【文章內(nèi)容簡介】 ， ?=4，即散射光強(qiáng)度與波長的 4次方成反比（ Is=?4）。這一關(guān)系稱為瑞利散射定律。 按照瑞利，微小粒子（ d?）對(duì)長波的散射不如短波有效。 理解晴天早晨的太陽呈鮮紅色而中午卻變成白色：大氣及塵埃對(duì)光譜上藍(lán)紫色的散射比紅橙色強(qiáng)，一天內(nèi)不同時(shí)刻陽光到達(dá)觀察者所通過的大氣層厚度不同，陽光透過大氣層越厚，藍(lán)紫色成分損失越多，因此達(dá)到觀察者的陽光中藍(lán)紫色的比例就越少。 瑞利散射并非氣體介質(zhì)所特有。固體光學(xué)材料在制備過程中形成的氣泡、條紋、雜質(zhì)顆粒、位錯(cuò)等都可成為散射中心，在許多情況下，當(dāng)線度滿足 d?的條件時(shí)，就可引起瑞利散射。 （ 2）非彈性散射 除了瑞利散射外，用高靈敏度和高 分辨率的光譜儀器，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其他光譜成分，它們在頻率坐標(biāo)上對(duì)稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度比彈性散射弱得多。 布里淵散射線： 瑞利散射線兩側(cè)的兩條譜線，與瑞利線的頻差一般在 1011cm1。 拉曼散射線： 距離瑞利散射線較遠(yuǎn)的譜線，與瑞利線的頻差一般在 1104cm1。 出現(xiàn)在瑞利線低頻側(cè)的散射線統(tǒng)稱為 斯托克斯（ stokes）線，在瑞利線高頻側(cè)的散射線統(tǒng)稱為 反斯托克斯 （ antistokes）線。 拉曼散射： 光通過材料時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用而引起的頻率發(fā)生變化的散射，又稱 拉曼效應(yīng) 。 共振拉曼散射： 當(dāng)一個(gè)化合物被入射光激發(fā)，激發(fā)線的頻率處于該化合物的電子吸收譜帶以內(nèi)時(shí)，由于電子躍遷和分子振動(dòng)的耦合，使某些拉曼譜線的強(qiáng)度陡然增加 表面增強(qiáng)拉曼散射： 當(dāng)一些分子被吸附到某些粗糙的金屬，如金、銀或銅的表面時(shí)，它們的拉曼譜線強(qiáng)度會(huì)得到極大的增強(qiáng) 材料的光發(fā)射 材料的發(fā)光性質(zhì)與它們的能量結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。固體的基本能量結(jié)構(gòu)是能帶。固體中常常通過人為的方法摻雜一些與基質(zhì)不同的成分，以改善固體的發(fā)光性能。雜質(zhì)離子具有分立的能級(jí)，它們常常出現(xiàn)在禁帶中。固體發(fā)光的微觀過程可以分為兩個(gè)步驟： （ 1） 對(duì)材料進(jìn)行激勵(lì) ，即以各種方式輸入能量，將固體中的電子的能量提高到一個(gè)非平衡態(tài)，稱為“激發(fā)態(tài)”。 （ 2） 處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)地向低能態(tài)躍遷，同時(shí)發(fā)射光子 。如果材料存在多個(gè)低能態(tài)，發(fā)光躍遷可以有多種渠道，那么材料就可能發(fā)射多種頻率的光子。當(dāng)然向下躍遷未必都發(fā)光，也可能存在把激發(fā)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒o輻射躍遷過程 、激勵(lì)方式 如前所述，當(dāng)某種物質(zhì)受到諸如光的照射、外加電場或電子束的轟擊等激發(fā)后，只要該物質(zhì)不會(huì)因此而發(fā)生化學(xué)變化，它總要回復(fù)到原來的平衡狀態(tài)。在這個(gè)過程中，一部分多余的能量會(huì)通過光或熱的形式釋放出來。 歷史上人們曾以發(fā)光持續(xù)時(shí)間的長短分為兩個(gè)過程，把物質(zhì)在受激發(fā)時(shí)的發(fā)光稱為 熒光 ，而把激發(fā)停止后的發(fā)光稱為 磷光 。一般以持續(xù)時(shí)間 108s為界，持續(xù)時(shí)間 短于 108s的發(fā)光稱為 熒光 ，持續(xù)時(shí)間 長于 108s的發(fā)光稱為 磷光 ?，F(xiàn)在除了習(xí)慣上還保留和沿用這兩個(gè)名詞外，已不再用熒光和磷光來區(qū)分發(fā)光過程，因?yàn)槿魏涡问降陌l(fā)光都以余輝的形式來體現(xiàn)其衰減過程。 熒光 ：被激發(fā)的電子跳回價(jià)帶時(shí)，同時(shí)發(fā)射光子 磷光 ：含有雜質(zhì)，并在能隙中建立施主能級(jí)，當(dāng)激發(fā)的電子從導(dǎo)帶跳回價(jià)帶時(shí)，首先跳到施主能級(jí)并被捕獲。在它跳回價(jià)帶時(shí)，電子必須先從捕獲陷阱內(nèi)逸出，因此延遲了光子發(fā)射時(shí)間。 按被激發(fā)的方式分類： （ 1） 光致發(fā)光 ：是用光激發(fā)發(fā)光體引起的發(fā)光現(xiàn)象 （ 2） 電致發(fā)光（場致發(fā)光） ：將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的現(xiàn)象。本征型電致發(fā)光，注入式電致發(fā)光 （ 3） 陰極射線致發(fā)光 ：發(fā)光物質(zhì)在電子束的激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光 （ 4） x射線及高能粒子發(fā)光 :在 X射線、 ?射線， ?粒子和 ?粒子等高能粒子激發(fā)下，發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)光 （ 5） 化學(xué)發(fā)光 ：由化學(xué)反應(yīng)過程中釋放出來的能量激發(fā)發(fā)光物質(zhì)產(chǎn)生的發(fā)光 （ 6） 生物發(fā)光 ：在生物體內(nèi)，由于生命過程的變化，其相應(yīng)的生化反應(yīng)釋放的能量激發(fā)發(fā)光物質(zhì)所產(chǎn)生的發(fā)光 、材料發(fā)光的基本性質(zhì) 發(fā)光材料除了要有合適的基質(zhì)為主體外，還要選擇摻入微量雜質(zhì)作為激活劑，這些微量雜質(zhì)一般被用來充當(dāng)發(fā)光中心，有些也被用來改變發(fā)光體的導(dǎo)電類型。在很多情況下還加入另一種稱為“助熔劑”的雜質(zhì)，以促進(jìn)材料餓結(jié)晶或激活劑匹配。從應(yīng)用的角度看，對(duì)材料感興趣的光學(xué)性能通常是發(fā)光的顏色、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間。所有，材料的發(fā)光特性主要從 發(fā)射光譜、激發(fā)光譜、發(fā)光壽命和發(fā)光效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。 （ 1） 發(fā)射光譜 ：在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長的分布。發(fā)射光譜的形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)，有些材料的發(fā)射光譜呈現(xiàn)寬譜帶，甚至由寬譜帶交疊而形成連續(xù)譜帶，有些材料的發(fā)生光譜則是線狀光譜。 400 450 500 550 600 650 7001 0 0 001000202230004000500060007000intensity (a.u)w a v e l e n g t h (n m ) Y AG : T b400 450 500 550 600 6500100200300400intensity (a,u)w a v e l e n g t h (n m ) Y BO 3 : T b（ 2） 激發(fā)光譜 ：材料發(fā)射某一種特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光的波長而變化的曲線。能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長也一定是材料可以吸收的波長。就這一點(diǎn)而言，激發(fā)光譜與吸收光譜有類似之處。但是有的材料吸收光之后不一定會(huì)發(fā)光，就是說它能把吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉。對(duì)發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收是不會(huì)在激發(fā)光譜上得到反映的。因此激發(fā)光譜又不同于吸收光譜。 200 250 300 350 400 450 5000100020223000400050006000Intensity(a.u)W a v e l e n g t h (n m )Y AG : T b?em=54 6 n m（ 3） 發(fā)光壽命（熒光壽命或余輝時(shí)間） ：發(fā)光體在停止激發(fā)后持續(xù)發(fā)光的時(shí)間。 設(shè)某時(shí)刻共有 n個(gè)電子處于激發(fā)態(tài)，則在 dt時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)的電子數(shù) dn正比于 ndt，即 ndtdn ???式中 ?表示在單位時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率。從上式得到電子數(shù)衰減的規(guī)律為 tenn ??? 0式中 n0表示初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)。與此相應(yīng)，發(fā)光強(qiáng)度也以同樣的指數(shù)規(guī)律衰減 teII ??? 0定義光強(qiáng)衰減到初始值 I0的 1/e所經(jīng)歷的時(shí)間為發(fā)光壽命 ?，則 ?=1/?，即 ?teII ?? 00 2022000 4000000 6000000 8000000 10000000020220400006000080000100000Intensity (a.u)T i m e (n s)某些材料的發(fā)光涉及比較復(fù)雜的中間過程，其光強(qiáng)衰減規(guī)律呈雙指數(shù)或雙曲線形式，難以用一個(gè)反映衰減規(guī)律的參數(shù)來表示。在應(yīng)用中往往規(guī)定，從激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度 I0衰減到 I0/10的時(shí)間稱為余輝時(shí)間，根據(jù)余輝時(shí)間的長短可以把發(fā)光材料分為： 超短余輝（ 1?s)，短余輝 (110?s)，中短余輝（ 1021ms),中余輝（ 1100ms），長余輝（ ），超長余輝（ 1s)六個(gè)范圍。 （ 4） 發(fā)光效率 發(fā)光效率通常有三種表示方法，即 量子效率，功率效率和光度效率 。 量子效率是指發(fā)射光子數(shù)與吸收光子數(shù)之比，即 ino u tq nn??功率效率表示發(fā)光功率 Pout與吸收光的功率 Pin之比，即 ino u tP PP??光度效率定義為發(fā)射的光通量 L（以流明 lm為單位）與輸入的光功率 Pin之比，即 inL PL??工程上應(yīng)用的發(fā)光材料要求具有下列性能： （ 1）高的發(fā)光效率 （ 2）希望的發(fā)光色彩 （ 3）適當(dāng)?shù)挠噍x時(shí)間 （ 4）材料與基體結(jié)合力強(qiáng) 三、發(fā)光的物理機(jī)制 （ 1）分立中心發(fā)光 這類材料的發(fā)光中心通常是摻雜在透明基質(zhì)中的離子，有時(shí)也可以是基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個(gè)基團(tuán)。選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長，調(diào)節(jié)其光色。不同的組合會(huì)影響到發(fā)光效率和余輝長短。發(fā)光中心分布在晶體點(diǎn)陣中，或多或少會(huì)受到點(diǎn)陣上離子的影響，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的發(fā)光性能。發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱又可以分成兩種情況： 1）發(fā)光中心基本上是孤立的 。它的發(fā)光光譜與自由離子很相似。2） 發(fā)光中心受基質(zhì)點(diǎn)陣電場（或稱晶格場）的影響很大 。這種情況下的發(fā)光性能與自由離子很不相同，必須把中心和基質(zhì)作為一個(gè)整體來分析。 晶格場對(duì)發(fā)光離子的影響： （ 1）影響光譜結(jié)構(gòu) （ 2）影響光譜的相對(duì)強(qiáng)度 （ 3）影響發(fā)光壽命 （ 2）復(fù)合發(fā)光 復(fù)合發(fā)光與分立中心發(fā)光最根本的區(qū)別在于，復(fù)合發(fā)光時(shí)電子的躍遷涉及固體的能帶。由于電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時(shí)在價(jià)帶上留下了一個(gè)空穴，因此當(dāng)導(dǎo)帶的電子回到價(jià)帶與空穴復(fù)合時(shí)，便以光的形式放出能量。復(fù)合發(fā)光所發(fā)射的光子能量等于禁帶寬度（ Eg=hv）。通常復(fù)合發(fā)光采用半導(dǎo)體材料，并且以摻雜的方式提高發(fā)