)光現(xiàn)象。摻雜到基質(zhì)晶格中

11、的激活劑的價態(tài)、在晶格中的位置、激活劑周圍的情況，是否有共激活劑等，決定發(fā)光中心的發(fā)光特性。1.2 發(fā)光材料的主要特性與規(guī)律第十六頁，共一百零九頁。第16頁，共109頁。當(dāng)光照射到發(fā)光材料上時，一部分被反射、散射，一部分被透射，剩余的部分被材料吸收,遵循beer定律其中，I0() 為波長為的光照射到物質(zhì)的強度；I ()為光通過厚度X的發(fā)光材料后的強度；X-厚度；k 是不依賴光強，隨波長而變化的函數(shù)，稱為吸收系數(shù);1.2 .1光譜與能級1 吸收光譜（absorption spectrum)第十七頁，共一百零九頁。第17頁，共109頁。幾個概念第十八頁，共一百零九頁。第18頁，共109頁。吸收光譜

12、以被吸收的光子的能量(波長、波數(shù)和能量eV)為橫坐標(biāo)，吸光度D或、log為縱坐標(biāo)，給出分子對具有不同能量光子的吸收特性。吸光度被吸收的光子的能量(波長、波數(shù)和能量eV)圖1-7 吸收光譜第十九頁，共一百零九頁。第19頁，共109頁。圖1-8第二十頁，共一百零九頁。第20頁，共109頁。 對于單晶發(fā)光材料，經(jīng)過適當(dāng)光學(xué)加工后(如切割，拋光)，直接可以測其吸收光譜（考慮反射的損失）。對于多晶粉末發(fā)光材料，需測定其漫反射光譜。漫發(fā)射：光線照到粗糙表面時，光線向四面八方散射和反射。漫發(fā)射率：指反射的光子數(shù)占入射光子數(shù)的百分?jǐn)?shù)。 漫發(fā)射光譜：漫反射率隨入射波長（或頻率）變化的譜圖。2 漫反射光譜(dif

13、fuse reflection spectrum)第二十一頁，共一百零九頁。第21頁，共109頁。KubelkaMunk function 圖1-9 漫反射光譜和吸收光譜第二十二頁，共一百零九頁。第22頁，共109頁。圖1-10 (Ba,Ca,Mg)10(PO4)Cl2:Eu2+的激發(fā)光譜(a)和漫反射光譜（b）最強激發(fā)譜峰位于365nm，而漫反射率最低處卻在240340nm之間 激發(fā)光譜是通過測量熒光材料的發(fā)光能量隨波長（或頻率）變化而獲得的光譜，反映的是不同波長的光激發(fā)材料時引起的熒光的相對效率。激發(fā)光譜與吸收光譜是有差別的，因為并不是所有被吸收的光的各個波長都能起激發(fā)作用。激發(fā)光譜對分析

14、發(fā)光的激發(fā)過程具有重要意義。3 激發(fā)光譜(excitation spectrum)第二十三頁，共一百零九頁。第23頁，共109頁。發(fā)射光譜表示發(fā)光的能量按波長(或頻率)的分布。發(fā)射光譜不僅與激發(fā)光的強度及波長密切相關(guān)而且直接反映激活離子的電子躍遷，有時還反映出激活離子所處的晶格位置-結(jié)構(gòu)探針。4 發(fā)射光譜( emission spectrum)圖1-11 一些發(fā)光材料的發(fā)射光譜 通常發(fā)光材料的光譜分帶譜和線譜兩種。典型的譜線形狀有洛倫茲、高斯形等（不同的物理機理）第二十四頁，共一百零九頁。第24頁，共109頁。光譜曲線最大強度的一半所對應(yīng)的兩個波長之差，定義為該光譜的譜線的寬度，稱為半高寬，用

15、來衡量發(fā)射光譜譜線寬窄程度。5 半高寬（Full Width Half Maximum)第二十五頁，共一百零九頁。第25頁，共109頁。原子有許多軌道，不同軌道的電子所處的能量狀態(tài)不同，形成不同的能級（ energy level)，能級具有分立性.6 能級圖（energy level)基態(tài)(ground state) ：能量最低的平衡狀態(tài)，原子核外電子都位于離核最近的相應(yīng)軌道旋轉(zhuǎn)。激發(fā)態(tài) (excitation state)：原子或分子吸收一定的能量后，電子被激發(fā)到較高能級但尚未電離的狀態(tài) .處于激發(fā)態(tài)的微觀粒子均存在躍遷回基態(tài)的可能性，因為激發(fā)態(tài)不是最穩(wěn)定的狀態(tài)。能級簡并 (degenera

16、cy of energy level)：在某些情況下，對應(yīng)于某一能量E的能級，微觀體系可以有n個不同的狀態(tài)，稱為能級簡并 .能級分裂 (split of energy level)：微觀體系在電場、磁場作用下，使原來簡并的能級分裂成n個能級的現(xiàn)象 .第二十六頁，共一百零九頁。第26頁，共109頁。能級圖（）：按照微觀粒子（原子、離子、分子或某些基團等）體系容許具有的能量大小，由低到高按次序用一些線段表示出來。光譜是能級之間躍遷的宏觀反映。（能級的數(shù)目是無限的）圖1-12第二十七頁，共一百零九頁。第27頁，共109頁。用來表示原子（或離子）所處能量狀態(tài)的符合，稱為光譜項，通常表示為2S+1LJ

17、(L總軌道量子數(shù)，L為0.1.2.3.4.5數(shù)值，分別用S,P,D,F,G,H表示，S總自旋量子數(shù)，J總角動量量子數(shù)）。如Pr3+,最外層有兩個自旋平行的f電子，基態(tài)光譜項3H4Pr3+ S=1磁量子數(shù)m分別為3,2，L=5，H表示輕稀土J= =L-S = 4第二十八頁，共一百零九頁。第28頁，共109頁。Stokes law:發(fā)光材料的發(fā)射波長一般總是大于激發(fā)光波長，即發(fā)光的光子能量必然小于激發(fā)光的光子能量，激發(fā)光波長(或能量)與發(fā)射光波長(或能量)之差稱為Stokes位移。7 Stokes 定律和反 stokes 發(fā)光（anti-Stokes luminescence圖 1-13 Ba2S

18、iO4： Eu2+的激發(fā)和發(fā)射光譜第二十九頁，共一百零九頁。第29頁，共109頁。Stokes位移的原因最主要是由于體系與周圍晶格熱平衡從高振動能級趨于低振動能級損耗能量的原因。注意：上轉(zhuǎn)換材料用近紅外線（1000nm左右）激發(fā)，可以得到紅色、綠色或者藍(lán)色發(fā)光。這些反Stokes發(fā)光是通過吸收兩個光子而發(fā)出一個大能量的光子來實現(xiàn)圖1-14 能級圖第三十頁，共一百零九頁。第30頁，共109頁。 8 晶體場理論 晶體場理論：當(dāng)配體逼近中心原子時便在中心原子周圍形成了一個靜電場 (稱為配位場或晶體場)，配體與中心原子（或離子）之間的相互作用力為靜電作用力。因此晶體場理論在本質(zhì)上就是靜電相互作用理論。

19、晶體場理論是研究過渡族或稀土元素（絡(luò)合物）化學(xué)鍵的理論。它在靜電理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合量子力學(xué)和群論（研究物質(zhì)對稱的理論）的一些觀點，來解釋過渡族元素和鑭系元素的物理和化學(xué)性質(zhì)，著重研究配位體對中心離子的d軌道的影響。第三十一頁，共一百零九頁。第31頁，共109頁。基本要點中心思想：靜電理論中心離子的五個價層簡并的d軌道在配體場作用下產(chǎn)生能級分裂中心離子和配體之間本質(zhì)是電性吸引的結(jié)果分裂后d軌道中的電子重新排列第三十二頁，共一百零九頁。第32頁，共109頁。正八面體場中的 d 軌道能級分裂第三十三頁，共一百零九頁。第33頁，共109頁。 dz2，dx2-y2軌道能級升高程度大； dxy, dxz

20、, dyz軌道能級升高程度小第三十四頁，共一百零九頁。第34頁，共109頁。ESdxy, dxz , dyzt2gdz2，dx2-y2eg自由離子球?qū)ΨQ場O八面體場晶體場效應(yīng)是d軌道能級平均升高了ES（晶體場穩(wěn)定能）-ES第三十五頁，共一百零九頁。第35頁，共109頁。分裂能定義：O = eg- t2g= 10DqO可由實驗得到，不同配合物O不同Eeg- Et2g=10Dq2Eeg+ 3Et2g=0Eeg= 6DqEt2g= -4Dq第三十六頁，共一百零九頁。第36頁，共109頁。不同配體場中 d 軌道的分裂情況 第三十七頁，共一百零九頁。第37頁，共109頁。影響分裂能()的因素中心離子電荷

21、越高，值越大主量子數(shù)n越大，值越大配體光譜化學(xué)序列 IBrClSCNFOHONOHCOOC2O42- H2ONCSEDTANH3 enbipy phenSO32-NO2八面體場 四面體場第三十八頁，共一百零九頁。第38頁，共109頁。晶體場理論的應(yīng)用解釋、預(yù)測配合物的空間構(gòu)型及其形變解釋配合物的熱力學(xué)穩(wěn)定性解釋配合物的顏色、吸收光譜、發(fā)射光譜決定配合物的高低自旋態(tài)，說明磁性第三十九頁，共一百零九頁。第39頁，共109頁。配合物的吸收光譜八面體配合物Ti(H2O)63+發(fā)生(t2g)1(eg)0 (t2g)0(eg)1躍遷，稱為d-d躍遷。 Ohd-d躍遷吸收波長為500nm左右綠色光，看到的透

22、射光是補色Ti3+離子水溶液呈紫色。 第四十頁，共一百零九頁。第40頁，共109頁。是解釋電子-聲子（振動的量子）相互作用的一種物理模型，描述發(fā)光離子和它周圍晶格離子所形成體系的能量與周圍晶格離子位置之間的關(guān)系圖。橫軸來代表離子的位置，縱軸表示電子-離子系統(tǒng)的能量，包括電子能量和離子勢能以及電子和離子之間的相互作用能。兩條曲線分別代表系統(tǒng)基態(tài)能量，和激發(fā)態(tài)的能量，曲線上的水平橫線表示晶格振動能級，S代表黃昆因子，是描述晶格馳豫大小的能量。1.2.2 位形坐標(biāo)圖（Configuration coordinate)圖1-15 位形坐標(biāo)圖由于這種坐標(biāo)模型考慮到電子和點陣間的相互作用，所以它能解釋溫度

23、猝滅，高溫時譜帶展寬，Stokes位移，材料不發(fā)光，發(fā)射波長隨溫度變化多種實驗現(xiàn)象。第四十一頁，共一百零九頁。第41頁，共109頁。 1 解釋激發(fā)能帶和發(fā)射能帶之間的stokes位移。（由于電子運動速度非?？欤瑹崞胶膺^程在躍遷發(fā)生之前就已完全到達，光學(xué)躍遷是垂直進行的） 利用位形坐標(biāo)圖定性解釋發(fā)光中的問題：圖1-16 位形坐標(biāo)圖第四十二頁，共一百零九頁。第42頁，共109頁。 2 解釋晶體發(fā)光的溫度猝滅問題（大多數(shù)發(fā)光材料，發(fā)光強度會隨著溫度上升而降低。圖1-17 Sr0.8Eu0.2Si2O2-zN2+2z/3熒光材料發(fā)射光譜隨溫度變化(77-425 K, ex = 370 nm)第四十三頁

24、，共一百零九頁。第43頁，共109頁。 圖1-18 發(fā)光的溫度猝滅的位形坐標(biāo)圖激發(fā)態(tài)和基態(tài)位形曲線斜率不同（溫度高，發(fā)光中心晶格振動增強,激發(fā)態(tài)的能量升高到交點處的幾率增大.基態(tài)和激發(fā)態(tài)的發(fā)光中心離子間的相對位置R大，猝滅溫度低，反之，猝滅溫度高）第四十四頁，共一百零九頁。第44頁，共109頁。 關(guān)于位形坐標(biāo)圖中R的應(yīng)用(1)發(fā)光材料中，陽離子被激發(fā)后R0，陰離子被激發(fā)后R 0如KCl:Tl, Tl+-6S2,激發(fā)后電子6s躍遷到6p,電子云的分布擴大，對周圍負(fù)離子的吸引力變大，周圍離子會更靠近Tl+ , R0陰離子被激發(fā)，電子云擴大，陰離子電負(fù)性變小，對陽離子吸引變小，位形的平衡距離變大R0

25、(2)激活劑的半徑大于置換的離子半徑，并且激發(fā)的是陰離子， R0 ，R較小；反之R變大(3)激發(fā)的是陽離子時， R0，激活劑的半徑大于置換的離子半徑， R的絕對值可能很大第四十五頁，共一百零九頁。第45頁，共109頁。 表1-1 Ln0.9Eu0.1SO6的猝滅溫度Eu3+的半徑時0.98埃米，結(jié)論：電荷遷移，猝滅溫度和發(fā)光效率隨稀土離子半徑增大而逐漸降低第四十六頁，共一百零九頁。第46頁，共109頁。 3 解釋吸收光譜在高溫時譜帶展寬。（溫度越高，基態(tài)、激發(fā)態(tài)離子振幅越大）圖1-16 位形坐標(biāo)圖第四十七頁，共一百零九頁。第47頁，共109頁。 4 解釋材料不發(fā)光（位形曲線錯開較遠(yuǎn)，激發(fā)態(tài)曲線

26、上的平衡點處在基態(tài)曲線的范圍之外）圖1-19 不發(fā)光材料的位形坐標(biāo)圖第四十八頁，共一百零九頁。第48頁，共109頁。 5 說明激發(fā)光譜和發(fā)射光譜屬于高斯分布線形圖1-20表達熒光粉發(fā)射帶和激發(fā)帶產(chǎn)生的位形坐標(biāo)圖（1） 光譜帶大多數(shù)是在幾秒的時間內(nèi)測量的大量的單個躍遷的統(tǒng)計和。（3） 吸收的光子能量在在A1C1和A2C2之間變化，吸收光子的能量變化是一個高斯函數(shù)。（2） 基態(tài)能級A1A2和激發(fā)態(tài)能級B1B2的位置是隨機變化，為高斯分布。第四十九頁，共一百零九頁。第49頁，共109頁。 6 發(fā)射波長隨溫度變化（B比A溫度高，激發(fā)峰藍(lán)移，發(fā)射峰紅移）圖1-20熒光粉發(fā)射帶和激發(fā)帶產(chǎn)生的位形坐標(biāo)圖第五

27、十頁，共一百零九頁。第50頁，共109頁。（1）輻射能量Qe:發(fā)光是物體內(nèi)部以某種方式吸收能量后轉(zhuǎn)化為光輻射的過程，發(fā)光屬于熱力學(xué)非平衡輻射，其重要特征之一就是亮度。光源輻射發(fā)出的光（包括紅外線、可見光和紫外線）的能量稱為光源的輻射能量Qe,單位是卡,爾格.焦耳.。（2）輻射通量：在單位i時間內(nèi)通過某一面積的輻射能量，而光源在單位時間內(nèi)輻射出的總能量稱為光源的輻射通量,也稱為輻射功率，單位是J/S(瓦特）,erg/s.Cal/s。1 光源的輻射特性1.2.3 發(fā)光的亮度和效率第五十一頁，共一百零九頁。第51頁，共109頁。（3）光源在某一方向的輻射強度Ie：光源在包含該方向的立體角內(nèi)發(fā)射的輻射

28、通量與立體角之比。單位是W/Sr (瓦/球面）。第五十二頁，共一百零九頁。第52頁，共109頁。（4）光源在給定方向上的輻射亮度L e(, )又稱為輻射率,是光源在該方向上的單位投影面積，在單位立體角中的輻射通量，單位是W/(m2Sr)(瓦每球面度平方米）第五十三頁，共一百零九頁。第53頁，共109頁。（5）輻射照度Me第五十四頁，共一百零九頁。第54頁，共109頁。（6）光譜輻射通量（輻射通量的光譜密度）：光源發(fā)出的光在單位波長間隔內(nèi)的輻射通量，單位是W/m。 = e /（7）光譜輻射照度M ：光源發(fā)出的光在單位波長間隔內(nèi)的輻射照度，單位為W/m2。（8）光譜輻射亮度L ：光源發(fā)出的光在單位

29、波長間隔內(nèi)的輻射亮度，單位為W/(m2Sr)第五十五頁，共一百零九頁。第55頁，共109頁。2 人眼的視覺特性 光輻射探測和計量體系包括： 輻射光度學(xué)：非可見光區(qū)的輻射, 純客觀的物理量,適 用于整個電磁輻射波段。 光度學(xué)：評 價可見光區(qū)的輻射,考慮人的視覺效果的 生物物理量，反應(yīng)人眼的視覺明暗特性。人眼的視網(wǎng)膜上感光細(xì)胞：柱狀細(xì)胞，靈敏度高，感受極微弱的光 錐狀細(xì)胞，靈敏度低，很好區(qū)分顏色。第五十六頁，共一百零九頁。第56頁，共109頁。圖1-2 CIE標(biāo)準(zhǔn)觀察者的人眼的光譜光視效率和效能國際照明委員會（CIE)根據(jù)各國測試和研究的結(jié)果，提出平均人眼對各種波長的光的相對靈敏值。第五十七頁，共

30、一百零九頁。第57頁，共109頁。硒光電池(照度計）顏色校正圖第五十八頁，共一百零九頁。第58頁，共109頁。F= KP= KmP其中，K：與視覺有關(guān)的比例系數(shù)，也稱可見度，Km：光功當(dāng)量，：相對可見度(通常稱視見函數(shù))。所以，輻射通量相同，但波長不同的光，光通量是不同的。如555nm的黃綠光和650 nm的紅光輻射通量相同時，前者的光通量是后者的10倍。3光度量及其單位(1)光通量v（luminous flux, Lm)：光源在單位時間發(fā)出的光能量假定某一輻射體發(fā)出的光線是單一波長，該輻射體單位時間內(nèi)所輻射的單位波長范圍內(nèi)的能量就是輻射通量或輻射功率P，由該輻射通量對人眼所引起感覺的量為光通

31、量F，它表示單位時間內(nèi)流出光能的大小，單位是流明。光度學(xué)：光輻射特性的物理度量單位對整個電磁波譜都有意義。但對于照明光源，必須引入衡量人眼對照明光源的亮度感覺的物理量，稱為光度學(xué)。第五十九頁，共一百零九頁。第59頁，共109頁。實際上輻射體輻射不是一種波長，于是對應(yīng)于各波長發(fā)出的總輻射通量的總光通量F為：(2)發(fā)光強度是Iv, 燭光cd（candle），指光源在某一方向上發(fā)光強弱的物理量，一般用IV表示，定義為光源在某一方向上的立體角元內(nèi)d傳送的光通量dv與該立體角元d之比，表示該光源在該方向上的發(fā)光強度。單位為坎德拉，符號為cd,它是光度學(xué)的基本單位。第六十頁，共一百零九頁。第60頁，共10

32、9頁。發(fā)光二極體的發(fā)光強度通常是指法線（對圓柱形發(fā)光管是指其軸線）方向上的發(fā)光強度。若在該方向上輻射強度為（1/683）W/sr時，則發(fā)強度為1坎德拉（符號為cd）。由于一般LED的發(fā)光二強度小，所以發(fā)光強度常用燭光(坎德拉, mcd)作單位。 1979年規(guī)定：坎德拉是光源在給定方向上的發(fā)光強度，頻率為540.01541012Hz的單色輻射光源（550nm黃綠色單色可見光），在此方向上的輻射強度為 1/683 W/Sr,即在該方向上的發(fā)光強度為1坎德拉。其后就導(dǎo)出其它的光度量單位。1坎德拉的點狀光源(各項同性）所發(fā)出的總光通量為4流明. 第六十一頁，共一百零九頁。第61頁，共109頁。發(fā)光強度

33、一般是對電光源（或者光源的大小和使用的距離比很小），在衡量有一定面積的面光源，則采用光亮度和光照度的概念。第六十二頁，共一百零九頁。第62頁，共109頁。第六十三頁，共一百零九頁。第63頁，共109頁。量子效率用百分?jǐn)?shù)（）表示 ，反映發(fā)光體中光子轉(zhuǎn)換的效率，取決于發(fā)光材料的特性，而不能反映能量的損失。4 發(fā)光效率發(fā)光效率主要有三種表示方法。即亮度效率(又叫流明效率1)，功率效率(又叫能量效率p)和量子效率q。(1)量子效率測量，一般采用羅丹明B作波長轉(zhuǎn)換材料。發(fā)光材料發(fā)出的光照在羅丹明B上，通過一種光子數(shù)檢測儀測量。當(dāng)樣品發(fā)出的光用光譜輻射分布表示時，就可獲得光子數(shù)和光子總數(shù)的光譜分布。第六十

34、四頁，共一百零九頁。第64頁，共109頁。能量轉(zhuǎn)換效率發(fā)射光的光功率（能量）與激發(fā)時輸入的電功率（能量）或唄吸收的光功率（或能量）之比，是一個無量綱的小于1的百分?jǐn)?shù)測量方法：能量效率都常用比對法測量，即待測樣品與已知能量效率的標(biāo)準(zhǔn)樣品對照。通過待測樣品的發(fā)光強度與標(biāo)準(zhǔn)樣品發(fā)光強度比較，就可較容易獲得能量效率。(2)第六十五頁，共一百零九頁。第65頁，共109頁。（3）實際應(yīng)用中通常采用流明效率表示，統(tǒng)稱為發(fā)光效率或光效，流明效率是發(fā)射的光通量F(以流明為單位)與激發(fā)時輸入的電功率或被吸收的其它形式能量總功率Px之比，即（理想光效683 lm/w，全部輸入能量都用來產(chǎn)生555 nm的綠光）第六十

35、六頁，共一百零九頁。第66頁，共109頁。 對于發(fā)光材料來說，輻射時間反映發(fā)過過程的本質(zhì)。發(fā)光和其它光發(fā)射現(xiàn)象的根本區(qū)別就在于它的持續(xù)時間，來自于電子在各種高能量狀態(tài)的壽命。其中，是從熒光發(fā)射能級到基態(tài)的輻射躍遷幾率，是躍遷能級間非輻射躍遷幾率。1.2.4 發(fā)光壽命熒光壽命測定可以獲得有關(guān)電子在發(fā)射能級的停留時間，可以獲得有效的非輻射弛豫過程等信息。某個能級的平均熒光壽命可表示為：第六十七頁，共一百零九頁。第67頁，共109頁。壽命的測試：用紫外光源、D65熒光燈、或氙燈的一定照度光，照射待測的發(fā)光材料，停止激發(fā)，自動定時測試出不同的衰減時間的發(fā)光亮度值，數(shù)據(jù)的采集一般用熒光光譜儀繪出該發(fā)光材

36、料的發(fā)光衰減曲線。通過曲線的擬合方程可以表征出發(fā)光材料的余輝特性。被大多數(shù)研究者所采用的壽命特性可表示為：第六十八頁，共一百零九頁。第68頁，共109頁。Sr1-yEuySi2O2-zN2+2z/3y0.0010.0050.010.030.050.100.201(s )0.030.120.180.200.160.150.122(s)0.890.890.870.810.750.700.62表 1-1 Sr1-yEuySi2O2-zN2+2z/3熒光材料熒光壽命(ex = 370 nm, em = 535 nm)圖 Sr1-yEuySi2O2-zN2+2z/3熒光材料熒光衰減曲線(ex = 370

37、 nm, em = 535 nm)第六十九頁，共一百零九頁。第69頁，共109頁。發(fā)光的過程一般分為：激發(fā)、能量傳輸和發(fā)射光。能量傳輸-發(fā)光材料受到激發(fā)后到產(chǎn)生發(fā)光前這樣的一段過程中，激發(fā)能在晶體中傳輸?shù)默F(xiàn)象，泛指下述兩個過程：1.3 能量的傳遞和輸運能量傳遞：某一激發(fā)中心把激發(fā)能全部或一部分轉(zhuǎn)交給另一個中心的過程。能量輸運：借助電子、空穴、激子等的運動，把激發(fā)能從晶體的一部分帶到晶體的另一部分的過程第七十頁，共一百零九頁。第70頁，共109頁。敏化劑：吸收激發(fā)輻射能量傳遞給激活劑的摻雜離子注：1 有些情況基質(zhì)起敏化作用，eg: YVO4:Eu 3+ 2 激活劑和敏化劑的摻入量一般為百分之幾摩

38、爾數(shù)激發(fā)能量轉(zhuǎn)移發(fā)射敏化劑激活劑能量傳遞過程示意圖圖 含有敏化劑的發(fā)光過程示意圖如Ca3(PO4)2: （Ce）, Mn 250nm 激發(fā)第七十一頁，共一百零九頁。第71頁，共109頁。傳輸和輸運能量的機理大致有四種：（1）再吸收：晶體的某一部分發(fā)光后，發(fā)射光波在晶體中行進而又被晶體本身吸收的現(xiàn)象，必須有吸收光譜和發(fā)射光譜的重疊。（2）共振傳遞：兩個中心見若有近場力的相互作用，一個在激發(fā)態(tài)的中心有可能把能量傳遞給一個中心，而使前者從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)，后者從基態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)。主要應(yīng)考慮電偶極子、電四極子和磁偶極子的相互作用。（4）激子的能量傳輸：離子晶體中激子現(xiàn)象較普遍存在。（3）借助于載流子的能量

39、輸運：光導(dǎo)型、半導(dǎo)體以及半絕緣導(dǎo)體材料中，載流子的擴散、漂移現(xiàn)象是主要的能量輸運機理。第七十二頁，共一百零九頁。第72頁，共109頁。再 吸 收圖Sr2Si5N8:Eu2+的激發(fā)發(fā)射光譜第七十三頁，共一百零九頁。第73頁，共109頁。圖（a)（CeTb)MgAl11O19的激發(fā)發(fā)射光譜 （b）Ce3+和Tb3+的能級圖 偶極-四級相互作用傳遞laPO4:Ce3+,Tb3+ CeMgAl11O19:Tb3+第七十四頁，共一百零九頁。第74頁，共109頁。 表1-2 物質(zhì)顏色和吸收光的關(guān)系物質(zhì)顏色吸收光顏色波長/nm黃綠紫400450黃藍(lán)450480橙綠藍(lán)480490紅藍(lán)綠490500紅紫綠500

40、560紫黃綠560580藍(lán)黃580610綠藍(lán)橙610650藍(lán)綠紅650780 1.4 光與顏色 1.4.1 顏色的產(chǎn)生第七十五頁，共一百零九頁。第75頁，共109頁。表1-3 鑭系元素離子在晶體或水溶液中的顏色結(jié)論：具有f1至f13結(jié)構(gòu)的離子一般是有顏色的，f7特別穩(wěn)定，不易激發(fā)，所以是無色的。fn和f14-n顏色大致相似。第七十六頁，共一百零九頁。第76頁，共109頁。1 凡是能吸收可見光的物質(zhì)，都呈現(xiàn)顏色白光照射到物質(zhì)上，物質(zhì)如果完全吸收則呈黑色，如果對所有波長的吸收程度差不多，則呈灰色。 4 從量子力學(xué)證明，含有自旋平行的電子的離子，如具有dn和fn結(jié)構(gòu)的離子，它們激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能量比較

41、接近，一般只要可見光就能使它們激發(fā)，這類離子一般都是有顏色。如一些過渡元素離子和鑭系元素離子都是有顏色的。光學(xué)現(xiàn)象小結(jié) :2 物質(zhì)吸收光，就從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能級之差等 于可見光的能量，就呈現(xiàn)顏色。3 基態(tài)和激發(fā)態(tài)的能量差越小，呈現(xiàn)的顏色就越深；越大，物質(zhì)的顏色就越淺，能量差大于25000cm-1，物質(zhì)就沒有顏色。第七十七頁，共一百零九頁。第77頁，共109頁。 (1 ) 光的基本參量1.4 .2 三基色原理（a）亮度：又稱明度，是人眼感覺光的明亮程度，是指與所觀察物體明亮程度向?qū)?yīng)的視覺特性，亮度感覺是人眼重要的視覺功能。（b）色調(diào)：用于表征顏色，色調(diào)反映顏色的類別，例如紅、

42、綠、藍(lán)指的就是色調(diào)，色調(diào)是彩色光的最重要的屬性。（c）色飽和度：是指光呈現(xiàn)彩色的深淺程度（或濃度），同一色調(diào)的光，色飽和度越高說明顏色越深。色飽和度又體現(xiàn)彩色的純度，反映波長范圍的大小，波長范圍越窄，說明顏色越純，飽和度越高。（d）色度：色調(diào)和色飽和度的統(tǒng)稱，既說明光的顏色，又說明顏色的深淺。對于各種顏色的光都可用上面的屬性表征。（彩色系統(tǒng)，黑白系統(tǒng)）第七十八頁，共一百零九頁。第78頁，共109頁。 (2) 三基色原理1802年英國物理學(xué)家楊格提出：在人的視網(wǎng)膜中可能存在3種分別對紅、綠、藍(lán)色光敏感的感光細(xì)胞，由它們感受的混合光刺激產(chǎn)生各種顏色的感覺。圖 人眼對三色光的感應(yīng)曲線第七十九頁，共一

43、百零九頁。第79頁，共109頁。赫姆霍茲在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了三基色理 論： （1）將適當(dāng)選擇的3種基色（如紅、綠、藍(lán)）按不同比例合成，可以引起不同的彩色感覺；（2）合成的彩色光的亮度取決于三基色亮度之和，色度取決于三基色成分的比例；（3）3種基色彼此獨立，任一種基色不能由其他兩種基色配出。國際照明協(xié)會（CIE) 規(guī)定三基色紅，綠，藍(lán)的標(biāo)稱波長分別為：R = 700 nm G =546.1 nm B = 435.8 nm700 nm是可見光區(qū)紅色的末端，546.1 nm和435.8 nm是汞蒸氣放電的兩條譜線。第八十頁，共一百零九頁。第80頁，共109頁。 根據(jù)許多觀察者的顏色視覺實驗，確定一組為匹

44、配等能光譜色所須的三原色數(shù)據(jù)，即“標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”以代表人眼的平均顏色視覺特性，用于色度學(xué)計算，標(biāo)定顏色。（綜合一些視覺實驗結(jié)果，規(guī)定出CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值）1.4.3 CIE 色度圖色度學(xué)明視覺1-4視場顏色測試原理、數(shù)據(jù)及計算方法-國際照明委員會(Commission International de lEclairage,CIE)1931制定的CIE標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)，即三基色XYZ系統(tǒng)。1.4.3.1 CIE-XYZ系統(tǒng)的發(fā)展歷史第八十一頁，共一百零九頁。第81頁，共109頁。R = 700 nm G =546.1 nm B = 435.8 nm三刺激值是引

45、起人體視網(wǎng)膜對某種顏色感覺的原色的刺激程度之量的表示第八十二頁，共一百零九頁。第82頁，共109頁。第八十三頁，共一百零九頁。第83頁，共109頁。2 1931 CIE-RGB系統(tǒng)的光譜三刺激值r, g, b 從實驗得出，本來可以用于色度學(xué)計算，標(biāo)定顏色，但是有一些顏色坐標(biāo)出現(xiàn)負(fù)值 ，計算起來不方便，又不易理解。3 1931年 推薦一個新的國際通用色度學(xué)系統(tǒng)-1931 CIE-XYZ系統(tǒng)第八十四頁，共一百零九頁。第84頁，共109頁。1.4.3.2 1931 CIE-XYZ系統(tǒng)的建立1 1931 CIE-RGB系統(tǒng)向1931 CIE-XYZ系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換1931年CIE在RGB系統(tǒng)基礎(chǔ)上，改用三個

46、設(shè)想的原色（X），（Y)，（Z)建立新的色度圖-CIE1931色度圖。同時將匹配等能光譜各種顏色的三原色數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化，定義為“CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”。這一系統(tǒng)叫做“CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度學(xué)系統(tǒng)”或“1931CIE-XYZ系統(tǒng)”。1931 CIE-XYZ系統(tǒng)建立的基礎(chǔ)：（1）選用三個設(shè)想的原色三原色（X），（Y)，（Z)，實際上不存在，但其所形成的虛線三角形包含整個光譜軌跡，因此，光譜軌跡上以及軌跡內(nèi)的色度坐標(biāo)成為正值。第八十五頁，共一百零九頁。第85頁，共109頁。XY邊與紅端光譜軌跡YZ邊應(yīng)盡量與光譜軌跡短波部分的一點（503nm）靠近(X)和（Z)的亮度為0，XZ線稱為無

47、亮度線第八十六頁，共一百零九頁。第86頁，共109頁。（2）光譜軌跡在540-700 nm 在RGB色度圖上基本上是一段直線，用這段線上的兩個顏色相混合可以得到兩色之間的各種光譜色，新的XYZ三角形的XY邊應(yīng)與這段直線重合。新的XYZ三角形的YZ邊應(yīng)盡量與光譜軌跡短波部分的一點（503nm）靠近。綜合上述XY邊與紅端光譜軌跡相切，就可以使光譜軌跡內(nèi)的真實顏色盡量落在XYZ三角形內(nèi)較大部分的空間，從而減少三角形內(nèi)設(shè)想顏色的范圍。（3）規(guī)定(X)和（Z)的亮度為0，XZ線稱為無亮度線。Y既代表色度，也代表亮度，這樣就使得亮度計算較為方便。第八十七頁，共一百零九頁。第87頁，共109頁。第八十八頁，

48、共一百零九頁。第88頁，共109頁。國際通用的CIE 1931 色度圖的轉(zhuǎn)換：第八十九頁，共一百零九頁。第89頁，共109頁。CIE1931年色度圖（顏色三角形）第九十頁，共一百零九頁。第90頁，共109頁。表1-4第九十一頁，共一百零九頁。第91頁，共109頁。在1931 CIE-XYZ系統(tǒng)中，用于匹配等能光譜刺激的（X），（Y)，（Z)三原色數(shù)量叫做“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者光譜三刺激值”，也叫做“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者顏色匹配函數(shù)”，簡稱“CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)觀察者”。在CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)觀察者光譜三刺激值 ，規(guī)定 與明視覺光譜光效率函數(shù) 一致。 2 CIE 1931標(biāo)準(zhǔn)

49、色度觀察者第九十二頁，共一百零九頁。第92頁，共109頁。第九十三頁，共一百零九頁。第93頁，共109頁。3 CIE 1931色度圖CIE-XY色度圖 第九十四頁，共一百零九頁。第94頁，共109頁。(1)色度圖是根據(jù)CIE 1931-XYZ系統(tǒng)繪制的。(2)色度圖由一封閉舌形曲線組成，橫坐標(biāo)x相當(dāng)于紅原色比例，縱坐標(biāo)y相當(dāng)于綠原色比例。(3)舌形曲線的坐標(biāo)點表示純單色光的光譜軌跡，波長從400-700 nm的連線是光譜上所沒有的從紫到紅的顏色。(4)在這條連線和弧線所圍成的舌形內(nèi)，包括了一切物理上可以實現(xiàn)的顏色。(5)三原色點、光譜軌跡線和由紅端到紫端范圍以外的顏色都是不可實現(xiàn)。(6)根據(jù)光

50、譜的x, y值，可以在色度圖上確定它的發(fā)光顏色，白光的色坐標(biāo)落在色度圖的中心位置，標(biāo)準(zhǔn)白光的色坐標(biāo)在x = 0.333, y = 0.333。第九十五頁，共一百零九頁。第95頁，共109頁。CIE-XY色度圖 第九十六頁，共一百零九頁。第96頁，共109頁。（1）色坐標(biāo)：發(fā)光材料的發(fā)光顏色是用色坐標(biāo)來表征的，即發(fā)光材料光色測量是樣品在特定波長激發(fā)下發(fā)射光譜的測定，由發(fā)射光譜轉(zhuǎn)換為色坐標(biāo).色度圖相關(guān)概念第九十七頁，共一百零九頁。第97頁，共109頁。加權(quán)坐標(biāo)法求色度坐標(biāo)對于照明體或光源，即為相對光譜功率分布K第九十八頁，共一百零九頁。第98頁，共109頁。第九十九頁，共一百零九頁。第99頁，共109頁。舉例說明：計算在光源下某一表面色的三刺激值圖1-10第一百頁，共一百零九頁。第100頁，共109頁。 在特定條件下，物體由光源照明和由參比施照體(即標(biāo)準(zhǔn)光源)照明時，知覺色符合程度的度量稱作該光源的顯色指數(shù)。按照CIE的規(guī)定，一個光源的平均顯色指數(shù)Ra由下式確定：Ra = 100 4.6E (1-1) E為顏色試樣在標(biāo)準(zhǔn)光源與待測光源分別照明下的顏色在顏色坐標(biāo)圖上計算出的色差值。顯然待測光源與標(biāo)準(zhǔn)光源的E值越小則待測光源的Ra越大，其顯色性能越好