発光 — 光源におけるメカニズムと応用

ルミネッセンスは、物質が吸収したエネルギーを光放射に変換する過程で発生する物質の発光です。この輝きは物質の加熱によって直接引き起こされるものではありません。

この現象のメカニズムは、内部または外部のソースの影響下で、物質内で原子、分子、または結晶が励起され、その後光子を放出するという事実に関連しています。

このようにして得られるルミネッセンスの持続時間、つまり励起状態の寿命に応じて、急速に減衰するルミネッセンスと長時間持続するルミネッセンスが区別されます。 1つ目は蛍光と呼ばれ、2つ目は燐光と呼ばれます。

物質が光るには、そのスペクトルが離散的である必要があります。つまり、原子のエネルギー準位が禁制エネルギー帯によって互いに分離されている必要があります。このため、連続的なエネルギースペクトルを持つ固体および液体金属はまったく発光しません。

金属では、励起エネルギーは単純に継続的に熱に変換されます。また、金属は短波長範囲でのみ X 線蛍光を発します。つまり、X 線の作用により二次 X 線が放出されます。

発光励起機構

発光の励起にはさまざまなメカニズムがあり、それに応じて発光にはいくつかの種類があります。

• フォトルミネッセンス — 可視および紫外範囲の光によって励起されます。

• 化学発光 — 化学反応によって誘発されます。

• カソードルミネッセンス — 陰極線 (高速電子) によって励起されます。

• 音ルミネッセンスは、超音波によって液体中で励起されます。

• 放射発光 — 電離放射線によって励起されます。

• 摩擦ルミネッセンスは、蛍光体をこする、粉砕する、または分離すること（帯電した断片間の放電）によって励起され、この場合、放電光がフォトルミネッセンスを励起します。

• 生物発光は、生物が独自に、または共生の他の参加者の助けを借りて達成する、生物の輝きです。

• エレクトロルミネッセンス — 蛍光体を通過する電流によって励起されます。

• カンドルミネッセンスは明るい輝きです。

• 熱ルミネセンスは物質を加熱することによって励起されます。

光源における発光の使用

発光光源は、その輝きが発光現象に基づいているものです。したがって、すべてのガス放電ランプは蛍光と混合放射線源です。フォトルミネセンス ランプでは、放電の発光によって励起された蛍光体によって輝きが生じます。

白色 LED は通常、青色の InGaN 結晶と黄色の蛍光体をベースとしています。ほとんどのメーカーが使用している黄色蛍光体は、イットリウム アルミニウム ガーネットを 3 価のセリウムと合金化したものです。

この蛍光体の発光スペクトルは、545 nm の領域に特徴的な最大波長を持っています。スペクトルの長波部分が短波部分よりも優勢です。ガリウムとガドリニウムを添加して蛍光体を変更すると、スペクトルの最大値を低温領域 (ガリウム) または高温領域 (ガドリニウム) にシフトすることができます。

Cree LED で使用されている蛍光体のスペクトルから判断すると、イットリウム アルミニウム ガーネットに加えて、最大発光が赤色領域にシフトした蛍光体が白色 LED 蛍光体に追加されています。

比較において 蛍光灯付きLED に使用される蛍光体は耐用年数が長く、蛍光体の劣化は主に温度によって決まります。通常、蛍光体は LED 結晶に直接塗布されるため、非常に高温になります。リンに影響を与える他の要因は、耐用年数にあまり顕著な影響を与えません。

蛍光体の経年劣化は、LED の明るさの低下だけでなく、得られる光の色合いの変化にもつながります。蛍光体が著しく劣化すると、発光の青色の色合いがはっきりと見えるようになります。これは、蛍光体の特性が変化することと、スペクトルが LED チップの内部発光を支配し始めるという事実によるものです。リンの隔離層技術の導入により、その劣化速度に対する温度の影響が減少します。

発光のその他の応用

フォトニクスでは主に、エレクトロルミネッセンスおよびフォトルミネッセンスに基づくコンバーターと光源（LED、ランプ、レーザー、発光コーティングなど）が使用されます。 — これはまさに発光が非常に広く使用されている分野です。

さらに、発光スペクトルは、科学者が物質の組成と構造を研究するのに役立ちます。ルミネッセンス法により、ナノ粒子のサイズ、濃度、空間分布に加え、半導体構造内の非平衡電荷キャリアの励起状態の寿命を測定することが可能になります。

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