Люминесценцией называется свечение вещества, возникающее в процессе преобразования поглощенной им энергии - в оптическое излучение. Данное свечение не вызвано непосредственно нагревом вещества.
Механизм явления связан с тем, что под воздействием внутреннего или внешнего источника, в веществе возбуждаются атомы, молекулы или кристаллы, которые затем испускают фотоны.
В зависимости от длительности получаемого таким образом свечения, которое в свою очередь зависит от времени жизни возбужденного состояния, различают быстро затухающую и длительную люминесценцию. Первая называется флуоресценцией, вторая — фосфоресценцией.
Чтобы вещество могло люминесцировать, его спектры должны быть дискретными, то есть энергетические уровни атомов должны быть отделены друг от друга зонами запрещённых энергий. По этой причине металлы в твёрдом и в жидком состоянии, обладающие непрерывным энергетическим спектром, не люминесцируют вовсе.
В металлах энергия возбуждения просто непрерывно переходит в тепло. И только в коротковолновом диапазоне металлы могут испытывать рентгеновскую флуоресценцию, то есть под действием рентгеновского излучения испускать вторичные рентгеновские лучи.
Механизмы возбуждения люминесценции
Существуют различные механизмы возбуждения люминесценции, в соответствии с которыми люминесценция бывает нескольких видов:
- Фотолюминесценция — возбуждается светом видимого и ультрафиолетового диапазона.
-
Хемилюминесценция — возбуждается химической реакцией.
-
Катодолюминесценция — возбуждается катодными лучами (быстрыми электронами).
-
Сонолюминесценция — возбуждается в жидкости ультразвуковой волной.
-
Радиолюминесценция — возбуждается ионизирующим излучением.
-
Триболюминесценция — возбуждается растиранием, раздавливанием или раскалыванием люминофоров (электрическими разрядами между наэлектризованными осколками), причем в данном случае свет разряда возбуждает фотолюминесценцию.
-
Биолюминесценция — свечение живых организмов, достигаемое ими самостоятельно или с помощью других участников симбиоза.
-
Электролюминесценция — возбуждается электрическим током, пропускаемым через люминофор.
-
Кандолюминесценция — калильное свечение.
-
Термолюминесценция — возбуждается нагреванием вещества.
Применение люминесценции в источниках света
Люминесцентными источниками света называют такие, чье свечение основано на явлении люминесценции. Так, все газоразрядные лампы относятся к люминесцентным источникам и к источникам смешанного излучения. В фотолюминесцентных лампах свечение создается люминофором, возбуждаемым излучением электрического разряда.
Белые светодиоды обычно изготавливают на базе синего кристалла InGaN и желтого люминофора. Применяемые большинством изготовителей желтые люминофоры - это модификация иттрий-алюминиевого граната, легированного церием с валентностью три.
Спектр люминесценции данного люминофора имеет характерный максимум длины волны в районе 545 нм. Длинноволновая часть спектра превосходит коротковолновую. Модификация люминофора добавками галлия и гадолиния, позволяет сдвигать максимум спектра в сторону холодной области (галлий) или в сторону теплой области (гадолиний).
Судя по спектру люминофора применяемого в светодиодах Cree, кроме иттрий-алюминиевого граната в состав люминофора белого светодиода добавляют люминофор с максимумом излучения, сдвинутым в красную область.
По сравнению с люминесцентными лампами, применяемый в светодиодах люминофор обладает большим сроком службы, причем старение люминофора определяется главным образом температурой. Люминофор обычно наносят прямо на кристалл светодиода, который сильно разогревается. Прочие факторы влияния на люминофор сказываются на сроке их службы менее выраженно.
Старение люминофора приводит не только к снижению яркости светодиода, но и к изменению оттенка получаемого света. При значительной деградации люминофора становится хорошо заметен синий оттенок свечения. Это связано с изменяющимися свойствами люминофора, и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение светодиодного чипа. С внедрением технологии изолированного слоя люминофора, влияние температуры на скорость его деградации снижается.
Другие применения люминесценции
В фотонике более всего применяются преобразователи и источники света, в основе которых электролюминесценция и фотолюминесценция: светодиоды, лампы, лазеры, люминесцентные покрытия и т. д. - это как раз та область, в которой люминесценция служит очень широко.
Кроме того спектры люминесценции помогают ученым в исследовании состава и структуры веществ. Методы люминесценции дают возможность определить размеры, концентрацию и пространственное распределение наночастиц, а также время жизни возбужденных состояний неравновесных носителей заряда в полупроводниковых структурах.
Продолжение этой темы: Электролюминесцентные излучатели: устройство и принцип действия, виды