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本书系统介绍了发光的概念，以及发光材料的发光机理、规律、性能及应用，是一本内容全面、材料新颖、理论性较强、技术先进且兼顾实用性的图书。本书共12章，内容包括：绪论、固体发光基础知识、光谱分析、上转换发光、半导体理论、稀土材料发光、色度学、分立发光中心发光、能量传递与输运、光致发光、电致发光、激光器发光原理。本书提供配套的电子课件PPT等教学资源。本书可作为高等院校发光学、发光材料与器件、照明与显示、发光科学与技术等专业基础课的教材，也可作为相关专业研究生的教学参考书。本书对从事发光材料、发光物理、发光应用、平板显示与照明等研究与生产的技术人员都有很高的参考价值，也可作为高等院校相关专业教师的教学参考书。

目    录
 
第1章  绪论	1
1.1  引言	1
1.2  课程目的与任务	2
1.3  发光物理学的内容	2
1.4  发光及发光现象	2
1.4.1  发光现象	5
1.4.2  发光的定义	5
1.4.3  发光的基本过程	7
1.5  发光的分类	8
1.5.1  光致发光	8
1.5.2  电致发光	8
1.5.3  阴极射线发光	9
1.5.4  放射线发光	9
1.5.5  X射线发光	10
1.5.6  化学发光	10
1.5.7  生物发光	11
1.5.8  摩擦发光	12
1.5.9  声致发光	12
1.6  发光材料的应用[5]	13
思考题1	13
参考文献	13
第2章  固体发光基础知识	14
2.1  背景知识	14
2.1.1  发光材料的定义	14
2.1.2  发光材料的形态	14
2.1.3  原子能级及跃迁	16
2.2  固体光吸收的本质	21
2.2.1  基础吸收	22
2.2.2  半导体的光吸收和光导电现象	24
2.3  固体发光及发光材料	26
2.3.1  激发源和发光材料分类	26
2.3.2  发光材料的特性	26
2.3.3  发光颜色的表征	27
2.4  荧光和磷光	28
2.4.1  光致发光材料的基本组成	28
2.4.2  光致发光原理	28
2.4.3  反斯托克斯磷光体	30
2.4.4  典型荧光和磷光材料	31
思考题2	33
参考文献	33
第3章  光谱分析	34
3.1  光谱分析的发展与研究内容	34
3.1.1  光谱分析的发展[1]	34
3.1.2  光谱分析的研究内容	35
3.1.3  光谱分析	37
3.2  分子发光分析	38
3.2.1  分子荧光分析法	38
3.2.2  磷光分析法	47
3.3  分光光度法	51
3.3.1  分光光度法的基本原理	51
3.3.2  分光光度法的应用	52
3.3.3  分光光度法的误差	52
3.4  朗伯?比尔定律的推导	52
3.4.1  朗伯定律	53
3.4.2  比尔定律	53
3.4.3  朗伯?比尔定律	53
3.4.4  朗伯?比尔定律的物理意义	54
3.4.5  朗伯?比尔定律成立的前提	54
3.4.6  吸光度的加和性	54
3.5  吸收系数和桑德尔灵敏度	54
3.5.1  吸收系数	54
3.5.2  桑德尔灵敏度	55
3.6  标准曲线的绘制及应用	56
3.6.1  标准曲线的绘制	56
3.6.2  标准曲线的应用	56
3.7  引起偏离朗伯?比尔定律的原因	56
3.7.1  物理因素	56
3.7.2  化学因素	57
3.8  吸光光度法和分光光度法的区别[2]	57
3.8.1  原理不同	57
3.8.2  特点不同	58
3.8.3  用途不同	58
思考题3	58
参考文献	58
第4章  上转换发光	59
4.1  上转换发光的概念	59
4.2  上转换技术的发展	60
4.3  稀土离子上转换发光机理	60
4.3.1  激发态吸收	61
4.3.2  能量传递上转换	61
4.3.3  光子雪崩	62
4.4  上转换机理	63
4.4.1  实际的上转换过程	63
4.4.2  不同机理的双光子上转换效率	65
4.5  上转换发光材料	65
4.5.1  掺杂Yb3+和Er3+的材料	65
4.5.2  掺杂Yb3+和Tm3+的材料	66
4.5.3  掺杂Er3+或Tm3+的材料	66
4.6  实例分析	67
4.6.1  样品制备与光谱测试	67
4.6.2  激发机理	67
4.6.3  实验结果讨论	68
4.7  上转换发光材料及其应用	69
思考题4	73
参考文献	73
第5章  半导体理论	75
5.1  固体的能带理论	75
5.1.1  能带的形成	75
5.1.2  绝缘体、半导体和导体	75
5.2  半导体材料硅的晶体结构	76
5.2.1  晶体结构	77
5.2.2  硅晶体内的共价键	77
5.2.3  晶面和晶向	78
5.2.4  原子密排面和解理面	78
5.3  半导体的特性	79
5.3.1  纯度	79
5.3.2  导电能力	79
5.3.3  导电过程描述	79
5.3.4  本征半导体与掺杂半导体	80
5.3.5  产生与复合	80
5.3.6  杂质与掺杂半导体	80
5.4  载流子的复合与寿命	82
5.4.1  多数载流子和少数载流子	82
5.4.2  平衡载流子和非平衡载流子	82
5.4.3  直接复合	82
5.4.4  间接复合	83
5.4.5  表面复合	83
5.5  载流子的传输	84
5.5.1  漂移与迁移率	84
5.5.2  扩散	84
5.5.3  扩散长度	84
5.6  PN结二极管	85
5.6.1  PN结	85
5.6.2  自建电场	85
5.6.3  PN结的形成	85
5.6.4  正、反向偏置的PN结	85
5.6.5  PN结电流的解析描述	86
5.7  硅材料的物理化学性质	86
5.7.1  物理性质及常数	86
5.7.2  化学性质	87
5.7.3  参数的测量	87
5.7.4  硅材料的性能参数测量	88
思考题5	89
参考文献	90
第6章  稀土材料发光	91
6.1  稀土材料的发光	91
6.1.1  稀土发光与其晶体内部结构	91
6.1.2  稀土发光过程	91
6.1.3  稀土材料的荧光和磷光	92
6.2  稀土的电子层结构和光谱学性质	92
6.2.1  稀土元素基态原子的电子层构型	93
6.2.2  稀土元素的价态	93
6.2.3  稀土离子的发光特点	93
6.2.4  稀土发光材料的分类	94
6.2.5  稀土发光的三基色原理	94
6.3  灯用稀土发光材料	94
6.3.1  气体放电和气体放电光源	95
6.3.2  稀土发光材料在气体放电光源
领域的应用	95
6.3.3  低压汞灯	95
6.3.4  高压汞灯	96
6.4  长余辉发光材料	96
6.5  稀土发光材料的应用	98
6.5.1  稀土发光材料的制备方法	99
6.5.2  稀土发光材料的主要应用	99
6.6  基于无机稀土纳米探针的无背景
荧光生物检测[3]	100
思考题6	101
参考文献	101
第7章  色度学	102
7.1  色度学基础	102
7.1.1  颜色的基本性质	102
7.1.2  颜色的交互作用和颜色恒常性	103
7.1.3  颜色的混合	104
7.2  颜色匹配和标定	106
7.2.1  颜色匹配和颜色方程	106
7.2.2  颜色相加原理	108
7.2.3  颜色的标定	109
7.3  固体发光的颜色表示	112
7.4  辐射度量学和光度学基础	113
7.4.1  概览	113
7.4.2  辐射度量学物理量	114
7.4.3  光度学物理量	115
7.4.4  视见函数	116
思考题7	116
参考文献	117
第8章  分立发光中心发光	118
8.1  分立发光中心概述	118
8.1.1  发光中心的概念	118
8.1.2  分立发光中心	118
8.1.3  分立发光中心的分类	118
8.1.4  复合发光中心	120
8.2  晶体场	120
8.3  稀土离子发光	122
8.3.1  跃迁的选择定则	124
8.3.2  稀土离子的4f→4f跃迁
（4f n组态内跃迁）	124
8.3.3  Eu3+稀土荧光粉的激发	125
8.3.4  稀土离子的5d→4f跃迁发光	126
8.4  具有3d电子的离子发光	130
8.4.1  Oh晶场对3d电子的影响	131
8.4.2  受晶场影响较大的分立发光中心
的发光	133
8.5  电子云膨胀效应[1]	133
8.6  色心[2]	135
思考题8	136
参考文献	137
第9章  能量传递与输运	138
9.1  能量传输的现象	138
9.2  能量传输的定义与传输途径[1]	139
9.2.1  能量传输的定义	139
9.2.2  固态基质中能量传输的途径	139
9.2.3  共振能量传递的模型	139
9.2.4  共振能量传递的光谱特征	142
9.2.5  同核离子间的能量传递	143
9.2.6  交叉弛豫	144
思考题9	146
参考文献	146
第10章  光致发光	147
10.1  发光概念及内涵	147
10.2  光致发光的主要特征及一般规律	147
10.2.1  吸收光谱	147
10.2.2  反射光谱	147
10.2.3  激发光谱	148
10.2.4  发射光谱	148
10.2.5  能量传递	149
10.2.6  发光和淬灭	150
10.2.7  斯托克斯定律和反斯托克斯
发光	150
10.2.8  发光效率	151
10.2.9  发光的衰减	153
10.2.10  热致释光与红外释光	153
10.3  多孔硅发光	154
10.3.1  多孔硅的制备	154
10.3.2  多孔硅的光致发光	155
10.3.3  多孔硅的光致发光机理	158
10.3.4  多孔硅的电致发光	159
10.3.5  多孔硅的应用与展望	159
10.4  延迟荧光	160
10.4.1  有机材料的荧光与磷光	160
10.4.2  延迟发光概述	161
10.4.3  激基缔合物和激基复合物发光	163
10.5  聚集诱导发光	165
10.5.1  聚集诱导发光概述	165
10.5.2  聚集诱导发光效应的机理
研究	165
10.5.3  聚集诱导发光材料的设计	166
10.5.4  聚集诱导发光材料的研究
进展	166
10.5.5  聚集诱导发光的展望	167
思考题10	167
参考文献	168
第11章  电致发光	169
11.1  电致发光器件	169
11.1.1  全固态的电致发光显示器	169
11.1.2  电致发光的分类	169
11.1.3  无机薄膜型电致发光	170
11.1.4  各种构成材料	171
11.1.5  ELD的用途	172
11.1.6  TFEL器件最新进展	172
11.1.7  无机TFEL研究的一般方法	173
11.2  有机电致发光	173
11.2.1  OLED发展历程	173
11.2.2  OLED的分类	173
11.2.3  小分子OLED的结构、发光原理
与材料	174
11.2.4  PELD的结构、发光原理
及材料	181
11.2.5  OLED的一般研究方法	183
11.3  LB膜技术	185
11.3.1  LB膜的历史	186
11.3.2  LB膜技术的优点	186
11.3.3  LB膜技术的缺点	187
11.4  器件的封装	187
11.5  有机电致发光器件特性	190
11.5.1  发射光谱	190
11.5.2  全色显示的方法	191
11.5.3  影响器件失效与寿命的因素	191
11.5.4  OLED的发展现状、应用前景和
展望	192
11.6  有机电致发光基础	192
11.6.1  激发态的多重态（多线态）	193


11.6.2  激发态的能量	193
11.6.3  辐射跃迁	193
11.6.4  无辐射跃迁	193
11.6.5  吸收和辐射之间的相关性	194
11.6.6  跃迁选择规则	195
11.6.7  吸收和辐射跃迁引起分子偶极矩
的改变	195
11.6.8  夫兰克?康登原理	196
11.6.9  影响无辐射跃迁的因素	196
11.6.10  激发态能量转移	196
11.6.11  光致电子转移概念	198
11.7  量子点发光	200
11.7.1  量子点的概念	200
11.7.2  制备方法	201
11.7.3  类型划分	202
11.7.4  主要性质	202
11.7.5  物理效应	203
11.7.6  应用前景	204
思考题11	207
参考文献	208
第12章  激光器发光原理	209
12.1  本章概述	209
12.2  激光的发展与现状	209
12.3  激光的原理、特性和应用	211
12.3.1  玻尔假说与粒子数正常分布	211
12.3.2  自发辐射、受激辐射和受激
吸收[2]	213
12.3.3  粒子数反转与光放大	216
12.3.4  激光器的基本结构	217
12.3.5  激活介质的粒子数反转与增益
系统	218
12.3.6  激活介质的增益系数	219
12.3.7  谐振腔与阈值	219
12.3.8  几种典型的激光器	223
12.3.9  激光的特性及应用	227
思考题12	231
参考文献	231
主要参考书目	232

前   言
众所周知，光是一种以电磁波形式存在的物质，光是可逆的。电磁波的波长范围很宽，包含无线电波、红外光、可见光、紫外光、X射线、宇宙射线等，其中，可见光特指能够引起人眼视觉反应的、波长为380～780nm的电磁波。
发光就是物体将已经吸收的激发能转换为光辐射的过程。发光只在少数中心进行，不会影响物体的温度，显然用这种方式可以有效地把外界提供的能量转换成我们所需要的可见光。在升高温度以得到我们所需要的光辐射的同时，物体必定发射许多我们不需要的热辐射。热辐射能量的90%落到了看不见的红外部分。可见，发光就是在热辐射之外，将其内部以某种方式吸收的能量直接以光能的形式释放出来的非平衡辐射过程。
因此，“发光”是一个有特殊含义的专业名词，并不是只要有光的发射就是发光。发光的第一个特点就是它和周围环境的温度几乎是相同的，并不需要加温，所以，发光被视为“冷光”。例如，极光、常说的“鬼火”、萤火虫发出的光、海中一些动物发出的光等。我们称发光是“冷光”，主要是指其在发光过程中，发光体并不需要和热辐射那样加热到高温。冷、热并非光的属性，只反映发光体所处的环境，但它反映了两种过程的本质差别。在加热时，物体内所有的原子或分子的能量都得到提高；而在激发发光时，只有个别中心才能得到能量，周围大量的中心仍处于未被激发的状态。在激发发光时，只有个别原子或分子吸收能量，而发光的光谱就取决于这些原子或分子，发光现象使电子在不同能态上的分布偏离热平衡分布，那么，从这些高能态跃迁发射出来的光就会比相应温度下同样波长的热辐射强得多。由于发光只在少数发光中心进行，不会影响物体的温度，因此可以更有效地将外界提供的能量转换为可见光，寻找合适的材料以获得所需要的光谱就有很多选择。
发光的第二个特点是从外界吸收能量后，要经过物质的消化，然后放出光来，这一消化过程就要花费一定时间，而且发出的光既有反映这个物质特点的光谱，又有一定的衰减规律。根据发光的“期间”（Duration）就可将发光与反射光、散射光、契伦科夫辐射等区分开来。
如今，发光使人类的活动不再受黑夜的影响，夜间建筑物内外不同场所的光照环境、白昼因时间、气候、地点不同造成的采光不足，都可以通过人工照明来补偿，以满足工作、学习和生活的需求。作为最常见的发光器件之一，发光二极管具有高效、长寿命、低功耗等优点，因此在照明、显示、通信等领域得到广泛应用。随着科技的不断发展，发光材料与显示技术也在不断地更新换代。生活中，人们离不开发光，发光不仅改变了人们的生活方式，也推动了各行各业的发展，为人们的生活带来了更多的便利和创新。相信在不久的将来，这些技术还会有更加广泛的应用和更加出色的表现。
今天，认识发光现象、了解发光物理已经成为人们（特别是青年一代）必备的技能。为了进一步加强发光物理学的教学工作，适应高等学校正在开展的课程体系与教学内容的改革，及时反映发光物理学教学的研究成果，积极探索适应21世纪人才培养的教学模式，特别是为了积极响应党的二十大报告精神，履行“科教兴国、人才强国、创新驱动发展”三大战略，党的二十大报告聚焦教育发展的关键领域和突出环节，着重要求解决高质量教育体系建设问题，并对学科建设和教材建设给予了特别的关注，“加强教材建设和管理”的内容第一次出现在党的二十大报告中，因此，出版一本内容丰富、集理论与实践于一体的精品教材是“办好人民满意的教育”的一部分，具有重要意义和紧迫性。在这种形势下，我们编写了本书。
本书有如下特色：
? 系统介绍了发光的概念，以及发光材料的发光机理、规律、性能及应用，是一本内容全面、材料新颖、理论性较强、技术先进且兼顾实用性的图书；
? 对从事发光材料、发光物理、发光应用、平板显示与照明等研究与生产的技术人员都有很高的参考价值，可作为高校相关专业的研究生和本科生的教材及教学参考书；
? 本书的实用性及时代性突出，从发光原理出发，围绕“材料和器件”，注重“概念”和“应用”，结合多学科交叉，体现“与时俱进”的特色及创新。
本书共12章，主要内容包括：第1章讲述发光学的内容及其发展、发光物理学的研究内容、各种发光现象；第2章讲述固体发光的背景知识、固体光吸收和发光的本质；第3章讲述光谱分析的含义及其发展、研究内容；第4章讲述上转换发光的概念及上转换发光材料；第5章讲述半导体相关理论及半导体发光的基础知识；第6章讲述稀土材料的发光及其发光机理；第7章讲述色度学的基础知识及表示方法；第8章讲述分立发光中心及其发光的理论；第9章讲述固体发光中的能量传递与输运情况及其相关机理；第10章讲述光致发光的基本概念及其规律；第11章讲述电致发光的概念及无机、有机电致发光材料和器件；第12章讲述激光器的发光原理及半导体激光器的工作机理。
通过学习本书，你可以：
? 了解发光的概念；
? 了解生活中遇到的发光现象及其产生的原因；
? 了解相关的发光材料及其发光机理、发光规律、发光性能及应用；
? 作为高校相关专业的学生，在参考本书及教学参考书的基础上，可制备出相关的简单发光器件。
本书简明扼要、通俗易懂，具有很强的专业性、技术性和实用性。本书是作者在非发光学专业学生的发光材料和器件教学的基础上逐年积累编写而成的，每一章都附有丰富的图表，利于学生学习并掌握相关的发光特性。本书可作为高等院校非发光学专业课程的基础教材，也可供相关的工程技术人员学习、参考。
教学中，可以根据教学对象和学时等具体情况对书中的内容进行删减和组合，也可以进行适当扩展，参考学时为32～64学时。为适应教学模式、教学方法和手段的改革，本书配有电子课件PPT，请登录华信教育资源网（http://www.hxedu.com.cn）注册后免费下载，也可联系本书责任编辑（010-88254113，wangxq@phei.com.cn）索取。
本书由杨盛谊编著，其中部分章节（第3章和第4章）得到了王颖和辛海源等同学的帮助和校对。电子工业出版社的责任编辑王晓庆在本书出版过程中提出了许多宝贵的修改意见，在此一并表示感谢！
本书的编写参考了大量近年来出版的相关技术资料，吸取了许多专家和同仁的宝贵经验，在此向他们深表谢意。
由于发光材料和发光器件的飞速发展，以及作者的学识有限，书中误漏之处难免，望广大读者批评指正。

杨盛谊   
2023年11月

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