PPT 6 無機材料的光學(xué)性質(zhì) 2012

1、主講教師：李志成主講教師：李志成無機材料物理性能無機材料物理性能無機材料的光學(xué)性質(zhì)無機材料的光學(xué)性質(zhì) 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用 光的反射與折射光的反射與折射 光的吸收、色散與散射光的吸收、色散與散射 無機材料的透光性無機材料的透光性 無機材料的顏色無機材料的顏色 無機材料的光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用光學(xué)材料是材料的重要成員。用作窗口、透鏡、棱鏡、濾光鏡、激光器、光導(dǎo)纖維、發(fā)光等以及以光學(xué)性能為主要功能的光學(xué)材料等。在國民經(jīng)濟、通訊、宇航、軍工等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。如高純、高透明光通信纖維玻璃使遠距離信息傳輸高純、高透明光通信纖維玻璃使遠距離信息傳輸成為現(xiàn)實；成為現(xiàn)實；大

2、功率激光發(fā)射介質(zhì)對民用與軍工作用不言而喻；大功率激光發(fā)射介質(zhì)對民用與軍工作用不言而喻；發(fā)光材料對于信息顯示技術(shù)的發(fā)展的意義；等等。發(fā)光材料對于信息顯示技術(shù)的發(fā)展的意義；等等。無機材料的光學(xué)性質(zhì)無機材料的光學(xué)性質(zhì)無機材料的光學(xué)性質(zhì)無機材料的光學(xué)性質(zhì)最新發(fā)光材料最新發(fā)光材料曬一分鐘太陽發(fā)光兩周曬一分鐘太陽發(fā)光兩周美國佐治亞大學(xué)研究人員發(fā)明了一種新材料Cr3+-doped zinc gallogermanates (鎵鎵鍺鍺酸鋅酸鋅)相關(guān)論文發(fā)表在英國自然材料雜志20 November 2011，它在陽光下暴露一分鐘后就可以在黑暗中持續(xù)兩周以上時間的近紅外光。 這一發(fā)明可望為醫(yī)療診斷帶來革新，例如將

3、其與納米粒子組配在一起附著在癌細胞上，使癌細胞的轉(zhuǎn)移可視化。此外它還能為軍隊提供“秘密”照明源，因為它的光只能通過特殊的夜視裝置才能看到。 科學(xué)家的實驗證明這種磷光物質(zhì)不需要直接放在陽光下，即使在多云甚至下雨的天氣下它也能“充電”。 介質(zhì)中的各種光學(xué)現(xiàn)象本質(zhì)上是光和物質(zhì)相互作用的結(jié)果。研究光和物質(zhì)相互作用的微觀過程，是討論介質(zhì)中光的折射、散射、吸收和色散等常見的線性光學(xué)現(xiàn)象的物理本質(zhì)的基礎(chǔ)。光波的輻射光波的輻射主要是原子最外層電子或弱束縛電子的主要是原子最外層電子或弱束縛電子的加速運動產(chǎn)生的，因而加速運動產(chǎn)生的，因而原子的電偶極矩便是這種光原子的電偶極矩便是這種光輻射的主要波源輻射的主要波源。

4、了解電偶極子輻射場的基本性質(zhì)對經(jīng)典理論處理光了解電偶極子輻射場的基本性質(zhì)對經(jīng)典理論處理光和物質(zhì)相互作用的問題極為重要。和物質(zhì)相互作用的問題極為重要。1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用當(dāng)外層電子與原子核等值異號的電荷交替變化時，當(dāng)外層電子與原子核等值異號的電荷交替變化時，即形成一個交變的電偶極子。電偶極矩在它周圍即形成一個交變的電偶極子。電偶極矩在它周圍產(chǎn)生交變電場，交變電場又產(chǎn)生交變磁場，交變產(chǎn)生交變電場，交變電場又產(chǎn)生交變磁場，交變磁場再產(chǎn)生交變電場，如此不斷繼續(xù)下去磁場再產(chǎn)生交變電場，如此不斷繼續(xù)下去.。于是，在電偶極子周圍空間便產(chǎn)生由近及遠的電于是，在電偶極子周圍空間便產(chǎn)生由近及

5、遠的電磁波動。磁波動。即交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波即交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波。1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波光和物質(zhì)相互作用的過程可以看作是組成物質(zhì)的原子或分子體系在入射光波電場的作用下，正負電荷發(fā)生相反方向的位移，并跟隨光波的頻率作受迫振動，產(chǎn)生感生電偶極矩，進而產(chǎn)生電磁波輻射的過程。這一過程也為發(fā)射次波的過程發(fā)射次波的過程。 1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波 原子內(nèi)部電子的運動可用簡諧振動規(guī)律的電偶極子原子內(nèi)部電子的運動可用簡諧振動規(guī)律的電偶極子（稱為

6、簡諧振子）描述。電子的運動方程為（稱為簡諧振子）描述。電子的運動方程為 (1)(1)xdtxdkxdtxdm202222 或1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用式中，m為電子的質(zhì)量； kx為維持電子在平衡位置的彈性力； k是彈性常數(shù)；x是在時間t時電子的位移；0=(k/m)1/2為彈性偶極子的固有頻率。交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波因為交變電偶極子輻射電磁波，而輻射場必然對電子因為交變電偶極子輻射電磁波，而輻射場必然對電子產(chǎn)生反作用，即輻射阻尼，這種輻射阻力與位移速度產(chǎn)生反作用，即輻射阻尼，這種輻射阻力與位移速度dx/dt成正比成正比 ，即，即dx/dt，為阻力

7、系數(shù)。1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波02022xdtdxdtxd因此原子內(nèi)部電子按固有頻率的振動是衰減振動，因此原子內(nèi)部電子按固有頻率的振動是衰減振動，其振幅隨時間不斷減小，即為阻尼振動。其振幅隨時間不斷減小，即為阻尼振動。 于是電子的運動方程可寫成于是電子的運動方程可寫成 （2） 當(dāng)光波作用到原子上時，光波使原子極化。原子中當(dāng)光波作用到原子上時，光波使原子極化。原子中的電子將在光頻電磁場的驅(qū)動下作受迫振動，使電的電子將在光頻電磁場的驅(qū)動下作受迫振動，使電子依光波電場的步調(diào)振動。子依光波電場的步調(diào)振動。1 1、光與物質(zhì)相互作用

8、、光與物質(zhì)相互作用交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波Emexdtdxrdtxd2022對于非磁性材料，僅考慮電場力對于非磁性材料，僅考慮電場力(-eE)的作用。如果的作用。如果光場較弱，電子強迫振動的位移不大，則仍可采用光場較弱，電子強迫振動的位移不大，則仍可采用簡諧振子模型，電子運動方程為簡諧振子模型，電子運動方程為 (3)式中e=|e|為電子電荷的大小，E是外部光波的電場。為了簡單起見，考慮簡諧電場作用下的電子運動，為了簡單起見，考慮簡諧電場作用下的電子運動，則電子位移則電子位移x和電場和電場E分別為分別為 x=x()eit 和和 E=E()eit其中其中E()和和x

9、()表示對應(yīng)于頻率表示對應(yīng)于頻率的振幅值，有的振幅值，有 （4）1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波iEmex220)( )(1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用結(jié)論：結(jié)論：在簡諧振子模型的近似下，電子受迫振動的頻率與在簡諧振子模型的近似下，電子受迫振動的頻率與驅(qū)動光波頻率相同。驅(qū)動光波頻率相同。但該式右邊的分母中含有虛因子但該式右邊的分母中含有虛因子i ，表明受迫振動，表明受迫振動與驅(qū)動光場間存在相位差，且這個相位差對介質(zhì)中與驅(qū)動光場間存在相位差，且這個相位差對介質(zhì)中所有原子都是一樣的。所有原子都是一樣的。 交變電偶極子向空

10、間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波iEmex220)( )(在在頻率頻率作用過程中的特點：作用過程中的特點： （1）在）在0的情況下的情況下當(dāng)過程開始時，電子吸收少量光波能量，引起受迫振動當(dāng)過程開始時，電子吸收少量光波能量，引起受迫振動感生電偶極矩，并輻射次波。感生電偶極矩，并輻射次波。在達到穩(wěn)定狀態(tài)后，吸收的能量與輻射的能量必然達到在達到穩(wěn)定狀態(tài)后，吸收的能量與輻射的能量必然達到平衡，即維持穩(wěn)幅振蕩，這種過程稱為平衡，即維持穩(wěn)幅振蕩，這種過程稱為光的散射光的散射。1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用iEmex220)( )(交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波

11、（1）在）在0的情況下的情況下這種散射過程的特點：電子的本征能量不會發(fā)生改變，這種散射過程的特點：電子的本征能量不會發(fā)生改變，形式上只是入射光波和散射光波之間的能量互相轉(zhuǎn)換，形式上只是入射光波和散射光波之間的能量互相轉(zhuǎn)換，吸收多少又散射多少。這一過程為光和物質(zhì)的非共振相吸收多少又散射多少。這一過程為光和物質(zhì)的非共振相互作用過程?；プ饔眠^程。因此，當(dāng)光子的頻率與電子振動的自然頻率（大約因此，當(dāng)光子的頻率與電子振動的自然頻率（大約1015/秒）不同時，電磁波在固體中自然傳播而無吸收。秒）不同時，電磁波在固體中自然傳播而無吸收。1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用iEmex220)( )(交變

12、電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波在在頻率頻率作用過程中的特點：作用過程中的特點： （2）在）在 = 0情況下，情況下，隨著入射光波頻率逐漸接近原子的固有頻率隨著入射光波頻率逐漸接近原子的固有頻率 0，振子的振幅逐漸加大。振子從入射光波攝取的振子的振幅逐漸加大。振子從入射光波攝取的能量增大，相應(yīng)的輻射次波能量也增大。能量增大，相應(yīng)的輻射次波能量也增大。1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用iEmex220)( )(交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波在在頻率頻率作用過程中的特點：作用過程中的特點： （2）在）在 = 0情況下情況下有輻射阻尼時，吸收的能

13、量用作散射；沒有輻射阻尼有輻射阻尼時，吸收的能量用作散射；沒有輻射阻尼時，吸收的能量用來不斷增大振幅。時，吸收的能量用來不斷增大振幅。鑒于這一特點，通常把鑒于這一特點，通常把0的過程與其他頻率的過程的過程與其他頻率的過程區(qū)分開來，不再稱作散射，而稱為區(qū)分開來，不再稱作散射，而稱為吸收與再放射吸收與再放射。1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用iEmex220)( )(交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波在在頻率頻率作用過程中的特點：作用過程中的特點： （2）在）在 = 0情況下情況下實際上，在實際上，在 = 0的諧振頻率處，可以認為初始態(tài)的電的諧振頻率處，可以認為初始態(tài)

14、的電子吸收一個光子躍遷到高能態(tài)，而受激電子又可以放子吸收一個光子躍遷到高能態(tài)，而受激電子又可以放出一個同頻率的光子回到初始的低能態(tài)。出一個同頻率的光子回到初始的低能態(tài)。在這種吸收與再放射過程中，電子的本征能態(tài)將發(fā)生在這種吸收與再放射過程中，電子的本征能態(tài)將發(fā)生改變，故屬于光和物質(zhì)的共振相互作用過程。改變，故屬于光和物質(zhì)的共振相互作用過程。1 1、光與物質(zhì)相互作用、光與物質(zhì)相互作用iEmex220)( )(交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波交變電偶極子向空間發(fā)射電磁波在在頻率頻率作用過程中的特點：作用過程中的特點： 介質(zhì)材料可以看作許多線性諧振子的集合，在光波場的作用下，極化的原子或分子輻射的次波與入

15、射光波的相互干涉決定了光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 光波除了與介質(zhì)材料中的電結(jié)構(gòu)作用外，還與磁光波除了與介質(zhì)材料中的電結(jié)構(gòu)作用外，還與磁結(jié)構(gòu)作用。結(jié)構(gòu)作用。正是由于材料的極化與磁化作用，使電磁波在介正是由于材料的極化與磁化作用，使電磁波在介質(zhì)中的傳播受到約束。質(zhì)中的傳播受到約束。 根據(jù)麥克斯韋電磁理論，電磁波在固體中的傳播速度v與反映材料極化特性的相對介電常數(shù)r和磁化特性的相對磁導(dǎo)率r及真空中的光速c有如下的關(guān)系： （2.1）該式反映了材料的性質(zhì)對光傳播的影響。該式反映了材料的性質(zhì)對光傳播的影響。對于非磁性材料，對于非磁性材料， r 1.2 2、光的反射與折射光的

16、反射與折射 rrcv由于光的傳播速度因材料性質(zhì)不同而各由于光的傳播速度因材料性質(zhì)不同而各異，因此光從一種均勻介質(zhì)斜射入另一異，因此光從一種均勻介質(zhì)斜射入另一種均勻介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的界面上一種均勻介質(zhì)時，在兩種介質(zhì)的界面上一般都會發(fā)生般都會發(fā)生反射和折射反射和折射現(xiàn)象。現(xiàn)象。 2 2、光的反射與折射光的反射與折射 光由材料1通過界面?zhèn)魅氩牧?時，與界面法向所形成的入射角i1、折射角i2與兩種材料的折射率n1、n2以及光在相應(yīng)介質(zhì)中的傳播速度由如下關(guān)系： （2.2）2 2、光的反射與折射光的反射與折射 折射及其影響因素折射及其影響因素 12i1i2211221sinsinvvnnii結(jié)合方程式（

17、結(jié)合方程式（2.1) 和和(2.2)可以得出可以得出 r=n2 (2.3)2 2、光的反射與折射光的反射與折射 折射及其影響因素折射及其影響因素 反映了光的折射與材料的介電常數(shù)關(guān)系，此乃反映了光的折射與材料的介電常數(shù)關(guān)系，此乃麥克斯麥克斯韋關(guān)系式韋關(guān)系式。材料的極化性質(zhì)又與構(gòu)成材料的原子的原子量、電子分布情況、化學(xué)性質(zhì)等微觀因素有關(guān)。這些微觀因素通過宏觀量介電常數(shù)來影響光在材料中的傳播速度。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 折射及其影響因素折射及其影響因素 為了進一步說明影響介質(zhì)折射率的因素，由克勞修斯-莫索蒂方程（Clausius-Mosotti equation）可知介電常數(shù) r與極化

18、率的關(guān)系(N為阿佛伏加德羅常數(shù))： （2.4）03N21rr2 2、光的反射與折射光的反射與折射 折射及其影響因素折射及其影響因素 022321NMnnPM結(jié)合方程式（2.3）(2.4)，可以得到可以得到分子的折射度PM為： (2.5) 式中，M為分子量，為密度。上式說明：上式說明：單位體積中原子的數(shù)目越多，或結(jié)構(gòu)越單位體積中原子的數(shù)目越多，或結(jié)構(gòu)越緊密，則折射率越大。緊密，則折射率越大。另外在電子的極化中，定性的簡化模型中導(dǎo)出了電子極化率與原子半徑的關(guān)系： e=40r3由于介質(zhì)的折射率隨組成固體的原子的電子極化率由于介質(zhì)的折射率隨組成固體的原子的電子極化率的增加而增加，因此材料的折射率隨原子

19、半徑的增的增加而增加，因此材料的折射率隨原子半徑的增加而增加。加而增加。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 折射及其影響因素折射及其影響因素 因素因素1 1、構(gòu)成材料元素的離子半徑和電子結(jié)構(gòu) 折射率是材料的組成離子的極化率總和。正負離子的極化率是由離子半徑及其外層電子決定的。原子價相同的正離子，其半徑越大，原子核對外層電子吸引力越弱，則離子的極化率越高。大離子高折射率。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 影響折射率的因素有下列幾方面：影響折射率的因素有下列幾方面：022321NMnnPM因素因素2 2、材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài) 如各向同性的非晶態(tài)和立方晶體等材料，折射率不因光的傳播方向而變

20、化，材料只有一個折射率，稱為均質(zhì)介質(zhì)。對于其它非均質(zhì)材料，折射率隨方向而不同，折射率沿著原子或離子越密排的結(jié)晶學(xué)方向越大。對于層狀結(jié)構(gòu)的晶體，沿原子較緊密的堆積層面內(nèi)的光波速度比其它方向小。 2 2、光的反射與折射光的反射與折射 影響折射率的因素有下列幾方面：影響折射率的因素有下列幾方面：因素因素3 3、同質(zhì)異構(gòu)體與溫度 一般情況下，同質(zhì)異構(gòu)材料的高溫晶型原子的密堆積程度低，因此高溫晶型的折射率較低，低溫晶型原子的密堆積程度高，因此其折射率較高。 因素因素4 4、外界因素材料在機械應(yīng)力、超聲波、電場等的作用下，折射率會發(fā)生改變。如有內(nèi)應(yīng)力存在的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主

21、應(yīng)力方向的n小。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 影響折射率的因素有下列幾方面：影響折射率的因素有下列幾方面：設(shè)兩種介質(zhì)的折射率分別為設(shè)兩種介質(zhì)的折射率分別為n1、n2。當(dāng)。當(dāng)自然光由介質(zhì)自然光由介質(zhì)1入射到介質(zhì)入射到介質(zhì)2時，光在介時，光在介質(zhì)界面上分成了反射光和折射光。如圖質(zhì)界面上分成了反射光和折射光。如圖由于光波的振動可以分解為相互獨立的由于光波的振動可以分解為相互獨立的s振動和振動和p振動，則入射光振動，則入射光k1 、反射光、反射光k1、折射光折射光k2三光束的電矢量三光束的電矢量E1、E1、E2都都分解成分解成p分量和分量和s分量，它們都垂直于光分量，它們都垂直于光的波矢的波矢

22、k，它們的正負都是相對于各自，它們的正負都是相對于各自的波矢方向而定的。的波矢方向而定的。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 反射率與透射率反射率與透射率在折射和反射過程中，在折射和反射過程中，p和和s兩個分量的振動是相互獨兩個分量的振動是相互獨立的立的 。為了說明反射和折射各占多少比例，引入為了說明反射和折射各占多少比例，引入反射率和折反射率和折射率射率的概念。的概念。除了光的各分量要分別計算外，還應(yīng)區(qū)別三種不同的除了光的各分量要分別計算外，還應(yīng)區(qū)別三種不同的反射率和透射率，即振幅反（透）射率，光強反（透）反射率和透射率，即振幅反（透）射率，光強反（透）射率和能流反（透）射率。射率和能流反

23、（透）射率。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 反射率與透射率反射率與透射率2 2、光的反射與折射光的反射與折射 E為電矢量；I為光強，即平均能流密度，等于光波的振幅的平方；W=IS為能流，S為光束的橫截面積。211|pppprIIR211|ssssrIIR光強反射率光強反射率ppppRWW11ssssRWW11能流反射率能流反射率pppEEr11sssEEr11P分量分量S分量分量振幅反射率振幅反射率反射率與透射率反射率與透射率各種反射率的定義2 2、光的反射與折射光的反射與折射 反射率與透射率反射率與透射率pppEEt12sssEEt1221222|pppptnnIIT21222|sss

24、stnnIITppppTiiWW1212coscosssssTiiWW1212coscosP分量分量S分量分量振幅透射率振幅透射率光強透射率光強透射率能流透射率能流透射率各種透射率的定義當(dāng)光束正入射時，當(dāng)光束正入射時，i1=i2=0，有簡化，有簡化2 2、光的反射與折射光的反射與折射 sprnnnnr12121212nnnttsp1212nnnnRRspsp21221)(4nnnnTTspsp光強反射率光強反射率振幅反射率振幅反射率振幅透射率振幅透射率光強透射率光強透射率反射率與透射率反射率與透射率因此反射率和折射率是由兩種介質(zhì)的折射率決因此反射率和折射率是由兩種介質(zhì)的折射率決定的定的。如果如

25、果n1和和n2相差很大，那么界面反射損失就嚴(yán)重。相差很大，那么界面反射損失就嚴(yán)重。這意味著在光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)折射率增大時，反這意味著在光學(xué)系統(tǒng)中，當(dāng)折射率增大時，反射損失增大。射損失增大。 2 2、光的反射與折射光的反射與折射 反射率與透射率反射率與透射率當(dāng)光束從折射率n1較大的光密介質(zhì)進入折射率n2較小的光疏介質(zhì)時，折射角大于入射角。當(dāng)入射角達到某一角度ic時，折射角可等于90，此時有一條很弱的折射光線沿界面?zhèn)鞑?。如圖。 2 2、光的反射與折射光的反射與折射 icn1n2反射率與透射率反射率與透射率2 2、光的反射與折射光的反射與折射 如果入射角大于ic，就不再有折射光線，入射光的能量全部回到

26、第一介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為全反射，全反射，i ic c角就是全反射的臨界角角就是全反射的臨界角。反射率與透射率反射率與透射率icn1n2根據(jù)折射定律可求得全反射全反射臨界角為 ic=sin-1(n1/n2) 不同介質(zhì)的臨界角大小不同。例如，普通玻璃對空氣的臨界角為42；水對空氣的臨界角為48.5 ；鉆石折射率很大（n=2.417），故臨界角很小，容易發(fā)生全反射。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 光的全反射率與光導(dǎo)纖維光的全反射率與光導(dǎo)纖維利用光的全反射原理，可以制作一種新型光學(xué)元件光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維，簡稱光纖。光纖是由光學(xué)玻璃或光學(xué)石英制成的直徑幾微米到幾十微米的細絲，在纖芯外面覆

27、蓋直徑 100-150微米的包層和涂覆層。如圖。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 光的全反射率與光導(dǎo)纖維光的全反射率與光導(dǎo)纖維包層與纖芯之間形成良好的光學(xué)界面。當(dāng)光波以一定的角度進入纖維內(nèi)部時，將在內(nèi)外兩層之間產(chǎn)生多次全反射而傳播到另一端。2 2、光的反射與折射光的反射與折射 光的全反射率與光導(dǎo)纖維光的全反射率與光導(dǎo)纖維以上所分析的光的反射是以上所分析的光的反射是材料表面光潔度非常高的情況下的反射，反射光線具有明確的方向性，一般稱之為鏡面反射。在光學(xué)材料中利用這個性能達到各種應(yīng)用目的。例如：雕花玻璃器皿，含鉛量高，折射率高，因而反射率約為普通鈉鈣硅酸鹽玻璃的兩倍，達到裝飾效果。寶石的高折射

28、率使之具有強折射和高反射性能。玻璃纖維作為通訊的光導(dǎo)管時，有賴于光束總的內(nèi)反射。 2 2、光的反射與折射光的反射與折射 介質(zhì)的表面漫反射介質(zhì)的表面漫反射在陶瓷系統(tǒng)中大多數(shù)表面并不是完全光滑的，因此當(dāng)光照射到粗糙不平的材料表面時，發(fā)生相當(dāng)大的漫反射。介質(zhì)的表面漫反射介質(zhì)的表面漫反射2 2、光的反射與折射光的反射與折射 對一不透明材料，測量單一入射光束在不同方向上的反射能量。得到的反射能量分布如圖所示。漫反射的原因是由于材料表面粗糙，在局部地方的入射角參差不一，反射光的方向也各式各樣，致使總的反射能量分散在各個方向上，形成漫反射。材料表面越粗糙，鏡反射所占的能量分數(shù)越小。2 2、光的反射與折射光的

29、反射與折射 介質(zhì)的表面漫反射介質(zhì)的表面漫反射由于折射率與原子緊密堆積有關(guān)，所以對于各向異性材料，在不同的方向上表現(xiàn)出不同的折射率值。因此，當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)的表面時，由于在各方向上的折射程度不同，折射光會分成兩束沿著不同的方向傳播。這種現(xiàn)象稱為雙折射。如圖。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 1 1 雙折射雙折射 o光e光光在這種材料內(nèi)成了兩束：光在這種材料內(nèi)成了兩束：一束為尋常光（o光），對應(yīng)的折射率為尋常光折射率no。不論入射光的入射角如何變化，no均為一常數(shù)，它嚴(yán)格服從折射定律。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 1 1 雙折射雙折射

30、o光e光另一束成為非常光（e光），對應(yīng)非常光折射率，該值隨入射線方向的改變而變化，它不遵循折射定律。一束光線與細晶透明鐵電陶瓷斜交并沿此方向傳播時，會產(chǎn)生雙折射，即光線被分解為兩束線偏振光。這種雙折射率可借助于外加電場的變化或陶瓷剩余極化強度的變化來進行控制，這便是電電控雙折射效應(yīng)控雙折射效應(yīng)。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 1 1 雙折射雙折射電控雙折射效應(yīng)電控雙折射效應(yīng) 在透明的電光在透明的電光PLTZ陶瓷中，其晶體陶瓷中，其晶體c軸只比軸只比a軸長軸長1%，幾，幾乎是立方晶系結(jié)構(gòu)，因此其光學(xué)性質(zhì)幾乎是各向同性的。乎是立方晶系結(jié)構(gòu)，因此其光學(xué)性質(zhì)幾乎是各向同性的

31、。當(dāng)一個電場作用于陶瓷時，電疇作定向排列，導(dǎo)致宏觀極當(dāng)一個電場作用于陶瓷時，電疇作定向排列，導(dǎo)致宏觀極化強度產(chǎn)生，產(chǎn)生單軸晶體光學(xué)性質(zhì)（光學(xué)各向異性），化強度產(chǎn)生，產(chǎn)生單軸晶體光學(xué)性質(zhì)（光學(xué)各向異性），光軸與極化強度一致。產(chǎn)生電控雙折射效應(yīng)。光軸與極化強度一致。產(chǎn)生電控雙折射效應(yīng)。利用透明利用透明PLTZ陶瓷的電控雙折射效應(yīng)可制成透過率可控陶瓷的電控雙折射效應(yīng)可制成透過率可控的飛行窗、防護眼鏡等。在光學(xué)信息處理技術(shù)中也有著重的飛行窗、防護眼鏡等。在光學(xué)信息處理技術(shù)中也有著重要的應(yīng)用前景。要的應(yīng)用前景。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 1 1 雙折射雙折射電控雙折射效應(yīng)

32、電控雙折射效應(yīng) 旋光現(xiàn)象旋光現(xiàn)象：在某一單軸晶體內(nèi)沿著垂直于光軸方向切出一塊平行平面晶片，并將其插入一對正交偏振片I和II之間，在單色光的照射下，從偏振片II后看去視場變亮。此時如把偏振片II向左或向右旋轉(zhuǎn)一定的角度，出現(xiàn)消光現(xiàn)象。這表明，從晶片透射出來的光仍為線偏振光，但其振動面向左或向右旋轉(zhuǎn)了一個角度，這種現(xiàn)象稱為旋光旋光。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 2、旋光、旋光在某些晶體介質(zhì)中，晶格上的原子和離子排列存在附加的螺旋有序性。由于按螺線周期排列的原子間的相互作用，在光場的作用下，電子的運動軌跡為一螺線如（石英晶體，在z軸方向上的原子或離子位于螺距等于晶胞長度

33、的螺線上）。電子的運動不僅產(chǎn)生交變的電偶極矩p(t)，還產(chǎn)生交變的磁偶極矩m(t)，且兩者都是沿螺線方向（同向或反向取決于螺線的繞向）。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 2、旋光、旋光機理機理 如圖表示右旋分子平行于入射光電場的情況。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 交變的電、磁偶極子將輻射電磁次波，而且二者輻射的次波電矢量Ep和Em互相垂直。因而螺線偶極子輻射的合成電場Es=Ep+Em將不平行于入射場Ei，總電場E=Ei+Es的偏振方向?qū)⑾鄬τ谌肷鋱鯡i旋轉(zhuǎn)一個角度。2、旋光、旋光機理機理 旋轉(zhuǎn)的方向取決于螺線的繞向（如圖），旋轉(zhuǎn)角的大小則

34、隨分子相對于入射場E的取向而變。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 2、旋光、旋光機理機理 菲涅耳假設(shè)菲涅耳假設(shè)：在旋光晶體中線偏振光沿光軸傳播時分解成左旋和右旋圓偏振光（L光和R光），它們的傳播速度vL和vR略有不同，或者二者的折射不同，而經(jīng)過旋光晶片時產(chǎn)生不同的位相滯后。如圖3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 2、旋光、旋光菲涅耳解釋菲涅耳解釋 dndnRRLL22為真空中的波長，d為旋光晶片的厚度。為了簡便，設(shè)入射的線偏振光的振動平面在豎直方向，并取它入射界面I上的初始相位為0。當(dāng)光線出射界面II時，左右旋圓偏振光的速度恢復(fù)到一致，它們合成

35、為一個線偏振光，其偏振方向在EL和ER瞬時位置的分角線上，相對于原來的豎直方向轉(zhuǎn)過了一個角度，其大小為3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 dnnLRLR)()(21偏振轉(zhuǎn)動的角度與旋光晶片偏振轉(zhuǎn)動的角度與旋光晶片的厚度成正比的厚度成正比2、旋光、旋光菲涅耳解釋菲涅耳解釋 法拉第旋光效應(yīng)法拉第旋光效應(yīng) 對于給定的介質(zhì)，振動面的轉(zhuǎn)角對于給定的介質(zhì)，振動面的轉(zhuǎn)角 與樣品的與樣品的厚度厚度d和磁感應(yīng)強度和磁感應(yīng)強度M成正比：成正比：=FdM，F(xiàn)為為法拉第旋光系數(shù)（法拉第旋光系數(shù)（/cm）。）。旋光率的數(shù)值與波長有關(guān)。旋光率的數(shù)值與波長有關(guān)。 光的傳播方向反轉(zhuǎn)時，法拉第旋轉(zhuǎn)的左右

36、方光的傳播方向反轉(zhuǎn)時，法拉第旋轉(zhuǎn)的左右方向互換。向互換。3 3、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光在各向異性介質(zhì)中的傳播 2、旋光、旋光一束平行光照射材料時部分光的能量部分光的能量被吸收被吸收，其強度將被減弱；，其強度將被減弱；介質(zhì)中光的傳播速度比真空中小，且隨波長而變化介質(zhì)中光的傳播速度比真空中小，且隨波長而變化產(chǎn)生色散現(xiàn)象產(chǎn)生色散現(xiàn)象；光在傳播時，遇到結(jié)構(gòu)成分不均勻的微小區(qū)域，有光在傳播時，遇到結(jié)構(gòu)成分不均勻的微小區(qū)域，有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散開來，即開來，即發(fā)生散射現(xiàn)象發(fā)生散射現(xiàn)象。其中光的吸收和散射都會導(dǎo)致原來傳播方向上的光強

37、減弱。4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時，1 引起介質(zhì)的價電子躍遷，或使原子振動而消耗能量；2同時，介質(zhì)中的價電子吸收光子能量而激發(fā)，在運動中與其它分子碰撞，電子能量轉(zhuǎn)變成分子的動能（即熱能），從而構(gòu)成光能的衰減。導(dǎo)致光的能量損失，這是產(chǎn)生光吸收的原因。 4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收如圖，設(shè)有一塊厚度為x的平板均勻介質(zhì)材料，入射光的強度為I0。光通過某薄層前的強度為I，通過后的吸收損失為-dI，它與薄層厚度dx有以下關(guān)系。 4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收吸收系數(shù)吸收系數(shù)II0 xI0IId

38、x -dI=Idx (1) 為與光強無關(guān)的比例系數(shù)，即介質(zhì)對光的吸收系數(shù)。對（1）式進行積分，可得 （2）xIIxeIIdxIdI0004 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 （2）該式表明，光強隨厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律，這是朗伯特定律。 越大、材料越厚，光就被吸收的越多，透過后的光強就越小。(薄膜往往具有很好的光學(xué)透過性)當(dāng)光的傳播距離達到1/時，強度衰減到入射時的1/e。但是對于光強非常大的入射光（如激光）來說，朗伯特定律就不再成立。xeII01 1 光的吸收光的吸收吸收系數(shù)吸收系數(shù)4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收材料吸收的選擇性材料吸收的選擇性任何介質(zhì)

39、只對特定的波長范圍表現(xiàn)為透明（吸收少），而對其任何介質(zhì)只對特定的波長范圍表現(xiàn)為透明（吸收少），而對其它波長范圍則不透明（吸收多）。它波長范圍則不透明（吸收多）。1、金屬對光吸收強烈：因低頻光子能量足于激發(fā)電子躍遷引起能量的吸收2、在可見光區(qū)，金屬與半導(dǎo)體的吸收系數(shù)都很大。不同類型的材料對不同頻率光的吸收率4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收材料吸收的選擇性材料吸收的選擇性3、絕緣體有三個吸收峰： 在紅外區(qū)，它是由于紅外頻率的光波光子與材料中的離子或分子的共振消耗能量而發(fā)生的； 在紫外范圍一個，是由于紫外線引起原子中的電子發(fā)生共振，即紫外光的光子足于使電子從價帶躍遷到

40、導(dǎo)帶或其他能級，因而發(fā)生吸收； X射線的吸收，是由于X射線使原子內(nèi)層電子躍遷到導(dǎo)帶而引起的。4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收材料吸收的選擇性材料吸收的選擇性對于某些應(yīng)用如透鏡（或隱身），希望材料能夠透過（或吸收）波長范圍越廣越好，最好能找到透過（或吸收）紫外線、可見光和紅外光的材料。難！因為 1、短波側(cè)受材料的禁帶寬度、短波側(cè)受材料的禁帶寬度Eg限制。限制。如紫外吸收段相應(yīng)的波長為 Eg= h =hc/ = hc/Eg 式中，式中，h為普朗克常數(shù)，為普朗克常數(shù)，c為光速。為光速。由此可見，禁帶寬度大的材料，紫外吸收端的波長比較小。如由此可見，禁帶寬度大的材料，紫

41、外吸收端的波長比較小。如果果Eg足夠?。ㄈ绨雽?dǎo)體），可能在可見光區(qū)也會被吸收。足夠小（如半導(dǎo)體），可能在可見光區(qū)也會被吸收。4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1 1 光的吸收光的吸收材料吸收的選擇性材料吸收的選擇性2、對于長波長段，波長的透過是受到晶格熱振動的限制。、對于長波長段，波長的透過是受到晶格熱振動的限制。晶體共振頻率：式中，是與力學(xué)有關(guān)的常數(shù)，由離子間結(jié)合力決定；Mc和Ma分別為陽離子和陰離子質(zhì)量。所以，為了有較寬的透明頻率范圍，最好有高的電子能隙值和弱的原子間結(jié)合力以及大的離子質(zhì)量。如高原子量的一價堿金屬鹵化物是最好的相關(guān)材料。)11(220aMMc光通過介質(zhì)時，遇到氣孔、夾

42、雜物、晶界相等結(jié)構(gòu)或成分不均勻的微小區(qū)域（稱為散射中心），都會有一部分能量偏離原來的傳播方向而向四面八方彌散開來，這種現(xiàn)象稱為散射。由于散射，光在前進方向上的強度減弱了，對于相分布均勻的材料，其減弱的規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的規(guī)律： (1)式中，I0為光的原始強度；I光束通過厚度為x的材料后剩余強度；S散射系數(shù)（單位cm-1）。SxeII02 2 光的散射光的散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 將吸收規(guī)律與散射規(guī)律統(tǒng)一起來，則可得 (2)因此，光的衰減系數(shù)由吸收系數(shù)和散射系數(shù)兩部分組成。xSeII)(02 2 光的散射光的散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 散射可分為彈性散射：光

43、子與散射中心發(fā)生彈性碰撞，散射前后，光子只改變方向，沒有能量的變化；非彈性散射：散射前后，光子有能量的變化。2 2 光的散射光的散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 彈性散射的規(guī)律：波長不變，散射光的強度與波長和散射中心尺度有關(guān)。以Is表示散射強度，表示入射光的波長，則 參量與散射中心尺度大小a0有關(guān)。1當(dāng)a0時，0，則散射強度與入射光的波長無關(guān)廷德爾（Tyndall）散射。如粉筆灰顆粒的尺寸對所有光波長滿足該條件，對各波段光散射能力相同，體現(xiàn)為白色。2 2 光的散射光的散射彈性散射彈性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1sI2當(dāng)a0時，在04之間，具體數(shù)值與散射中心尺寸有關(guān)，

44、這個范圍光散射比較復(fù)雜，例如存在散射光強度隨a0/比值的變化而波動，散射光呈白色。米氏（Mie）散射3當(dāng)a0時，=4，散射強度與波長的4次方成反比。瑞利（Rayleigh）散射。2 2 光的散射光的散射彈性散射彈性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 1sI如圖，當(dāng)光束通過介質(zhì)時，從側(cè)向接受到的散射光主要是頻率如圖，當(dāng)光束通過介質(zhì)時，從側(cè)向接受到的散射光主要是頻率0 0的瑞利散射光，屬于彈性散射。在此之外兩側(cè)還有其它頻率的瑞利散射光，屬于彈性散射。在此之外兩側(cè)還有其它頻率的散射線存在，這種現(xiàn)象稱為的散射線存在，這種現(xiàn)象稱為拉曼散射拉曼散射。2 2 光的散射光的散射非非彈性散射彈性散射4

45、4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 0由于非彈性散射中的散射光頻率與散射物質(zhì)的能態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)，可以通過研究材料的這一特性分析固體結(jié)構(gòu)、點陣振動、分子的能級等信息。粒度對散射系數(shù)粒度對散射系數(shù)S的影響的影響光的波長不同時，散射系數(shù)達到最大值時的質(zhì)點直徑也有所變化。由于粒度的不同，散射規(guī)律也不同。2 2 光的散射光的散射非非彈性散射彈性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 粒度對散射系數(shù)粒度對散射系數(shù)S的影響的影響若散射質(zhì)點的體積濃度不變，當(dāng)d ，則隨著d的增加，S反而減??；當(dāng)d ，S達到最大值。所以，可以根據(jù)散射中心尺寸和波長的相對大小，分別用不同的散射機理和規(guī)律進行處理，可求出S與其他因素

46、的關(guān)系。 2 2 光的散射光的散射非非彈性散射彈性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 粒度對散射系數(shù)粒度對散射系數(shù)S的影響的影響當(dāng)d 時，利用菲涅耳（Fresnel）規(guī)律（反射、折射引起的總體散射起主要作用）。由于散射質(zhì)點和基體的折射率的差別，當(dāng)光碰到質(zhì)點與基體的界面時，就要產(chǎn)生界面反射與折射。同時，由于連續(xù)的反射與折射，總的效果相當(dāng)于光線被散射了，光束強度衰減。 2 2 光的散射光的散射非非彈性散射彈性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 粒度對散射系數(shù)粒度對散射系數(shù)S的影響的影響當(dāng)d 時，對于投影面積為R2的單個粒子，光束強度損失的分數(shù)為 (1) 式中，R為粒子半徑；A為光束

47、界面積；K為散射因子，它取決于基體與質(zhì)點的相對折射率，其值在0-4之間變化。 2 2 光的散射光的散射非非彈性散射彈性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 ARKII2粒度對散射系數(shù)粒度對散射系數(shù)S的影響的影響當(dāng)d 時，如果忽略多級散射，則散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點的投影面積： （2）N為單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點數(shù)。由于N不容易得到，常用第二相粒子的體積數(shù)Vp=(4/3)NR3, 則（2）式變?yōu)?（3）所以，散射系數(shù)所以，散射系數(shù)S與粒子大小成反比、與粒子濃度成正比與粒子大小成反比、與粒子濃度成正比。 2 2 光的散射光的散射非非彈性散射彈性散射4 4、光的吸收和散射、光的吸收和散射 2RKNS

48、RKVSp43粒度對散射系數(shù)粒度對散射系數(shù)S的影響的影響當(dāng)d S2-Se2-Te2-，故能量較，故能量較小的光就能激發(fā)它們的價電子到激發(fā)態(tài)，使其短波極小的光就能激發(fā)它們的價電子到激發(fā)態(tài)，使其短波極限進入可見光區(qū)，而導(dǎo)致著色。短波極限波長的位置限進入可見光區(qū)，而導(dǎo)致著色。短波極限波長的位置隨它們的親電子勢減小逐漸向長波轉(zhuǎn)移。故隨著隨它們的親電子勢減小逐漸向長波轉(zhuǎn)移。故隨著CdS/CdSe比值的減小，吸收波向長波方向移動。比值的減小，吸收波向長波方向移動。6 6、無機材料的顏色、無機材料的顏色膠態(tài)粒子著色劑膠態(tài)粒子著色劑7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用1、紅外性質(zhì)的應(yīng)用每

49、種處于0 K以上的物體均發(fā)射特征電磁波輻射，并位于電磁波譜的紅外區(qū)域。這種特征對于軍事和測定肉眼看不見的物體具有特殊意義。應(yīng)用領(lǐng)域： 輻射測量和光譜輻射測量：非接觸溫度測量、各種熱流過程測量、損傷探測； 對能量輻射物的搜索與跟蹤：宇航導(dǎo)航、火箭、飛機預(yù)警、遙控引爆等； 制造紅外成像器件：夜視儀、紅外顯微鏡，可用于火山、地震、中風(fēng)早期、軍事的偽裝識別、電子電路檢測；通信與遙控：宇宙飛船之間進行視頻和音頻傳播，海洋、陸地、空中目標(biāo)的距離與速度測量。一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用2、紅外透過材料一般紅外波段位于0.720 m。對于材料要求：對于材料要求：光學(xué)性質(zhì)：透過率高（低于50%則

50、認為截止）；頻帶要寬；折射率低（減少反射）；散射和吸收系數(shù)小（這點在CO2激光器紅外窗口尤為重要）；自輻射?。ū苊庠斐杉傩盘枺涣W(xué)性質(zhì)（彈性模量，扭轉(zhuǎn)剛度，泊松比，強度與硬度）； 化學(xué)性質(zhì)（穩(wěn)定性，耐蝕等）； 物理性能（熔點，熱導(dǎo)率，膨脹系數(shù)，可成型性）。一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 目前實際應(yīng)用的紅外透過材料各有優(yōu)缺點：2、紅外透過材料一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用玻璃：玻璃：光學(xué)均勻性好，易加工成型，便宜，但透過波長較短，高溫穩(wěn)定性差（一般低于

51、500度使用）。硫族化合物玻璃透過（如Ge30As30Se40玻璃）紅外波長較寬，但加工工藝復(fù)雜，且含毒元素；一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用晶體晶體：透過波長較寬，折射率的色散范圍也較大，硬度高，熔點高，熱穩(wěn)定性好；缺點：制備晶體生長較慢，且不易獲得大尺寸，價格高。有鍺、硅單晶，ZnS、ZnSe單晶體等；2、紅外透過材料7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 目前實際應(yīng)用的紅外透過材料各有優(yōu)缺點：一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用一、紅外光學(xué)性質(zhì)與應(yīng)用透明陶瓷透明陶瓷：產(chǎn)品性能穩(wěn)定，目前已有十多種紅外透明陶瓷材料可供選擇，如Al2O3，藍寶石是高速導(dǎo)彈首選的中紅外透過材料

52、。2、紅外透過材料7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 目前實際應(yīng)用的紅外透過材料各有優(yōu)缺點：二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料材料的發(fā)光材料的發(fā)光是材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程。激發(fā)的能量可以是光、電子束、射線、射線或其他。光致發(fā)光物質(zhì)的晶體構(gòu)造：A為激活劑，多邊形代表基質(zhì)；EXC-激發(fā)；EM-發(fā)射（輻射回基態(tài)）；HEAT-非輻射回基態(tài)7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料任何固體物質(zhì)加熱到一定溫度以上都會發(fā)光，這叫熱輻射；熱輻射；有些發(fā)光材料在常溫下發(fā)光，所以叫冷光冷光。根據(jù)發(fā)光材料余暉的長短可分

53、為熒光材料和磷光材料熒光材料和磷光材料。前者當(dāng)移去激發(fā)源則立即停止發(fā)光，后者激發(fā)源移去后仍能保持發(fā)光。發(fā)光材料應(yīng)用甚廣發(fā)光材料應(yīng)用甚廣：日光燈、熒光屏、XRD顯像、激光器等。7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料材料光發(fā)射的性質(zhì)與它們的能量結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，固體的基本能量結(jié)構(gòu)是能帶。雜質(zhì)離子具有分離的能級，它們常出現(xiàn)在禁帶中。固體發(fā)光的微觀機理可分為兩步：一、對材料進行激勵，即以各種方式輸入能量，將固體中電子的能量提高到一個非平衡態(tài)，即“激發(fā)態(tài)”；二、處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)地向低能態(tài)躍遷，同時發(fā)射光子。7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性

54、質(zhì)及應(yīng)用二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料基本性質(zhì)基本性質(zhì)發(fā)光材料除了要有合適的基質(zhì)為主體外，還要選擇摻入微量雜質(zhì)作為“激活劑”，用來充當(dāng)發(fā)光中心。如ZnS: (Ag, Cu)表示ZnS基質(zhì)中摻入Ag、Cu雜質(zhì)，這種材料發(fā)出525 nm中心波長的黃綠光，可用于示波器。從應(yīng)用角度來看，感興趣的光學(xué)性能通常是發(fā)光的顏色、強度、延續(xù)時間。所以，材料的發(fā)光特性主要從發(fā)射光譜、發(fā)光壽命和發(fā)光效率等性能進行評價。7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 發(fā)射光譜：發(fā)射光譜：處于高能級的原子或分子在向較低能級躍遷時產(chǎn)生輻射，將多余的能量發(fā)射出去形成的光譜；是指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強按波長的分

55、布。二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料基本性質(zhì)基本性質(zhì)7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 發(fā)射光譜：發(fā)射光譜：二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料基本性質(zhì)基本性質(zhì)發(fā)射光譜的形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)，有些材料呈現(xiàn)寬譜帶，甚至寬譜帶交疊而形成連續(xù)譜帶；有些材料的發(fā)射光譜則是線狀結(jié)構(gòu)。7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 激發(fā)光譜：激發(fā)光譜：指材料發(fā)射某一特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強度隨激發(fā)光的波長而變化的曲線。二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料基本性質(zhì)基本性質(zhì)7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 激發(fā)光譜：激發(fā)光譜：二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料基本性質(zhì)

56、基本性質(zhì)激發(fā)光譜與吸收光譜的異同：同同：能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長也一定是材料可以吸收的波長；均反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上遷移的通道，都能反映有關(guān)材料的能級和能帶。異異：材料吸收光之后不一定會發(fā)射光，可能把吸收的光轉(zhuǎn)化成熱能而耗散掉，7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用激發(fā)光譜與發(fā)射光譜的區(qū)別：激發(fā)光譜，就是反應(yīng)一個物質(zhì)收到激發(fā)以后的情況，反映出該物質(zhì)對于外來激發(fā)光的響應(yīng)。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上遷移的通道。發(fā)射光譜，是該物質(zhì)發(fā)射的光的性質(zhì)，就是它發(fā)的光，某個譜段強、某個譜段弱，反映材料中從搞能級始發(fā)的向下遷移。二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料基本性質(zhì)基本性質(zhì)7 7、 無機

57、材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用 激發(fā)光譜：激發(fā)光譜： 發(fā)光壽命：發(fā)光壽命：發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時間的指長短（熒光壽命或余輝時間）。二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料基本性質(zhì)基本性質(zhì)在應(yīng)用中往往約定在應(yīng)用中往往約定：從激發(fā)停止時的發(fā)光強度I0衰減到1/10時的時間稱為余輝時間。超短余輝（1s）。 不同應(yīng)用目的對材料的發(fā)光壽命要求不同：短余輝材料常應(yīng)用于計算機的終端顯示器；長余輝和超長余輝材料應(yīng)用于夜光鐘表字盤、夜間節(jié)能告示板、緊急照明等場合。7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料熒光與磷光熒光與磷光價帶導(dǎo)帶Ege激發(fā)光子價帶導(dǎo)帶Eg

58、e激發(fā)Ed光子e-熒光熒光磷光磷光發(fā)光是輻射能量以可見光的形式出現(xiàn)，受激發(fā)的電子從價帶進入導(dǎo)帶，當(dāng)其返回價帶時便發(fā)射出光子。如果這些光子的波長在可見光范圍，便產(chǎn)生了發(fā)光現(xiàn)象。以區(qū)別熱輻射發(fā)光，這種發(fā)光稱為冷發(fā)光。包括熒光和磷光。如圖兩種發(fā)光原理圖。7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料熒光與磷光熒光與磷光價帶導(dǎo)帶Ege激發(fā)光子價帶導(dǎo)帶Ege激發(fā)Ed光子e-熒光熒光磷光磷光熒光：熒光：當(dāng)激發(fā)出去后10-8s內(nèi)發(fā)出的光稱為熒光，它是被激發(fā)的電子跳回價帶時發(fā)射的光子磷光：磷光：發(fā)磷光的材料往往含有雜質(zhì)并在能隙中建立施主能級，當(dāng)激發(fā)的電子從導(dǎo)帶跳回價帶時，首先跳到施主能級并被捕獲，電子先從捕獲陷阱中逸出，因此延遲了光子發(fā)射時間。7 7、 無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用無機材料的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用二、光發(fā)射材料二、光發(fā)射材料熒光與磷光熒光與磷光磷光體一般由基體和激活劑組成?；w常是硫化物(如CaS、SrS、BaS、ZnS等)，激發(fā)劑主要是金屬，又基質(zhì)選定，如ZnS最好的激活劑是Ag、Cu、Mn。如：黑白顯示器中使用發(fā)藍光的ZnS:Ag和發(fā)黃光的 (Z