光功能材料ppt課件.ppt

光功能材料,1,固體的光性質(zhì)，從本質(zhì)上講，就是固體和電磁波的相互作用，這涉及晶體對(duì)光輻射的反射和吸收，晶體在光作用下的發(fā)光，光在晶體中的傳播和作用以及光電作用、光磁作用等。基于這些性質(zhì)，可以開(kāi)發(fā)出光學(xué)晶體材料、光電材料、發(fā)光材料、激光材料以及各種光功能轉(zhuǎn)化材料等。,2,導(dǎo)帶,能隙（禁帶）價(jià)帶,固體光吸收的本質(zhì)我們先討論純凈物質(zhì)對(duì)光的吸收。,基礎(chǔ)吸收或固有吸收固體中電子的能帶結(jié)構(gòu)，絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖所示，其中價(jià)帶相當(dāng)于陰離子的價(jià)電子層，完全被電子填滿。導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在一定寬度的能隙（禁帶），在能隙中不能存在電子的能級(jí)。這樣，在固體受到光輻射時(shí)，如果輻射光子的能量不足以使電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，那么晶體就不會(huì)激發(fā)，也不會(huì)發(fā)生對(duì)光的吸收。,3,例如，離子晶體的能隙寬度一般為幾個(gè)電子伏，相當(dāng)于紫外光的能量。因此，純凈的理想離子晶體對(duì)可見(jiàn)光以至紅外區(qū)的光輻射，都不會(huì)發(fā)生光吸收，都是透明的。堿金屬鹵化物晶體對(duì)電磁波透明的波長(zhǎng)可以由25m到250nm，相當(dāng)于0.055ev的能量。當(dāng)有足夠強(qiáng)的輻射（如紫光）照射離子晶體時(shí)，價(jià)帶中的電子就有可能被激發(fā)跨過(guò)能隙，進(jìn)入導(dǎo)帶，這樣就發(fā)生了光吸收。這種與電子由價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷相關(guān)的光吸收，稱作基礎(chǔ)吸收或固有吸收。例如，CaF2的基礎(chǔ)吸收帶在200nm(約6ev)附近，NaCl的基礎(chǔ)吸收約為8ev，Al2O3的基礎(chǔ)吸收約在9ev,4,導(dǎo)帶激子能級(jí)能隙(禁帶）價(jià)帶,除了基礎(chǔ)吸收以外，還有一類吸收，其能量低于能隙寬度，它對(duì)應(yīng)于電子由價(jià)帶向稍低于導(dǎo)帶底處的能級(jí)的躍遷有關(guān)。這些能級(jí)可以看作是一些電子-空穴（或叫做激子，excition）的激發(fā)能級(jí)（圖2）。處于這種能級(jí)上的電子，不同于被激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子，不顯示光導(dǎo)電現(xiàn)象，它們和價(jià)帶中的空穴偶合成電子-空穴對(duì)，作為整體在晶體中存在著或運(yùn)動(dòng)著，可以在晶體中運(yùn)動(dòng)一段距離（1m）后再?gòu)?fù)合湮滅。,激子吸收,5,一、激光材料,6,世界上第一臺(tái)激光器的誕生，使激光技術(shù)成為一門新興科學(xué)發(fā)展起來(lái)，在光學(xué)發(fā)展史上翻開(kāi)了嶄新的一頁(yè)。激光的出現(xiàn)又極大的促進(jìn)了光學(xué)材料的發(fā)展。到目前為止，就各種激光器而言，已經(jīng)產(chǎn)生了數(shù)百種新型激光工作物質(zhì)如各種激活晶體和玻璃,半導(dǎo)體、有機(jī)液體及氣體等。激光材料包括激光工質(zhì)材料、激光調(diào)Q材料、激光調(diào)頻材料和偏轉(zhuǎn)材料。,7,一、激光的基本原理,1、光的吸收和發(fā)射,輻射與物質(zhì)的相互作用主要包括受激吸收、自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射。,1）受激吸收：當(dāng)處于低能級(jí)E1的原子吸收入射光子，然后躍遷到高能級(jí)E2上。這種過(guò)程稱為受激吸收。2）自發(fā)發(fā)射：躍遷到能級(jí)E2的原子不穩(wěn)定，它會(huì)自發(fā)地通過(guò)輻射一個(gè)能量的光子返回到E1能級(jí)上。3）受激發(fā)射：處于高能級(jí)的原子不僅可以自發(fā)發(fā)射，而且可以在入射頻率21的光子感應(yīng)下受激發(fā)射，躍遷到E1能級(jí)上。這種過(guò)程稱為受激發(fā)射。,2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：要想使受激輻射占優(yōu)勢(shì)，就必須使N2大于N1。如果借助于外界的激勵(lì)，破壞粒子的熱平衡分布，就有可能使高能級(jí)E2的粒子數(shù)N2大于低能級(jí)E1的粒子數(shù)N1，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。,8,二、激光的產(chǎn)生,1、激光器的構(gòu)成激光器通常由工作物質(zhì)、激勵(lì)源和諧振腔三部分組成的。1）工作物質(zhì)：是激光器中借以發(fā)射激光的物質(zhì)，它是激光器的核心。如含Cr3+的紅寶石。2）激勵(lì)源：為了將工作物質(zhì)中處于基態(tài)的粒子激發(fā)到激發(fā)態(tài)能級(jí)，以獲得粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)，就需要激勵(lì)源供給能量。3）諧振腔：激光器兩端各有一反射鏡，構(gòu)成一諧振腔。,9,2、激光工作物質(zhì),1、激光激勵(lì)裝置,3、激光放大諧振腔,如紅寶石激光激勵(lì)裝置為脈沖氙燈,產(chǎn)生激光的材料如紅寶石、釔鋁石榴石等晶體,放大激光裝置，一面鏡子全反射相應(yīng)波長(zhǎng)的激光，另一面鏡子部分透過(guò)激光。,激光發(fā)生裝置原理圖,10,2、激光的產(chǎn)生,當(dāng)激光工作物質(zhì)的粒子吸收了外來(lái)能量后，就要從基態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)，很快無(wú)輻射躍遷達(dá)到一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。粒子在亞穩(wěn)態(tài)的壽命較長(zhǎng),所以粒子數(shù)目不斷積累增加,這就是泵浦過(guò)程。當(dāng)亞穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)目大于基態(tài)粒子數(shù)，即實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，粒子就要跌落到基態(tài)并放出同一性質(zhì)的光子，光子又激發(fā)其他粒子也跌落到基態(tài)，釋放出新的光子，這樣便起到了放大作用。如果光的放大在一個(gè)光諧振腔里反復(fù)作用，便構(gòu)成光振蕩，并發(fā)出強(qiáng)大的激光。,11,激光的特點(diǎn)：,1）相干性好。所有發(fā)射的光具有相同的相位。2）單色性純。因?yàn)楣鈱W(xué)共振腔被調(diào)諧到某一特定頻率后，其他頻率的光受到了相消干涉。3）方向性好。光腔中不調(diào)制的偏離軸向的輻射經(jīng)過(guò)幾次發(fā)射后被逸散掉。4）亮度高。激光脈沖有巨大的亮度，激光焦點(diǎn)處的輻射亮度比普通光高108-1010倍。,12,三、激光材料,對(duì)激光工作物質(zhì)的要求是，它有一對(duì)有利于產(chǎn)生激光的能級(jí)，其中的上能級(jí)有足夠長(zhǎng)的壽命，即粒子被激發(fā)到該能級(jí)后能在其中滯留較長(zhǎng)的時(shí)間。因而能在該能級(jí)上積累比較多的粒子，與下能級(jí)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。同時(shí)還要求這一對(duì)能級(jí)間有一定強(qiáng)度的躍遷，以產(chǎn)生激光。工質(zhì)材料的質(zhì)量?jī)?yōu)劣將直接影響激光器件的性能。,13,1、激光材料的特征值1）材料的吸收光譜吸收光譜是指物質(zhì)在光頻范圍里的吸收系數(shù)按光頻率分布的總體。材料的吸收光譜直接表征發(fā)光中心與材料的組成、結(jié)構(gòu)的關(guān)系，以及環(huán)境對(duì)它的影響。2）材料的熒光光譜發(fā)光物質(zhì)發(fā)射光子的能量按頻率分布的總體稱為該物質(zhì)的熒光光譜，也稱發(fā)射光譜。3）材料的激發(fā)光譜激發(fā)光譜是指使物質(zhì)產(chǎn)生發(fā)光時(shí)激勵(lì)光按頻率分布的總體。通過(guò)激發(fā)光譜的測(cè)定可以確定有效吸收帶的位置，即吸收光譜中哪些吸收帶對(duì)產(chǎn)生某個(gè)熒光光譜帶是有貢獻(xiàn)的。,14,4）熒光量子效率也可表示為熒光轉(zhuǎn)換效率，是表征輻射系統(tǒng)功效大小的物理量，也是激光器的重要參數(shù)。熒光量子效率0定義為發(fā)射熒光的光子數(shù)n2與被激活物質(zhì)從激勵(lì)源吸收的光子數(shù)n1之比。0=n2/n1熒光轉(zhuǎn)換效率取決于工作物質(zhì)特性、粒子數(shù)躍遷方式及無(wú)輻射躍遷幾率和輻射躍遷幾率等因數(shù)。常見(jiàn)的三種固體工作物質(zhì)的量子效率分別為：紅寶石為0.7，釹玻璃為0.4，YAG:Nd3+約為1。,I,；,15,16,7)激光輸出效率以輸入激光器的能量Ein作為橫坐標(biāo)，以激光器輸出的能量Eout為縱坐標(biāo)，作出激光器的輸出特性曲線。激光器的效率通常有兩種定義，一種叫總體效率t，又稱絕對(duì)效率，是指輸出能量與輸入能量之比：另一種叫斜率效率s，是指當(dāng)輸入功率超過(guò)閾值很高時(shí)，激光器的輸出特性曲線接近直線的直線斜率，它反映了輸出功率隨輸入功率的增長(zhǎng)速率。8）諧振腔的Q值是指諧振腔的品質(zhì)因數(shù)。,17,2、激光材料的種類,1.固體激光工作物質(zhì)主要用于固體激光器中，它應(yīng)該具備的基本條件是：材料應(yīng)具有合適的光譜特性；激發(fā)態(tài)吸收??；應(yīng)具有良好的光學(xué)均勻性和穩(wěn)定性；應(yīng)具有良好的物化性能。主要由激活離子和基質(zhì)兩部分組成?，F(xiàn)有的激活離子主要有四類：,18,（1）過(guò)渡金屬離子：它們的3d電子無(wú)外層電子屏蔽，在晶體中受到周圍晶體場(chǎng)的直接作用。因此，在不同晶體中，其光譜特性有很大的不同。這類離子包括Ti3+V2+Cr3+Co2+Ni2+和Cu2+。（2）三價(jià)稀土離子：它們的4f電子受5s和5p電子的屏蔽，受周圍晶體場(chǎng)影響較弱。為了提高效率，須提高摻雜濃度或采用敏化技術(shù)。這類離子最常見(jiàn)的為Nd3+，還有Pr3+、Sm3+、Eu3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+和Yb3+,19,（3）二價(jià)稀土離子：它們的4f電子比三價(jià)稀土離子多一個(gè)，使5d態(tài)能量降低，4f-5d躍遷的吸收帶處于可見(jiàn)光區(qū)，有利于泵浦光的吸收。但這類離子不穩(wěn)定。（4）錒系離子：U3+離子已能激活基質(zhì)而產(chǎn)生激光，但其大多數(shù)是放射性元素，實(shí)用比較困難。固體激光材料的基質(zhì)包括晶體基質(zhì)和非晶體（玻璃）基質(zhì)兩類。（1）晶體基質(zhì)晶體基質(zhì)可分為摻雜型、自激活型和色心型三種。摻雜型晶體基質(zhì)是把激活離子摻雜到此基質(zhì)中。自激活型是把激活離子成為晶體基質(zhì)的一部分。色心晶體是由束縛在基質(zhì)格點(diǎn)缺位周圍的電子或其他與晶格相互作用形成發(fā)光中心。,20,摻雜型晶體基質(zhì)：按化學(xué)組成有三類：一類是氧化物：如第類元素的氧化物，有紅寶石-Al2O3（Cr3+），摻釹釔鋁石榴石（YAG）-Y5Al5O12（Cr3+、Nd3+）等。屬于稀土元素的氧化物有摻釹的鑭氧化物-La2O3（Nd3+），摻釹的釓氧化物-Gd2O3（Nd3+），摻鈥、銩的鉺氧化物-Er2O3（Ho3+、Tm3+）、摻釹、鉺的釔氧化物-Y2O3（Nd3+、Eu3+）等。屬于以第族元素的氧化物作為基質(zhì)的材料有釩酸鹽基質(zhì)是Ca2VO4、YVO4、GdVO4、LaVO4、ThLn（VO4）3，摻入的雜質(zhì)有Nd、Eu、Tb、Dy、Er等。摻雜鈮酸鈣-Ca（NbO3）2（Nd3+、Pr3+、Er3+、Ho3+、Tm3+）和摻雜鈮酸鋰。,21,屬于以第族元素的氧化物為基質(zhì)的材料有鎢酸鹽和鉬酸鹽等。如CaWO4、SrWO4和Na0.5Gd0.5WO4,它們分別可摻Nd3+、Pr3+、Tm3+、Er3+、Ho3+、Dy3+等。,二類是非氧化物。主要指一些金屬氟化物（LaF3、HoF3、CaF2、SrF2、MgF2、BaF2）作為基質(zhì)，另加有激活元素的材料。激活元素有U3+，稀土元素Tm3+、Sm3+、Dy3+和某些其他元素Nd3+、Ni2+、Co2+等。,22,三類是其他晶體。這類材料包括氟氧或硫氧陰離子的化合物Ca5（PO4）3F：Nd3+、Ho3+、La2O2S：Nd3+氯化物（LaCl3：Pr3+）和溴化物（PrBr3：Pr3+）晶體。自激活晶體基質(zhì)：如NdxLa1-xP5O15、LiNdxLa1-xP4O12、KNdxGa1-xP4O12、NdxLa1-xNa5（WO4）4、NdxLa1-xP3O9。色心晶體基質(zhì)：主要由堿金屬鹵化物的離子缺位捕獲電子，形成色心。如：LiF、KF、NaCl、KCl：Na、KCl：Li。,23,（2）非晶體基質(zhì)主要是玻璃，因其容易制成光學(xué)質(zhì)量高的大型元件，能夠均勻地?fù)饺敫邼舛鹊募せ铍x子，獲得高的激光效率等，激光玻璃已成為大能量、高功率固體激光器最重要的工作物質(zhì)。在玻璃基質(zhì)中，激活離子除三價(jià)釹外幾乎所有的稀土離子都先后實(shí)現(xiàn)了激光振蕩，其中摻釹的激光玻璃性能最好。摻釹激光基質(zhì)玻璃有硅酸鹽玻璃、硼酸鹽玻璃、氟化物玻璃、氟磷玻璃等多種。,24,以下是幾種國(guó)產(chǎn)激光釹玻璃：,Na2O-K2O-BaO-B2O3-SiO2,Na2O-K2O-CaO-SiO2,Na2O-K2O-BaO-Al2O3-ZnO-SiO2,Li2O-CaO-SiO2,BaO-SrO-Al2O3-P2O5,固體激光材料的主要缺點(diǎn)是器件不能做得太大，連續(xù)工作有一定的困難。,25,Al2O3紅寶石激光材料,紅寶石激光器能級(jí)圖,紅寶石激光材料是Al2O3單晶體摻雜0.05%Cr3+構(gòu)成，是三能級(jí)激光器，產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為0.69m。主要用于精密測(cè)距、激光雷達(dá)以及打孔、焊接等工業(yè)加工流域。,26,晶體結(jié)構(gòu)六方a=4.758，c=12.992,單晶純度99.99%,介電常數(shù)9.4（A軸）；11.58（C軸）正切損耗2x10-5（A軸）5x10-5（C軸）,熔點(diǎn)2040oC,密度3.98g/cm3,Al2O3藍(lán)寶石單晶材料，Sapphire藍(lán)寶石是Al2O3單晶體摻雜Ti4+構(gòu)成，有著很好的熱特性，極好的電氣特性和介電特性，并且防化學(xué)腐蝕，它耐高溫，導(dǎo)熱好，硬度高，透紅外，化學(xué)穩(wěn)定性好。廣泛用于耐高溫紅外窗口材料和III-V族氮化物及多種外延薄膜基片材料，用于藍(lán)、紫、白光發(fā)光二極管（LED）和藍(lán)光激光器（LD）。,27,摻釹釔鋁石榴石激光器能級(jí)圖,摻釹釔鋁石榴石(Nd:Y3Al5O12)晶體材料Nd:YAG是當(dāng)前最重要、應(yīng)用最廣泛的固態(tài)激光器工作物質(zhì)，可以用于二極管泵浦全固態(tài)微小型激光器中,得到高質(zhì)量的紅、綠、藍(lán)色連續(xù)激光輸出，大量用于軍事、科研、醫(yī)療及工業(yè)激光器中，如各種規(guī)格的測(cè)距儀，光電對(duì)抗設(shè)備系統(tǒng)，高性能激光儀器，激光治療儀、美容儀，激光打標(biāo)機(jī)、打孔機(jī)等激光加工機(jī)械中。摻釹釔鋁石榴石激光器是四能級(jí)的激光器。,28,摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）晶體,摻釹釩酸釔（Nd:YVO4）晶體,摻釹釩酸釔（Nd:YVO4）晶體摻釹的YVO4晶體（Nd:YVO4，摻雜濃度0.2-3at%）在激光波長(zhǎng)有大的受激輻射截面，高的吸收系數(shù)和寬的吸收帶寬，并具有優(yōu)良的機(jī)械、物理、光學(xué)性能，特別適于制作微小型固體激光器，可做成全固態(tài)微小型綠色、紅色及藍(lán)色激光器，已在國(guó)內(nèi)外軍事、信息產(chǎn)業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。,29,2、氣體激光工作物質(zhì),有原子、離子和分子氣體三大類，品種很多，包括各種惰性氣體原子、金屬蒸氣、各種雙原子和多原子氣體、氣體離子等，如氦氖、氬離子、氪離子、CO2、CO、N2、O2、氰化物氣體等。優(yōu)點(diǎn)是：品種多、用途廣泛、單色性和相干性比較好，能長(zhǎng)時(shí)間較穩(wěn)定地工作，大都能連續(xù)工作。主要缺點(diǎn)是同樣的輸出功率，氣體激光器的體積比固體激光器的大得多。,30,3.液體激光工作物質(zhì)可分為三類：含有稀土元素的二元酮有機(jī)溶液；有機(jī)染料溶液；稀土元素的無(wú)機(jī)化合物溶液。其中有機(jī)染料溶液作為激活介質(zhì)的激光器效率最高.常用的有機(jī)染料有若丹明、熒光素、花青類、香豆素等。,4.半導(dǎo)體激光工作物質(zhì)半導(dǎo)體激光器的作用原理是基于電子和空穴的輻射復(fù)合現(xiàn)象。有幾十種，如GaAs、GaP、InP、CdS、GaSb、PbTe以及異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體材料GaAs-GaxAl1-xAs、GaAs-GaAsxP1-x等。,31,32,玻璃激光器材料,玻璃基質(zhì)激光器的激光波長(zhǎng)為1.06m，屬于紅外光，適合于脈沖式工作，而晶體基質(zhì)激光器適于連續(xù)波和高能量激光器。,33,半導(dǎo)體激光器材料,砷化鎵磷化銦砷化銦銻化銦硒化鉛碲化鉛磷砷鎵砷銦鎵磷砷銦銻化鎵碲錫鉛,半導(dǎo)體激光器的特點(diǎn)是體積小、效率高、運(yùn)行簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜，室溫產(chǎn)生激光波長(zhǎng)為0.70.9m，最高可達(dá)30m。缺點(diǎn)是單色性差。,34,四、激光工質(zhì)材料的發(fā)展方向1、發(fā)展高功率大尺寸激光工質(zhì)材料，用于激光核聚變和激光加工裝置；2、提高摻雜濃度和激光功率，用于激光二極管泵浦的小型激光器；3、開(kāi)拓新波段的固體激光材料，使激光輸出波長(zhǎng)覆蓋近紫外、可見(jiàn)和近紅外波段（0.33um）；4、拓寬新的固體可調(diào)諧激光材料；5、采用敏化技術(shù)。,35,二、紅外技術(shù)用光學(xué)材料（紅外材料）,36,一.紅外輻射材料相關(guān)概念,一、發(fā)射率二、影響材料發(fā)射率的因素三、紅外輻射材料的種類四、紅外輻射材料的應(yīng)用,37,一、發(fā)射率,紅外輻射材料的輻射特性決定于材料的溫度和發(fā)射率。發(fā)射率是紅外輻射材料的重要特征值，它是相對(duì)于熱平衡輻射體的概念。熱平衡輻射體是當(dāng)一個(gè)物體向周圍發(fā)射輻射時(shí)，同時(shí)也吸收周圍物體所發(fā)射的輻射能量，當(dāng)物體與外界進(jìn)行能量交換慢到使物體在任何短時(shí)間內(nèi)仍保持確定溫度時(shí)，該過(guò)程可以看作是平衡。,38,發(fā)射率和光譜發(fā)射率（）,把實(shí)際物體發(fā)射的輻射出射度和同一溫度下黑體發(fā)射的輻射出射度之比定義為發(fā)射率，也稱全發(fā)射率。把各個(gè)波長(zhǎng)的輻射出射度與同溫度、同波長(zhǎng)下黑體的輻射出射度之比定義為光譜發(fā)射率（），也稱為單色發(fā)射率。,39,發(fā)射率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)的物體稱為灰體；隨波長(zhǎng)變化而改變發(fā)射率的物體稱為選擇性輻射體。,40,法向發(fā)射率n,垂直于輻射表面的發(fā)射率，稱為法向發(fā)射率n各種金屬化合物（常溫至800）的發(fā)射率值,41,二、影響材料發(fā)射率的因素,影響材料反射、透射和輻射性能的有關(guān)因素必然會(huì)在其發(fā)射率的變化規(guī)律中反映出來(lái)。材料發(fā)出輻射是因其組成原子、分子或離子體系在不同能量狀態(tài)間躍遷產(chǎn)生的。一般說(shuō)，這種發(fā)出的輻射，在短波段主要與其電子的躍遷有關(guān)，在長(zhǎng)波段則與其晶格振動(dòng)特性有關(guān)。因而，組成材料的元素、化學(xué)鍵形式、晶體結(jié)構(gòu)以及存在缺陷等因素都將對(duì)材料的發(fā)射率發(fā)生影響。,42,影響發(fā)射率的因素,1材料本身結(jié)構(gòu)2輻射波長(zhǎng)3原材料預(yù)處理工藝4溫度5.表面狀態(tài)6材料的體因素7工作時(shí)間,43,1材料本身結(jié)構(gòu),一般地，金屬導(dǎo)電體的值較小，電介質(zhì)材料的值較高。存在這種差異的原因與構(gòu)成金屬和電介質(zhì)材料的帶電粒子及其運(yùn)動(dòng)特性直接有關(guān)。帶電粒子的特性不同，材料的電性和發(fā)射紅外輻射的性能就不一樣，而這往往與材料的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。氧化鋁、氧化硅等電介質(zhì)材料屬于離子型晶體碳化硅、硼化鋯、氮化鋯等材料屬于共價(jià)晶體鋁等金屬晶體的結(jié)構(gòu)是正離子晶格由自由電子把它們約束在一起。,44,2輻射波長(zhǎng),多數(shù)紅外輻射材料，其發(fā)射紅外線的性能，在短波主要與電子在價(jià)帶至導(dǎo)帶間的躍遷有關(guān)；在長(zhǎng)波段主要與晶格振動(dòng)有關(guān)。晶格振動(dòng)頻率取決于晶體結(jié)構(gòu)、組成晶體的元素的原子量及化學(xué)鍵特性。,45,3原材料預(yù)處理工藝,同一種原材料因預(yù)處理工藝條件不同而有不同的發(fā)射率值。經(jīng)700空氣氣氛處理與經(jīng)1400煤氣氣氛處理的氧化鈦的常溫發(fā)射率分別為0.81和0.86,4溫度,電介質(zhì)材料的發(fā)射率較金屬大得多，有些隨溫度升高而降低，有些隨溫度的升高而有復(fù)雜的變化。,46,5.表面狀態(tài),一般說(shuō)來(lái)，材料表面愈粗糙，其發(fā)射率值愈大（暖氣片表面不光滑）紅外線在金屬表上的反射性能與紅外線波長(zhǎng)對(duì)表面不平整度的相對(duì)大小有關(guān)，與金屬表面上的化學(xué)特征(如油脂玷污、附有金屬氧化膜等)和物理特征(如氣體吸附、晶格缺陷及機(jī)械加工引起的表面結(jié)構(gòu)改變等)有關(guān)。,47,6材料的體因素,材料的體因素包括材料的厚度、填料的粒徑和含量等等。對(duì)某些材料，如紅外線透明材料或半透明的材料，其發(fā)射率值還與其體因素有關(guān)。原因是紅外線能量在傳播過(guò)程中材料的吸收所致。隨著玻璃厚度的增加，發(fā)射率增大。,48,7工作時(shí)間,在工作條件下，由于與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生相互作用或其它物理化學(xué)變化，從而引起成分及結(jié)構(gòu)的變化，將使材料的發(fā)射率改變。,一種高溫搪瓷的發(fā)射率,49,常用的發(fā)射率較高的紅外輻射材料有碳、石墨、氧化物、碳化物、氮化物以及硅化物等。紅外輻射搪瓷、紅外輻射陶瓷以及紅外輻射涂料等是一般紅外輻射材料通常使用形式。紅外輻射涂料通常涂敷在熱物體表面構(gòu)成紅外輻射體。紅外輻射涂料中一般都選用在工作溫度范圍內(nèi)發(fā)射率高的材料。紅外輻射涂料由輻射材料的粉末與粘接劑（無(wú)機(jī)）等按適當(dāng)比例混合配制而成。,50,部分紅外輻射涂料的性能及規(guī)格,51,四、紅外輻射材料的應(yīng)用,1用于熱能利用方面(1)紅外加熱。(2)作為耐火材料。2用于航天領(lǐng)域3用于軍事目的(1)防紅外偽裝涂層(2)紅外誘餌器。,52,（1）紅外加熱與干燥,利用熱輻射體(如紅外加熱器)所發(fā)射出來(lái)的紅外線，照射到物體上并被吸收后轉(zhuǎn)換成熱(或同時(shí)伴隨其他非熱效應(yīng))，從而達(dá)到加熱、干燥的目的。如在機(jī)械和金屬領(lǐng)域用于機(jī)械設(shè)備的金屬部件、車架、船舶的噴漆烘干，鑄型的干燥等；在化工領(lǐng)域用于熱塑性樹(shù)脂的干燥、紙漿和藥品的干燥、玻璃和陶瓷的預(yù)熱和燒結(jié)等；在醫(yī)療領(lǐng)域用于促進(jìn)血液循環(huán)和汗腺的分泌、外傷的治療等；在食品工業(yè)領(lǐng)域用干冷凍谷類捆包前的脫水、冷凍食品的解凍、稻谷水果的烘干等等。,熱能利用,53,（2）耐火材料,高發(fā)射率紅外輻射涂層屬于不定形耐火材料中的一種，一般被涂于加熱爐的爐襯耐火磚或耐火纖維氈表面，也可涂于測(cè)溫套管、燒嘴磚等表面，將十分有利于熱能的利用。,54,2用于航天領(lǐng)域,航天器用紅外輻射涂層是一種高溫高發(fā)射率涂層、涂在航天器蒙皮表面上，作為輻射防熱結(jié)構(gòu)。,55,3.軍事目標(biāo)：防紅外偽裝涂層,紅外偽裝的最基本原理是降低和消除目標(biāo)和背景的輻射差別，以降低目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)和識(shí)別的可能性。近紅外偽裝涂層要求目標(biāo)與背景的光譜反射率盡可能接近；中、遠(yuǎn)紅外偽裝涂層則一般采用低發(fā)射率涂層材料，以彌補(bǔ)二者的溫度差異。據(jù)稱美國(guó)隱形戰(zhàn)斗機(jī)F-19的機(jī)身表面就涂有減少雷達(dá)波及紅外線的偽裝涂層。,56,紅外誘餌器,紅外誘餌器作為對(duì)付紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的一種對(duì)抗手段，正受到重視。若采用固體熱紅外假目標(biāo)(誘餌)，在表面涂上高發(fā)射率涂層，則能提高誘餌的紅外輻射強(qiáng)度，從而提高假目標(biāo)的有效性。選擇不同輻射頻率的材料作成的紅外誘餌器可以模擬各種武器裝備的紅外輻射特征，更好地發(fā)揮紅外誘餌假目標(biāo)的作用。,57,二.透紅外材料,透紅外材料指的是對(duì)紅外線透過(guò)率高的材料。一、透紅外材料的特征值二、透紅外材料的種類,58,一、透紅外材料的特征值,1透過(guò)率一般透過(guò)率要求在50以上，同時(shí)要求透過(guò)率的頻率范圍要寬。透紅外材料的透射短波限，對(duì)于純晶體，決定于其電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的吸收，即其禁帶寬度。透射長(zhǎng)波限決定于其聲子吸收，和其晶格結(jié)構(gòu)及平均原子量有關(guān)。2折射率和色散對(duì)用于窗口和整流罩的材料要求折射率低，以減少反射損失。對(duì)于透鏡、棱鏡、紅外光學(xué)系統(tǒng)要求盡量寬的折射率。3發(fā)射率要求盡量低，以免增加紅外系統(tǒng)的目標(biāo)待征，特別是軍用系統(tǒng)易曝露。,59,二、透紅外材料的種類,早期使用的是天然晶體如巖鹽、水晶等。后來(lái)隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，要求有更高質(zhì)量的透紅外材料，目前已有單晶、多晶、玻璃、陶瓷、塑料、金剛石和類金剛石等許多品種。1透紅外晶體材料2玻璃材料3熱壓多晶材料4紅外透明陶瓷5透紅外塑料6金剛石和類金剛石膜,60,1透紅外晶體材料,透紅外晶體材料包括離子晶體和半導(dǎo)體晶體兩種。離子晶體主要包括堿鹵化合物晶體，堿土-鹵族化合物晶體，某些氧化物晶體和無(wú)機(jī)鹽晶體。半導(dǎo)體晶體主要包括IV族單元素晶體，IIIV族化合物和IIVI族化合物晶體等。堿鹵化合物晶體有LiF、NaF、NaCl、KCl、KBr、KI、RbCl、RbBr、RbI、CsBr、CsI等。一般說(shuō)來(lái)，這類材料的熔點(diǎn)不高、比較容易培養(yǎng)成大單晶，其退火工藝也不十分復(fù)雜，同時(shí)也較容易實(shí)現(xiàn)光學(xué)均勻性。,61,某些堿鹵化合物晶體的主要物理、化學(xué)性質(zhì),62,金屬鉈和鹵族元素化合物的單晶，例如TlBr、TlCl以及混合晶體KRS5(TlBr-TlI)與KRS6(TlBr-TlCl)等也是一類常用的透紅外材料。它們具有相當(dāng)寬的透射波段，同時(shí)僅微溶于水。,63,幾種金屬鉈的鹵化物晶體的物理及化學(xué)性質(zhì),64,堿土-鹵族化合物晶體主要包括CaF2、BaF2、SrF2、MgF2。這類材料的近紅外透過(guò)率一般都較高。折射率較低，反射損失小，不需鍍抗反射膜。和堿鹵化合物品體相比，硬度要高得多，機(jī)械強(qiáng)度也好得多，幾乎不溶于水(如MgF2)或微溶于水。,65,某些堿土-鹵族化合物晶體的主要物力和化學(xué)性質(zhì),66,氧化物晶體是火箭、導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、宇宙飛行器以及通訊、遙測(cè)等用的紅外裝置中廣泛使用的一類晶體。,67,幾種常用氧化物晶體的主要物理與化學(xué)性質(zhì),68,用作透紅外光學(xué)材料的半導(dǎo)體晶體主要有Ce、Si、CdTe、CaAs等，這類材料在紅外波段大多具有較大的折射率，一般需用涂膜來(lái)減少反射損失。,69,可用作透紅外光學(xué)材料的幾種半導(dǎo)體的主要性質(zhì),70,2玻璃材料,透紅外光學(xué)玻璃具有光學(xué)均勻性好、易加工、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，是一種最常用的透紅外材料，這類材料及其基本組成，可分為氧化物玻璃和非氧化物玻璃兩種。普通的氧化物玻璃包括鋁酸鹽玻璃、銻酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃、亞碲酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃和鍺酸鹽玻璃等等。氧化物玻璃的透射波段在36m，不能透過(guò)波長(zhǎng)更長(zhǎng)的紅外輻射。,71,幾種紅外氧化玻璃的主要特性,72,非氧化物玻璃,由于元素氧的化學(xué)鍵能引起強(qiáng)烈的吸收，通常氧化物玻璃不能透過(guò)長(zhǎng)于7m的紅外輻射。為了擴(kuò)充玻璃的紅外透過(guò)波段，用VI族中較重的元素S、Se、Te代替氧作為玻璃的基本組分，即形成所謂非氧化物玻璃硫?qū)倩衔锊Ａ?。硫?qū)倩衔锊ＡОㄈ蚧椴ＡА㈡N硒鎵玻璃、鍺硒汞玻璃、硅砷碲銻玻璃、鍺砷硒玻璃等等。這類玻璃的特點(diǎn)是透射范圍寬，可從可見(jiàn)光或近紅外擴(kuò)展到十幾微米。以氟化釷(ThF4)為基礎(chǔ)的重金屬氟化物玻璃也屬非氧化物玻璃。,73,某些硫?qū)倩衔锊ＡУ闹饕匦?74,75,3熱壓多晶材料,熱壓陶瓷方法制備多晶透紅外材料，就是消除由雜質(zhì)和汽孔引起的散射和吸收，從而使多晶材料的光吸收特性僅決定于組成多晶本身的元素的吸收：用熱壓技術(shù)制備多晶材料就是在高溫、高壓作用下排除材料中的微氣孔，消除它對(duì)材料紅外透過(guò)性能的影響。高溫和高壓作用的效果，一方面使粉末態(tài)微晶粒子擠緊、壓碎和再分布，另一方面使粉末態(tài)微晶粒子范性形變，從而擠掉所有微氣孔，最終實(shí)現(xiàn)晶粒表面間的接觸，得到穩(wěn)定的高密度的熱壓多晶體。采用熱壓技術(shù)已成功地制備多種熱壓多晶透紅外材料，如氟化鎂、硫化鋅、氧化鎂、氰化鈣、硒化鋅、硫化鎘、氟化鑭等。,76,幾種熱壓紅外光學(xué)材料的物理與化學(xué)性能,77,4紅外透明陶瓷,紅外透明陶瓷是又一類耐高溫透紅外光學(xué)材料，它可由真空燒結(jié)、加壓燒結(jié)、真空加壓等工藝技術(shù)燒結(jié)而成。和熱壓技術(shù)相比，陶瓷工藝技術(shù)中消除微氣孔的物理機(jī)制中不僅有范性流變效應(yīng)的作用，而且更主要的有固相擴(kuò)散效應(yīng)的作用，從而最大限度的降低自由能，形成一個(gè)穩(wěn)定的透明陶瓷體。紅外透明陶瓷的品種有氧化鋁透明陶瓷、氧化鎂透明陶瓷、氧化釔透明陶瓷、氧化釷透明陶瓷、氧化鋯透明陶瓷、氟化鈣透明陶瓷、砷化鎵透明陶瓷等等。,78,幾種紅外透明陶瓷的制備條件和主要物理與化學(xué)性質(zhì),79,5透紅外塑料,某些塑料在紅外區(qū)(一般在近紅外和遠(yuǎn)紅外波段)有良好的透過(guò)率，因而稱之為透紅外塑料。透紅外塑料的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉、不溶于水、耐酸堿腐蝕等。由于塑料是由鏈狀分子構(gòu)成的高分子聚合物，其復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)和各種官能團(tuán)必然導(dǎo)致非常多的晶格振動(dòng)吸收帶和旋轉(zhuǎn)吸收帶，這就降低了塑料的紅外透過(guò)率，尤其是中紅外波段，其透過(guò)率一般較差。另外，塑料的熔點(diǎn)較低，這就限制了它們只能在較低溫度下使用。常見(jiàn)的透紅外塑料有甲基丙烯酸甲酯（有機(jī)玻璃）、聚乙烯、高密度聚丙烯、聚四氟乙烯和TPX(聚異戊二烯)等。,80,部分透紅外塑料的一般性質(zhì),81,6金剛石和類金剛石膜,金剛石是一種優(yōu)良的透紅外材料，不僅因?yàn)樗耐干渥V從紫外波段一直延伸到遠(yuǎn)紅外波段，而且它具有極高的硬度、彈性模量、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。金剛石還有很寬的禁帶和極好的耐腐蝕性，金剛石也是一種重要的半導(dǎo)體材料。,82,由于天然金剛石資源很少，且開(kāi)采困難，人造金剛石制備技術(shù)復(fù)雜，工藝條件苛刻，須高溫高壓合成。更主要的是天然和人造金剛石為顆粒狀，使其多數(shù)功能無(wú)法得到充分發(fā)揮。因此，自20世紀(jì)60年代以來(lái)，研制了人造金剛石膜，在低溫低壓下成功的制得了金剛石膜，隨著制備技術(shù)的不斷提高，所得金剛石膜的性能已接近或達(dá)到天然金剛石的水平。金剛石膜通常分為有眾多金剛石晶粒組成，但在晶粒間界上存在一些非金剛石相的多晶金剛石膜和全部由純金剛石組成的單晶金剛石膜。金剛石膜中碳-碳減鍵型和天然金剛石相同，是sp3型，Raman光譜峰位相符。,83,天然金剛石和CVD金剛膜的主要物理性能,84,20世紀(jì)70年代又研制成功一種硬碳膜，其主要物理性能均與金剛石膜類似，故稱為類金剛石(diamond-likecarbon，縮寫為DLC)膜。與金剛石不同的是，它由無(wú)定形碳、石墨和金剛石構(gòu)成，其碳碳鍵型有sp、sp2和sp3三種構(gòu)型，以sp2和sp3型為主。,85,類金剛石膜為非晶態(tài)，又稱非晶碳膜，其膜中常含有氫，可簡(jiǎn)寫為-CiH，不含氫的類金剛石膜簡(jiǎn)寫為a-C。在類金剛石膜的成膜過(guò)程中，總有帶能量的離子在其中起作用，故又稱離子碳膜，簡(jiǎn)寫為i-C膜。各種制備方法所用的碳源和轟擊離子的能量不同，使類金剛石膜的結(jié)構(gòu)有很大的差別，PECVD法制備的類金剛石膜含氫的摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)0.1-0.4，PVD法可制備不含氫的類金剛石膜，蒸發(fā)和濺射類金剛石膜中sp2鍵含量很高，離子束沉積法、真空電弧法和激光燒蝕法制備的類金剛石膜中sp3鍵含量很高。類金剛石膜的制備技術(shù)比金剛石膜相對(duì)簡(jiǎn)單易行，因此是一種很有潛在用途的透紅外材料。,86,透紅外材料的用途,透紅外材料是用來(lái)制造紅外光學(xué)儀器透鏡、棱鏡、濾光片、調(diào)制盤、窗口、整流罩等不可缺少的材料。,87,透紅外材料的主要用途,88,三、光纖材料,89,光纖材料,1966年：英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信實(shí)驗(yàn)室的中國(guó)科學(xué)家高錕發(fā)表論文，預(yù)測(cè)光纖通訊的未來(lái)，被譽(yù)為光纖通訊的先驅(qū)；1970年：獲得低損耗的光纖，使光通訊成為現(xiàn)實(shí)；1972年：獲得損耗只有4dB/Km的光纖，標(biāo)志長(zhǎng)距離通訊成為可能；1976年：獲得損耗只有1.6dB/km的光纖；2003年：日本住友開(kāi)發(fā)出超低損耗純硅芯光纖，其損耗僅0.15dB/km光纖通信是由光纖、光器件和系統(tǒng)設(shè)備三大部分組成的。自20世紀(jì)80年代初至今，光纖應(yīng)用場(chǎng)所經(jīng)歷了從核心網(wǎng)到城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程，未來(lái)將繼續(xù)向著家庭桌面延伸或者說(shuō)現(xiàn)在正經(jīng)歷著由室外向室內(nèi)的發(fā)展。,90,一、光纖材料的特征值1、傳輸損耗Q傳輸損耗Q指光在纖維中傳輸涂中的損耗，用下式表示：Q=10logI2/I1