激光的发光原理

固体发光

一、名词解释

1、平衡辐射：是炽热物体的光辐射，又叫热辐射。起因于物体的温度。T,热平衡(准平衡),相应热辐射。热辐射体的光谱只决定于辐射体的温度及其发射本领。

非平衡辐射：在某种外界作用激发下，物体偏离原来的热平衡态所产生的辐射。发光是其一种。

2、发光：当物质受到诸如光照、外加电场或电子束轰击等的激发后，吸收了外界能量，其电子处于激发状态，物质只要不因此而发生化学变化，当外界激发停止以后，处于激发状态的电子总要跃迁回到基态。在这个过程中，一部分多余能量通过光或热的形式释放出来。这部分能量以光的电磁波形式发射出来，即称为发光现象。

上转换发光：吸收光子的能量小于发射光子的能量，材料吸收低能量长波辐射，发射短波辐射，材料的发射谱带位于其相应激发谱带的短波边，称上转换发光。

3、发光效率：通常有三种表示法： 量子效率ηq功率效率（能量效率）η 光度效率（流明效率）ηl

功率效率（能量效率）ηp ：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 。

量子效率ηq ：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

4、发光中心：由激发而产生的电子和空穴，不稳定，最终将会复合。一般而言，电子和空穴总是通过某种特定的中心而实现复合的。若复合后发射出光子，这种中心就是发光中心（可以是组成基质的离子、离子团或有意掺入的激活剂）

猝灭中心：有些复合中心将电子和空穴复合的能量转变为热而不发射光子，这样的中心就叫做猝灭中心

5、电致发光：用电场或电流产生的发光，最初译成场致发光。

6、余辉发光：是一种光致发光现象，是指激发光停止后物质仍能持续发光的现象。

余辉时间：当激发光停止后，发光亮度（或强度）衰减到原来的e分之一 ，或10%时，所经历的时间。

7、热致释光：当温度升高时，发光又逐渐加强，这种现象称为加热发光或热致释光，有时简称热释光。

红外释光：有的甚至在室温衰减完后,加热到高温还有热释光峰。如：SrS:Ce、Sm150℃左右。SrS：Eu、Sm 370℃。这种材料存贮的激发能可通过红外线释放。

发光原理

1、 白炽灯

太阳发光是因为表面温度接近6000K，所有固体、液体及气体如达到足够高的温度，都会产生可见光。白炽灯中的固体钨在大约3000K时的炽热就是我们常见的光源。白炽体的重要特性：辐射的色表随着辐射体的温度的升高从暗红、经过桔黄、发白，最后到炽蓝。色温也随着辐射体的温度升高而提高。

白炽灯之所以使用钨做灯丝材料是因为钨在高温下的低蒸气速率以及可以被抽成细丝等其他性质。电流在金属导线中流过时会有一定的消耗，当输入功率与辐射功率及其他功率损失的总和精确平衡时，就达到了一个稳定态。影响一些光源寿命的因素，主要原因是由于钨灯丝的蒸发损失，主要是热点和填充气体。

2、 卤钨灯

维恩位移定律表明：温度越高光效越高。如钨丝表面在3200K时的光效（每一瓦电力所发出的光量，其数值越高表示光源的效率愈高）为36 lm.W-1，而在2800K时为22 lm.W-1。如果在高压下使用一种低热导气体，如氪，使蒸发受到抑制，就可以使用较高的灯丝温度。要安全承受这种高压，就需要一种小而结实的灯泡。非常小量的卤素，如各种形式的碘、溴，可以用来与到达灯泡壳壁的钨起反应，确保泡壳的干净。通过这种手段制造出灯丝温度达到3450K的灯泡，同时也改进了光效。如果没有充入卤素，这种灯泡会在几小时内变黑。

改善钨丝灯的方法是只允许可见辐射出射。如果红外辐射被反射回来并被灯丝吸收，则维护灯丝温度的功率就可以减小。商业化实现方法：发明制造低费用、低损耗、高质量的红外反射膜，我们也可称之为红外反射滤光器。

3、 气体放电

放电通常比白炽灯更有效，这是由于其辐射来自高于固体灯丝能达到的温度区域。放电是比钨更有选择的发射体（可移向可见区或者紫外区而远离红外辐射区），因此在红外辐射区有更少的能量浪费。

放电形成等离子体，它是离子、电子形成的混合体，平均呈电中性。一般必须有与等离子体的电子连接，通常是电极，但无电极连接也是可能的。

⑴带电极的气体放电

高压钠灯

高压钠灯使用时发出金白色光，它具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。

工作原理

当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。高压钠灯中放电物质蒸气压很高，也即钠原子密度高，电子与钠原子之间碰撞次数频繁，使共振辐射谱线加宽，出现其它可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。

高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。由于气体放电灯泡的负阻特性，如果把灯泡单独接到电网中去，其工作状态是不稳定的，随着放电过程继续，它必将导致电路中电流无限上升，最后直至灯光或电路中的零、部件被过流烧毁。

伏—安特性

高压钠灯同其他气体放电灯泡一样，工作是弧光放电状态，伏—安特性曲线为负斜率，即灯泡电流上升，而灯泡电压却下降。在恒定电源条件下，为了保证灯泡稳定地工作，电路中必须串联一具有正阻特性的电路无件来平衡这种负阻特性，稳定工作电流，该元件称为镇流器或限流器。电阻器、电容器、电感受器等均肯有限流作用。

电阻性镇流器体积小，价格便宜，与高压钠灯配套使用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗功率很大，将会使电路总照明效率下降。它一般在直流电路中使用，百交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。

电容性镇流器虽然不象电阻性镇流器自身消耗功率很大，温升低，在电源频率较低时，电容器充电时，会产生脉冲峰值电流，对电极造成极大损害，灯光闪烁，影响灯泡使用寿命；在高频电路中工作，电压波动能达到理想状态，成为理想的镇流器。

激光发光粒子的能级与跃迁

刘韬 北京工业大学 应用数理学院 000611班 指导教师：俞宽新

摘要弹 研究了与激光发光粒子的能级系统，包括三能级系统和四能级系统。指出四能级容易实现反

转粒子数，因此效率高。同时研究了与激光发光相关的三种跃迁，即自发辐射、受激辐射、受激吸

收。

关键词 三能级，四能级，自发辐射、受激辐射、受激吸收

一、引言

激光是怎样产生的？在一个原子体系中，总有些原子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐

射产生的光子既可以去刺激高能级的原子使它产生受激辐射，也可能被低能级的原子吸收而造成受

激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。

在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状

态完全相同的光子，这个光子又可以诱发其他光粒子，产生更多状态相同光子。这样，在一个入射

光子的作用下，可以引发大量发光粒子产生受激辐射，并产生大量运动状态相同的光子。这种现象

被称为受激辐射光放大。（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）.由于受激辐射产

生的光子都属于同一个光子态，因此它们是相干的，通常受激辐射与受激吸收两种跃迁是同时存在

的,前者使光子数增加,后者使光子数减少。当一束光通过发光物质后，究竟是光强增大还是减弱，

要看这两种跃迁过程哪个占优势。在正常条件下，即常温条件以及对发光物质无激发的情况下，发

光粒子处于下能级的粒子数密度大于处于上能级的粒子数密度

如果采取诸如用光照，放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处在下能级的发光粒

子激发到上能级上去，便可使上能级的粒子数密度超过下能级的粒子数密度，我们称这种状

态为粒子数反转。 2E1E

产生激光的必要条件是实现粒子数反转，而为了实现粒子数反转就必须要有适合的能级系统的

激活粒子。

二、能级系统

1、三能级系统