功能材料PPT系列：光学材料

光学材料主讲：刘守华课件制作：刘守华光功能材料固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用。包括：晶体对光辐射的反射和吸收晶体在光作用下的发光光在晶体中的传播和作用……等定义根据光与材料的相互作用时产生的不同物理效应可将其分为光介质材料和光功能材料。光介质材料：用以输送光线的材料，以折射、反射和透射方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定的要求传输，也可以吸收或透过一定波长的光线而改变光线的光谱成分。光功能材料：在电、声、热、磁、压力等外场作用下，其光学性质能发生变化或在光的作用下其结构和性能能发生变化的材料。固体的光吸收导带价带能隙（禁带）基础吸收或固有吸收：绝缘体和半导体的能带结构如图所示，价带为满带导带为空带导带和价带之间存在一定宽度的禁带，其中不允许电子占据在固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量太小，不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不被激发，也不会发生对光的吸收。例：离子晶体的禁带宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。碱金属卤化物晶体对透波区域可由~25μm到250nm，相当于0.05~5ev的能量。但当有足够强的辐射(如紫光)照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收，晶体就会失透。这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷有本征的，如间隙原子和空位，也有非本征的，如杂质等。导带价带能隙(禁带）受主能级施主能级这些缺陷的能级定域在价带和导带之间的能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电子，而施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收的物质由于缺陷存在而发生光吸收，因此呈现一定的颜色。无机离子固体的光吸收无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外光区的能量，故对可见光到红外光，能量不足以使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带，晶体不被激发，不发生光的吸收，晶体都是透明的。当紫外光辐照晶体时，就会发生光的吸收，晶体变得不透明。禁带宽度Eg和吸收波长λ的关系为Eg=hν=hc/λh－普朗克常数6.63×10-34J·s，c为光速。如前所述，在晶体中引入杂质离子后，由于杂质缺陷能级位于禁带之中，使能带间的能隙小于Eg，吸收限往往落在可见光区，结果发生固体的杂质光吸收。例：Al2O3晶体中Al3+和O2-离子的基态能级为填满电子的的封闭电子壳层，其能隙为9ev，它不可能吸收可见光，所以是透明的。若0.1%的Cr3+时，晶体呈粉红色，掺入1%的Cr3+时，晶体呈深红色，即红宝石，均可以吸收可见光。晶体呈红色，表示什么意思？吸收红光？还是吸收其他波长的光波？1.发光材料发光：一般用来描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。是一种物体把吸收的能量不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象。发光机理：单分子过程、双分子过程单分子过程发光发光中心受激后，电子从基态G跃迁到高能级A，吸收外界能量；当电子由Ａ回到Ｇ态时对外辐射光子，即发光。若受激发电子不受外界因素影响，只决定于内部电场，则称为自发发光；若受激发电子只有在外界因素影响下才发光，则称为受迫发光(受激发光)。受迫发光特征：发射过程分为两个阶段(如图)。受激电子MG;且M上的电子也不是直接有Ｇ上跃迁而来，而是先由G跃迁到Ａ，再到Ｍ。即：第一阶段：热起伏，即第二阶段：由ＡＧMA12GAM（亚稳态）ＡＧＭ快速无辐射跃迁受激辐射自发辐射自发辐射泵浦跃迁hν≈E2-E1双分子过程发光材料吸收能量发生跃迁，产生电子－空穴对；电子和空穴相遇就可复合并释放能量（光），即为复合发光。复合发光可以在一个发光中心上直接进行，即原位复合，这叫做单分子过程；如果电子在脱离原来的发光中心后，在导带中移动了一定的距离后遇到其他发光中心(空穴）复合发光，呈双分子过程。激发EghEgCV原位复合发光双分子复合发光发光材料的特性一般而言，对发光材料的特性有三个要求：１.发光颜色：可用发射光谱进行表征，对应谱峰的波长就是发光的颜色。一般说来其波长大于吸收光谱的波长。图5.9发光材料的发射光谱和吸收光谱发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度，依照发射峰的半宽度可将发光材料还分为3种类型：宽带材料：半宽度~100nm，如CaWO4；窄带材料：半宽度~50nm，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+；线谱材料：半宽度~0.1nm，如GdVO4)：Eu3+；图5.10发射峰的半宽度半宽度三基色原理单一波长和波谱宽度小于5nm的光称为单色光。含有两种或两种以上波长成分的光称为复合光，复合光使人眼产生混合色。三基色原理自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，这些彩色也可以分解成三基色；三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基色混合得到；混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定；混合色的亮度是三基色亮度之和。另外，任一种颜色都有一个相应的补色。即：它与某一颜色以适当比例混合时，可产生白色。例：红、绿、蓝的补色分别是青、紫、黄。颜色坐标图２.发光效率发光材料的另一重要特性是发光强度，它随激发强度而改变。材料的发光本领通常以发光效率表征，有3种表示方法：量子效率：发射物质辐射的量子数N发光与激发光源输入的量子数N吸收（若是光致发光Ｎ为光子数；如系电子发光Ｎ为电子数，余类推）的比值。B量子=N发光/N吸收能量效率：发光能量与激发源输入能量之间的比值。B量子=E发光/E吸收光度效率：发光的流明数与激发源输入流明数的比值。B量子=光度发光/光度吸收３.发光持续时间依发光持续时间长短，可将发光分为荧光和磷光：荧光(Fluorescence)：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失；磷光(Phosphorescence)：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。物质发光的持续时间的另一种表示法是余辉。余辉：当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到10%时，所经历的时间称余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：极短余辉1μs短余辉1~10μs中短余辉10-2~1ms中余辉1~100ms长余辉0.1~1s极长余辉1s现实中的发光现象夜明珠通常“在黑暗中发光”的材料都是磷光性材料，属于长余辉材料。闪电：正负极电压大到使气体电离，产生导电电路，正负电荷中和，释放能量。地光：磁场异常使大气放电放射性物质流在低空引起大气电离极光：太阳放射出的无数带电微粒进入地球磁场的范围时，受后者的影响，沿地球磁力线高速进入到南北磁极附近的高层大气中，与氧原子、氮分子等质点碰撞，使它们激发，由此产生极光。白炽灯和日光灯白炽灯发光：利用热效应发光。日光灯发光：图绘出了荧光灯的构造示意图。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为254和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的磷光体受到紫外光辐照，就随之发出白光。Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm图5.17日光灯的构造示意图注意：白炽灯为连续光谱，而日光灯则为单色光谱，因此在日光灯下看到物体颜色发生改变，而白炽灯虽然颜色发暗，但颜色却很真实。日光灯壁上的荧光粉为中长余辉材料，所以在电源切断后，仍会发一短时间的光。Laser－“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”首写字母的缩写，意为受激发射光放大。2.激光材料激光的产生：激光器激光器的组成：泵浦源(用以提供能量)激光工作物质(核心构件)光学谐振腔激光工作物质：可以是固体、液体和气体，其中又以固体最为重要，相应的激光器叫固体激光器。激光的产生固体激光工作物质构成基质材料＋激活剂（少量添加剂）基质材料：决定激光器的理化特性可选物质：晶体、玻璃激活剂：决定激光的光谱特性激光产生过程（以红宝石激光器为例）红宝石中Cr3＋的能级属三能级系统在泵浦源（脉冲氙灯）未工作前，处于热平衡态，铬离子的能级分布服从玻尔兹漫分布，几乎全部处于基态E1上(N1N2N3)。泵浦源灯点亮，电子吸收辐射能从E1向E3跃迁。由于选择定则的限制，E3上的电子不稳定，多数经快速无辐射跃迁转移到E2上。E2上的电子寿命较长，只要脉冲氙灯的光能密度足够强，就会出现E2和E1能级上的电子数反转，即N2N1。引入一个v＝(E2-E1)/h的光子，E2上的一个电子就会受其感应而向E1跃迁，同时向外辐射一个与入射光子相同的光子，这就是所谓的受激辐射。这对光子在红宝石中传播会激发出另外两个相同的光子，实现一次光放大。当这些光子向红宝石外传播时，由光学谐振腔的反射作用，只有沿腔轴方向传播的光被反射回来再次通过红宝石，光又一次被放大。如此反复被多次放大最后形成一束极强的相干光(激光)。E3E1E2快速无辐射跃迁受激辐射自发辐射自发辐射泵浦跃迁hν≈E2-E1反射镜闪烁灯红宝石开关激光束红宝石激光器的设计红宝石激光器的主体是一根长数百厘米、直径1-2厘米的红宝石晶体棒，周围环绕着闪烁灯，还可以在两侧也装上灯，使得它从各方向都受到有效的辐照。棒的一个侧端装有1个镜子，使得发出光又返回棒中。另一侧端装有Q阀。实际上是个可旋转的的镜子，既可允许激光束从系统中射出，又可将光束返回棒中，只有当光束强度达到最佳要求时才被发射出来。激光束在棒中往返通过，形成了更多的活化中心，就使初始相干辐射脉冲强度变大。激光的特点：相干性好方向性好光亮度高单色性纯3.红外材料红外辐射材料理论上只要T0K，物体均可对外辐射红外线，故红外线是一种热辐射。但工程上，红外辐射材料仅指能吸收热物体辐射而发射大量红外线的材料。常温远红外线的辐射机理T0K(-273℃)，物体中的电子振动或激发，就会向外放出辐射能。振动随温度的升高而增加，并使许多粒子发生冲撞，冲撞的结果使电子得到能量变成了激发态，向较高的能位跃迁。但电子的这种高能位是不稳定的，随时有回复原位的趋势。电子每往回跳一次就会产生一个量子能，向外辐射出能量。对于具有高红外辐射能力的材料，辐射能以红外线的形式输出。外界材料EAE2E1EC200ATEET1C当，当，Ｅ=E这说明，常温（内能不变）远红外材料从外界吸收能量，而后以红外线形式对外输出能量，保持能量守恒。透红外材料性质要求:对红外线有较高的透过率，一般５０％;透过的短波限要低＊，透过的频带要宽。（红外发射率要尽量低）主要应用:红外光学仪器透镜、棱镜、调制盘、整流罩。＊红外成像技术是把人眼看不到的红外信号转换成可见光信号，实现夜视功能。但若使可见光也能透过，则背景和目标物的光亮度差别不大，使得图像不清楚，甚至无法成像。4.光纤材料什么是光纤？按光学材料的分类，属于光介质？光功能材料？光纤的结构纤：细，可我们看到的光纤都是粗管子？内层材料（芯料）+包层材料（涂层）为保护其不受损坏，最外面再加一层塑料套管。1).光在光纤中传播的基本原理折射定律：由上式得，入射角，折射角。折射角=90°时，这时入射光线全部返回到原来的介质中去，称为光的全反射。sin12sin21nn全反射的条件光纤中，光的传送就是利用光的全反射原理假设光已经发生了全反射，那么也就是说当入射角还小于90°时，折射角已经大于或等于90°；即：这就是我们物理学中提到的：光由光密介质进入光疏介质190,290;sin1sin2sin121sin21nn21nn光在光纤内传播示意图n1n2芯料折射率包层折射率在两相界面上的入射角≥临界角，则入射线和光轴的夹角≤临界角的补角？；光线传播中的损耗折射损耗＝0；所以光纤通讯可以实现长距离，高保真的传输。其他损耗有没有？若：无，为