Lumineszcencia – mechanizmus és alkalmazás fényforrásokban

A lumineszcencia egy anyag lumineszcenciája, amely az általa elnyelt energiának optikai sugárzássá történő átalakítása során lép fel. Ezt a fényt nem közvetlenül az anyag melegítése okozza.

A jelenség mechanizmusa összefügg azzal, hogy belső vagy külső forrás hatására az anyagban atomok, molekulák vagy kristályok gerjesztődnek, amelyek aztán fotonokat bocsátanak ki.

Az így kapott lumineszcencia időtartamától függően, amely viszont a gerjesztett állapot élettartamától függ, különbséget teszünk gyorsan lecsengő és hosszan tartó lumineszcencia között. Az elsőt fluoreszcenciának, a másodikat foszforeszcenciának nevezik.

Ahhoz, hogy egy anyag világítson, a spektrumának diszkrétnek kell lennie, vagyis az atomok energiaszintjeit tiltott energiasávokkal kell elválasztani egymástól. Emiatt a folytonos energiaspektrummal rendelkező szilárd és folyékony fémek egyáltalán nem lumineszkálnak.

A fémekben a gerjesztési energia egyszerűen folyamatosan hővé alakul.És csak a rövidhullámú tartományban tapasztalhatnak a fémek röntgenfluoreszcenciát, vagyis a röntgensugárzás hatására másodlagos röntgensugarakat bocsátanak ki.

Lumineszcencia gerjesztési mechanizmusok

A lumineszcencia gerjesztésére különböző mechanizmusok léteznek, amelyek szerint a lumineszcencia többféle típusa létezik:

• Fotolumineszcencia – fény gerjeszti a látható és az ultraibolya tartományban.

• Kemilumineszcencia – kémiai reakció által kiváltott.

• Katodolumineszcencia – katódsugarak (gyors elektronok) által gerjesztett.

• A szonolumineszcenciát egy folyadékban ultrahanghullám gerjeszti.

• Radiolumineszcencia – ionizáló sugárzás által gerjesztett.

• A tribulumineszcenciát foszforok dörzsölésével, zúzásával vagy elválasztásával gerjesztik (elektromos kisülések a töltött töredékek között), és ebben az esetben a kisülési fény fotolumineszcenciát gerjeszt.

• A biolumineszcencia az élő szervezetek ragyogása, amelyet önállóan vagy a szimbiózis más résztvevőinek segítségével érnek el.

• Elektrolumineszcencia – fényporon áthaladó elektromos áram gerjesztése.

• A kandolumineszcencia egy világító izzás.

• A termolumineszcenciát egy anyag melegítésével gerjesztik.

A lumineszcencia használata fényforrásokban

Lumineszcens fényforrások azok, amelyek fénye a lumineszcencia jelenségén alapul. Tehát minden gázkisülési lámpa fluoreszkáló és vegyes sugárforrás. A fotolumineszcens lámpákban a fényt egy elektromos kisülés által gerjesztett fénypor hozza létre.

A fehér LED-ek általában kék InGaN kristályon és sárga fényporon alapulnak.A legtöbb gyártó által használt sárga foszfor ittrium-alumínium gránát módosítása három vegyértékű cériummal ötvözve.

Ennek a fénypornak a lumineszcencia spektruma jellemző maximális hullámhossza 545 nm tartományban van. A spektrum hosszúhullámú része uralja a rövidhullámú részt. A foszfor módosítása gallium és gadolínium hozzáadásával lehetővé teszi a spektrum maximumának eltolását a hideg régióba (gallium) vagy a meleg régióba (gadolínium).

A Cree LED-ekben használt foszfor spektrumából ítélve az ittrium-alumínium gránát mellett a fehér LED-fényporhoz egy maximális emissziós foszfort adnak a vörös tartományba.

Összehasonlítva fénycsövekkelA LED-ekben használt fénypor hosszú élettartamú, és a fénypor öregedését elsősorban a hőmérséklet határozza meg. A fényporot általában közvetlenül a LED kristályra viszik fel, ami nagyon felforrósodik. A foszfort befolyásoló egyéb tényezők kevésbé befolyásolják élettartamukat.

A fénypor öregedése nemcsak a LED fényerejének csökkenéséhez vezet, hanem a keletkező fény árnyékának megváltozásához is. A foszfor jelentős romlásával a lumineszcencia kék árnyalata jól láthatóvá válik. Ennek oka a fénypor változó tulajdonságai és az a tény, hogy a spektrum kezdi uralni a LED chip belső emisszióját. Az izolált foszforréteg technológiájának bevezetésével csökken a hőmérséklet hatása a lebomlás sebességére.

A lumineszcencia egyéb alkalmazásai

A fotonika elsősorban elektrolumineszcencián és fotolumineszcencián alapuló konvertereket és fényforrásokat használ: LED-eket, lámpákat, lézereket, lumineszcens bevonatokat stb. — pontosan ez az a terület, ahol a lumineszcenciát igen széles körben használják.

Ezenkívül a lumineszcencia spektrumok segítenek a tudósoknak az anyagok összetételének és szerkezetének tanulmányozásában. A lumineszcencia módszerek lehetővé teszik a nanorészecskék méretének, koncentrációjának és térbeli eloszlásának, valamint a félvezető szerkezetekben a nem egyensúlyi töltéshordozók gerjesztett állapotainak élettartamának meghatározását.

A szál folytatása:Elektrolumineszcens emitterek: készülék és működési elv, típusok