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1、第二章 发光材料及其特征 2.2 发射光谱（发光光谱） 在一定激发源的激发下，发光材料的发光 能量或发光强度（也可用光子数目表示，都是 相对值）按波长(或频率）的分布。 表征发光的主要性能指标 它类似人的指纹，是发光材料独具的特征。 光谱的形状决定于发射体发光中心 稀土离子 过渡金属离子 Ti钛 Cr Mn 重金属离子 Sb Tl Bi铋 离子团 WO42- 线谱:光谱由许多强弱不同的谱线组成。 实际上并非几何意义的线，而是有一定的 宽度。 发射光谱的类型： 线谱 带谱：在一定波长范围内，发射能量的分布连续变化。 带谱 曲线A为示波器显示屏用 ZnZn 2 2 SiOSiO 4 4 :Mn:M
2、n2+ 2+ ，发黄绿光。曲 线B为（ZnZn，BeBe） 2 2 SiOSiO 4 4 :Mn:Mn2+ 2+ ，发偏红的白光 同样用MnMn2+ 2+做激活剂，基质不同，发光相差很 做激活剂，基质不同，发光相差很 远。用不同的基质，可以获得几乎从蓝到红的远。用不同的基质，可以获得几乎从蓝到红的 各色发光各色发光 说明：晶格场对发光离子的能级有影响 例1 说明：ZnS:Cu有两种发光中心 ，一种发蓝光，一种发绿光，每 一个谱带代表一个中心的发射。 通常，同一结构的发光中心的发 射光谱可用Gauss函数描述。 ZnS:Cu光谱的形状可以分 解为两个谱带的叠加。 注意：式中能量分布用频率表示，而
3、 不是用波长 例2 E = E0 exp-a(-0)2 频率，E、E0频率,0处 相对强度，与谱带宽度有关 的常数，0-特征频率 三价稀土离子做发光中心时，晶格场对其能级 的影响很小，光谱仍为线谱，且在不同基质中 没有大的变化。 由光谱可确定发光中心是哪种稀土离子，从谱线 的微小变化可以了解到晶格的作用，进而可以确 定离子在晶格中的位置。 例3 晶体中分散的孤立分子、原子、离子或离子 团的发光分立中心发光 对半导体的情况，发射体是电子-空穴对 复合发光 复合发光需要用固体的能谱理论来分析发射光谱。 光的吸收系数随波长或频率的变化关 系曲线，称为吸收光谱。 2.3 吸收光谱 当光照射到发光材料上
4、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， 显然是很重要的。 发光材料对光的吸收遵循： I(v)=I0(v)e-a（v）l （忽略 其他能量损失） I0(v)入射光强； I(v)透射光强； l样品厚度 a吸收系数（不依赖光强、但随波长变化而变化） 光可被基质吸收（基本吸收带或本征吸收带）， 也可被激活剂和其他杂质吸收。 注意：a的量纲是cm-1,光通过该物质1cm后，其强度将 减至入射强度的1/ea。 是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或 频率）的变
5、化（用于光致发光）。 横轴代表所用的激发光波长，纵轴代表发光的强弱。 内涵：激发光谱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。 吸收光谱只说明材料的吸收，至于吸收后是否发光， 则不一定。 把吸收光谱和激发光谱相互对比，就可判断哪些吸收 对发光是有贡献的，哪些是不起作用的。 2.3 激发光谱 监控波长发射光谱中被监控的波长 激发光谱表明了哪些频率或波长的激发对发光是最有 效的，在实际应用中有重要的意义。 如果激发光源的光谱峰值波长与发光材料的激发光 谱峰值波长一致，就能够得到较高的发光效率。反之 ，当激发光源的光谱一定时，就需要选择具有合适激 发光谱的发光材料。 有些
6、材料，本来不能用某一波长的光有效地激发， 当材料中掺入其它杂质后，该杂质能更有效的吸收激 发能量，传递给发光中心使其发光。 2.6 发光衰减 发光体在激发停止后会持续发光一段时间，这 就是发光衰减（余辉）。它是发光现象的最重 要特征之一，是区分发光现象和其他光发射现 象的一个关键标志。 发光的持续反映了物质在激发态的滞留，持续时间对 应激发态的寿命。 假定发光材料中某种离子被激发，激发停止后（t=0) ，在某一时刻t共有n个电子处在某一激发能级，求dt 时间内激发态电子减少的数目。 用a表示电子跃迁到基态的几率 A）分立发光 自发跃迁几率 设E2上粒子数(密度)为n2 , 时间dt内 、单位体
7、积内自发从E2跃迁到E1的 粒子数为 dn21 a是粒子能级结构的特征量(对 一种粒子的每两个能级来说是 常量) 分离变量： 由此可以得到 n0是激发停止时（t=0）已被激发的电子数 （公式2） 设在dt时间内跃迁到基态的电子数目为dn，则 dn = -a n dt （公式1） 可见: 高能级上的粒子数随时间t按指数律衰减。 可以证明：电子在激发态的平均寿命就是 = 1/a 。 n0是初始时刻（t=0）被激发的电子数，已知寿命是指 电子数变为初始电子数的1/e时所经历的时间，证明 ：电子在激发态的平均寿命就是= 1/a。 因为 所以 令： = 即： -at=-1 求解：寿命t=1/a。 发光强
8、度I应该正比于电子跃迁到基态的速率，即 I dn/dt 可得： I=I0e-at (由公式2直接得知) 在秒后，发光强度为初始强度1/e。称衰减常数，为 发光的寿命。 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。 实验中，测出不同时间的发光强度，在半对数坐标纸上作图， 可以得到一条直线，其斜率就是a，从而可以得到值。 可见: 自发发射光功率随时间 t 亦按指数律衰减 设跃迁过程为发光跃迁 B） 复合发光 假设两类载流子数目相等，都等于n 任何一个载流子都可以和异号的任何一个载流子复合 双分子发光的衰减过程，非指 数发光衰减 Ao复合速率 实用上将荧光粉的亮度下降到激发停止的瞬间
9、亮度的 10%所经历的时间称作余辉时间 显示技术中常用的余辉划分 为了适应人眼的频率响应特性，家用电视要求2030ms以 下的中（短）余辉荧光粉 三基色荧光粉的余辉特性要求基本一致（有时需要特意引 入适当的猝灭剂，如Ni，Co等） 通常有三种表示法： 量子效率q 功率效率（能量效率）p 光度效率（流明效率）l 2.7 发光效率 发光效率反映了材料吸收激发能量后转变为光能的比例 发光效率能反映能量在物质中的转换机制，如离子和 环境的作用，离子间的相互作用等。 量子效率q ： 是指发射的光子数Nf与激发时吸收的光子数（或电子 数）Nx之比 。 注意：阴极射线发光和射线发光不用量子效率这个概念。 因
10、为，激发这两种发光的电子或射线，能量都很 大，它们进入发光体后不直接激发发光中心，而 是产生大量的二次电子，一个能量为上千电子伏 特的电子或高能粒子，最后能激发千百个发光中 心，产生千百个光子。如果说量子效率有那么大 ，是没什么意义的。重要的是，次级电子的能量 低到什么程度，才能激发一个发光中心。实际上 ，阴极射线发光的能量效率不会超过25%。 发光一般总有能量损失，激发光光子能量常大于发射 光光子能量。 当激发光波长比发光波长短很多时，这种能量损失（ 斯托克斯损失）就很大。 如日光灯中激发光波长为254nm（汞线），发光的平 均波长可以算作是550nm。 因此，即使量子效率为1（或100%）
11、，但斯托克斯能 量损失却有1/2以上。 所以量子效率反映不出来，引入功率效率。 功率效率（能量效率）p ： 是指发射光的光功率Pf与被吸收的光功率Px（或激发 时输入的电功率）之比 。 电致发光中，测出所加电压和通过样品的电流；阴极 射线发光，测出所用电压和进入发光材料的电子流。 发光谱带总是位于其相应激发谱带的长波边 Stokes定律：发光的光子能量 小于 激发光的光子能量 斯托克斯定律(下转换发光) 光致发光能量效率和量子效率的关系 能量效率由量子效率 和能量转换效率 共同决定： 下转换发光发射光子的能量比激发光子的能量 低，其能量转换效率： 发射波长 激发波长 发光带的平均波长 例如：日
12、光灯荧光粉发光的能量效率最大在50% 左右，气体放电产生254nm汞线的效率一般也在 50%左右，因此，如果忽略镇流器和其他附件的 损耗，通常日光灯的能量效率最大为25%。 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，对不同波 长光的敏感程度差别极大。 人眼对555nm绿光最敏感，随波长变化其相对视感度通 常用视见函数V（）（光谱光效率函数）表示： 功率效率很高的 发光器件发出的 光，人眼看起来 不见得很亮。 用人眼衡量发光器件功能时，引入流明效率。 流明效率l ： 发射的光通量L（以流明为单位）与激发时输入的电 功率或被吸收的其他形式能量总功率Px之比 。 日光灯：80
13、-100lm/w，白光LED: 120lm/w 辐射通量 光通量 ？ 辐射通量 ( W) 光通量 (lm) 1W= ? lm 如何折算？ 辐射通量 ( W) 光通量 (lm) V() 1瓦555nm的单色光辐射通量683流明的光通量 光通量是辐射通量中用光谱光效率函数V() 折算到能引起人眼光刺激的那一部分通量。 对于其它波长的单色光，1W辐通量引起的光刺激值 都小于683lm（比如650nm的红色，1W的光仅相当于 73lm), 它们的数值关系就是光谱光效率函数。 国际照明委员会CIE规定： 流明效率和功率效率的关系 Km=683lm/W为明视觉条件下波长=555nm 、V()=1单色光的光谱光效能值（光通量与辐 射通量的转换当量) 对于整个可见辐射范围内的总光通量v，可由 在整个可见光谱范围内积分求得： = 明视觉条件下： 流明效率和功率效率的关系: 作业： 1、列举常见的荧光粉器件，并根据发光材料的激 发方式说明其中发光材料的发光类型。 2、一种日光灯用荧光粉的量子效率为0.8，发光 峰值波长为500nm，计算该荧光粉在250 nm紫 外光激发下的功率效率和流明效率（人眼对500 nm光的视见灵敏度为0.323） 3、分别说明分立发光和复合发光的衰减规律
