发光和光子材料

发光材料通过主晶格中的激活中心将吸收的能量转化为发射光，而光子材料则利用周期性结构来控制光的传播；两者都基于固体中光与物质相互作用的化学原理。

Definition

发光材料是当受到光子、电子或其他能量激发时，通过主晶格中的局部光学中心发光的固体；光子材料是折射率周期性变化控制光传播的固体，包括通过形成光子带隙。

Scope

本主题涵盖旨在发光或引导光的固体：其中激活离子（通常是稀土或过渡金属掺杂剂）在主晶体中发光的荧光粉；控制发射颜色和效率的主体-激活剂化学、能量转移和构型坐标图；以及其周期性介电结构产生光子带隙以塑造光流的光子材料。它将光学中心和结构与照明、显示器和光学元件联系起来。

Core questions

• 主晶格中的激活中心如何产生发光？
• 什么控制着荧光粉发射的颜色和效率？
• 中心之间的能量转移如何影响发光？
• 光子结构如何控制光的传播？

Key concepts

• 主晶格和激活剂
• 稀土和过渡金属中心
• 构型坐标模型
• 能量转移和猝灭
• 光子带隙
• 光限制和引导

Key theories

主激活剂发光

荧光粉中的发光来自嵌入主晶格中的激活离子的光学跃迁；主晶格和局部配位决定了能级，构型坐标模型解释了吸收、发射和热猝灭。

光子带隙

介电材料的周期性排列可以阻止光在某些频率范围内的传播，从而产生类似于电子带隙的光子带隙，并允许光被限制、引导和操纵。

Mechanisms

激活离子吸收能量并被提升到激发态，然后从激发态辐射弛豫，发射一个光子，其能量由中心及其环境决定；竞争性的非辐射弛豫和向猝灭位点的能量转移会降低效率，而在光子晶体中，周期性结构引起的干涉会阻止某些光学模式。

Clinical relevance

发光和光子材料使白光和显示技术成为可能：荧光粉将发光二极管和荧光灯的发射光转换为可用颜色，闪烁体和X射线荧光粉用于成像，光子结构在光纤、激光器和集成光子器件中引导和过滤光。

History

荧光粉的化学在20世纪为荧光照明和阴极射线显示器而发展，稀土激活剂在Blasse和Grabmaier等人的著作中得到了编纂。光子带隙的概念由Yablonovitch和John于1987年独立提出，开启了光子晶体设计以控制光，补充了现代光学技术中的发光化学。

Key figures

• George Blasse
• Eli Yablonovitch
• Sajeev John

Seminal works

• blasse1994
• joannopoulos2008

Frequently asked questions

为什么白光LED需要荧光粉？

发光二极管通常发射窄带颜色，通常是蓝色。荧光粉涂层吸收部分光并以更长的波长重新发射，因此透射光和转换光的组合混合后呈现白色。

什么是光子带隙？

它是指在波长尺度上折射率周期性变化的材料中无法传播的光频率范围。该范围内的光被反射或限制而不是透射，就像禁带阻止半导体中的电子一样。