第七講 光學(xué)材料

1、1第七講第七講 光學(xué)材料光學(xué)材料Optical Materials 主要內(nèi)容主要內(nèi)容發(fā)光材料發(fā)光材料 紅外光學(xué)材料紅外光學(xué)材料固體激光材料固體激光材料 光色材料光色材料 2 前言前言 光充滿著整個(gè)宇宙，各種星體都在發(fā)光：遠(yuǎn)紅外光、紅外光、可見光、紫外光，以及X射線等。 我們生活在光的世界里，整天都在和光打交道，白天靠日光，黑夜靠燈光，夜間在野外可能還要靠星光定方向。 要利用光，就要?jiǎng)?chuàng)造工具，就要有制造工具的材料光學(xué)材料。3太陽光太陽光星光星光燈光燈光 自然界中存在一些天然或合成的光學(xué)材料，如我國的夜明珠、發(fā)光壁；印度的蛇眼石、敘利亞的孔雀暖玉等。這些材料具有奇異的發(fā)光現(xiàn)象，能在無光的環(huán)境下放出

2、各種色澤的晶瑩光輝。由于這些光學(xué)材料稀有，因而被視為人間珍寶，其主要作用成了權(quán)力和財(cái)富的象征。4夜明珠夜明珠珍珠珍珠貓眼石貓眼石在春秋戰(zhàn)國時(shí)期，墨子就研究了光的傳播規(guī)律，接著出現(xiàn)了最古老的光學(xué)材料青銅反光鏡。17世紀(jì)，瑞士人紀(jì)南成功地熔制出光學(xué)玻璃，主要用于天文望遠(yuǎn)鏡。隨后，歐洲出現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡和三色棱鏡，人工制造的光學(xué)玻璃成為主要光學(xué)材料。19世紀(jì)和20世紀(jì)初是世界光學(xué)工業(yè)形成的主要時(shí)代，以望遠(yuǎn)鏡(包括天文望遠(yuǎn)鏡和軍用望遠(yuǎn)鏡)、顯微鏡、光譜儀以及物理光學(xué)儀器(包括很多種醫(yī)用光學(xué)儀器)四大類為主體，建立了光學(xué)工業(yè)。5青銅鏡青銅鏡望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡 光學(xué)材料在國民經(jīng)濟(jì)和人民生活中發(fā)揮重要作用。 最簡單的例

3、子，一副直徑5厘米左右的光學(xué)眼鏡片就能消除眼疾給人帶來的苦惱。 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人類生活等需要使用顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀、照相機(jī)、攝像機(jī)等各種光學(xué)儀器，核心部分都是由光學(xué)材料制造的光學(xué)零件。 光學(xué)材料已成為社會必不可少的功能材料之一。6望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)鏡攝相機(jī)攝相機(jī)眼鏡眼鏡 光學(xué)材料是傳輸光線的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線的方向、強(qiáng)度和位相，使光線按預(yù)定要求傳輸，也可吸收或透過一定波長范圍的光線而改變光線的光譜成分。 光學(xué)材料包括光纖材料、發(fā)光材料、紅外材料、激光材料和光色材料等。 光纖材料已在信息材料中介紹，主要介紹余下的幾種光學(xué)材料。7光學(xué)材料光學(xué)材料1、發(fā)光材料發(fā)光材

4、料8發(fā)光現(xiàn)象發(fā)光現(xiàn)象發(fā)光是物質(zhì)將某種方式吸收的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過程，是熱輻射外的另一種輻射現(xiàn)象。光子是固體中的電子在受激高能態(tài)返回較低能態(tài)時(shí)發(fā)射出來的。當(dāng)發(fā)出光子的能量在1.8-3.1eV時(shí)，便是可見光。材料發(fā)光所需吸收的能量可從較高能量的電磁輻射(如紫外光)中得到，也可從高能電子或熱能、機(jī)械能和化學(xué)能中得到。9極光現(xiàn)象極光現(xiàn)象熒光現(xiàn)象熒光現(xiàn)象 發(fā)光材料是指吸收光照，然后轉(zhuǎn)化為光的材料。 發(fā)光材料的晶格要具有結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)缺陷，材料才具有發(fā)光性能。 結(jié)構(gòu)缺陷是晶格間的空位等晶格缺陷，由其引起的發(fā)光稱為自激活發(fā)光。所以制備發(fā)光材料采用合適的基質(zhì)十分重要。 如果在基質(zhì)材料中有選擇地?fù)饺胛⒘侩s質(zhì)在

5、晶格中形成雜質(zhì)缺陷，由其引起的發(fā)光叫激活發(fā)光，摻入的微量雜質(zhì)一般都充當(dāng)發(fā)光中心，稱為激活劑。 實(shí)際應(yīng)用的發(fā)光材料大多是激活型發(fā)光材料。10材料發(fā)光時(shí)，吸收外界的能量，產(chǎn)生高能電子和空穴，它們經(jīng)過相互碰撞，又產(chǎn)生能量較低的電子及空穴。這個(gè)過程一直持續(xù)下去，直到電子的能量降到和發(fā)光體禁帶能量相匹配為止，期間發(fā)出光子產(chǎn)生光。11自然極光自然極光半導(dǎo)體發(fā)光半導(dǎo)體發(fā)光 發(fā)光的特征有三個(gè)：（1）發(fā)光材料的發(fā)光顏色彼此不同，都有它們各自特征。選用不同的發(fā)光材料以得到各種發(fā)光顏色。已有發(fā)光材料的種類很多，它們發(fā)光的顏色也足可覆蓋整個(gè)可見光的范圍。材料的發(fā)光光譜可分為下列3種類型： 寬帶：半寬度一100nm，如

6、CaWO4； 窄帶：半寬度一50nm，如Sr2(PO4)Cl:Eu3+； 線譜：半寬度一0.1nm，如GdVO4:Eu3+。 究竟一個(gè)材料的發(fā)光光譜屬于哪一類，這既與基質(zhì)有關(guān)，又與雜質(zhì)有關(guān)。12（2）發(fā)光的第二個(gè)特征是它的強(qiáng)度。 發(fā)光強(qiáng)度是隨激發(fā)強(qiáng)度而變的，通常用發(fā)光效率來表征材料的發(fā)光能力。 發(fā)光效率也同激發(fā)強(qiáng)度有關(guān)， 在激光未出現(xiàn)前，電子束的能量較高，強(qiáng)度也較大，所以一股不發(fā)光或發(fā)光很弱的材料，在陰極射線激發(fā)下則可發(fā)出可覺察的光或較強(qiáng)的光。激光出現(xiàn)后，因?yàn)榧す獾膹?qiáng)度可以107W/cm2，在它激發(fā)下很容易引起發(fā)光。13（3）發(fā)光的第三個(gè)特征是發(fā)光持續(xù)時(shí)間。 最初發(fā)光分為熒光及磷光兩種。熒光是

7、指在激發(fā)時(shí)發(fā)出的光，磷光是指在激發(fā)停止后發(fā)出的光。 瞬態(tài)光譜技術(shù)已經(jīng)把測量的范圍縮小到1ps(10-12s)以下，最快的脈沖光輸出已可短到8fs(1fs10-16s)，熒光及磷光的時(shí)間界限已不清楚。 發(fā)光總是延遲于激發(fā)。14熒光現(xiàn)象熒光現(xiàn)象磷光夜明珠磷光夜明珠 在應(yīng)用中硬性規(guī)定當(dāng)激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光亮度從J0衰減到J0的10時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間為余輝時(shí)間。 由此發(fā)光材料可以劃分為6個(gè)范圍： 極短余輝：1s； 短余輝：1-10s； 中短余輝：10-2-1ms； 中余輝：1-100ms； 長余輝：0.1-1s； 極長余輝：1s。15 自然界中很多物質(zhì)都或多或少的可以發(fā)光。比較有效的發(fā)光材料中有無機(jī)化合物，

8、也有有機(jī)化合物；有固體、液體，也有氣體。 從當(dāng)代的顯示技術(shù)所用的發(fā)光材料看，主要是無機(jī)化合物，而且主要是固體材料，少數(shù)氣體材料。16蝴蝶翅膀上的磷粉具有發(fā)光現(xiàn)象蝴蝶翅膀上的磷粉具有發(fā)光現(xiàn)象磷光蝦磷光蝦 固體材料中，又主要是禁帶寬度比較大的絕緣體，其次是半導(dǎo)體。 使用得最多的發(fā)光材料是粉末狀的多晶，其次是單晶和薄膜。 根據(jù)發(fā)光的類型，可把發(fā)光材料分為光致發(fā)光材料、陰極射線發(fā)光材料、X射線發(fā)光材料、場致發(fā)光材料、發(fā)光二極管等。17熒光二極管熒光二極管場致發(fā)光材料場致發(fā)光材料(ZnS:Cu,Mn)光致發(fā)光材料光致發(fā)光材料光致發(fā)光是指發(fā)光材料從較高能量的光輻射(如紫外光)中得到能量，擊發(fā)光子發(fā)光的現(xiàn)象

9、，A）光致發(fā)光材料主要是熒光粉。早期的熒光粉是MgWO4與(Zn、Be)2SiO4:Mn2+。將這兩種熒光粉進(jìn)行混合，可用于熒光燈中，涂在充滿汞的玻璃管內(nèi)側(cè)。汞在電場作用下放電產(chǎn)生紫外線，照射到熒光粉上，熒光粉吸收紫外線的能量，將其轉(zhuǎn)化為白光放出。18熒光燈熒光燈各色熒光粉各色熒光粉 發(fā)紅光的熒光粉有Y2O3：Eu3+，它可滿足作為發(fā)紅光熒光粉的所有條件， 發(fā)藍(lán)光的含Eu3+熒光粉 發(fā)綠光的離子是Tb3+。19Tb3+摻雜綠色熒光粉摻雜綠色熒光粉藍(lán)綠熒光粉末材料藍(lán)綠熒光粉末材料 B）蓄光型發(fā)光材料也是光致發(fā)光材料中的重要一種，它更注意其發(fā)光的衰減規(guī)律和熱釋光性能。將蓄光型發(fā)光材料可直接制成各種

10、制品應(yīng)用，如發(fā)光涂料、塑料膜板、纖維、陶瓷和玻璃等。20稀土長余輝蓄光材料標(biāo)示牌稀土長余輝蓄光材料標(biāo)示牌陰極射線發(fā)光材料陰極射線發(fā)光材料 陰極射線發(fā)光是在真空中從陰極出來的電子經(jīng)加速后轟擊熒屏所發(fā)出的光。發(fā)光區(qū)域只局限于電子所轟擊的區(qū)域附近：21掃描儀中的陰極射線管掃描儀中的陰極射線管陰極射線發(fā)光材料陰極射線發(fā)光材料22材料組成材料組成發(fā)光顏色發(fā)光顏色相對亮度相對亮度10%余輝余輝/ms用途用途Zn2SiO4:Mn綠95%95%0.5雙層顯示波管ZnO:Zn青白95%95%95%95%95%95%95%250雷達(dá)指示管ZnS:Ag藍(lán)95%95%95%95%95%1黑白顯像管使用陰極射線發(fā)光材料

11、時(shí)，除考慮它的亮度及影響亮度的幾種因素外，還必須選擇另外兩個(gè)重要特性，發(fā)光顏色及衰減。飛點(diǎn)掃描管要求發(fā)光的上升及衰減都很快，約10-7s。從發(fā)光中心看，Ce2+可滿足這個(gè)要求，Y2SiO3:Ce、Y3A15O12:Ce及它們的混合物的余輝約為10-7-10-8s。雷達(dá)顯示屏要求長余輝，一般采用雙層屏。在電子束轟擊下，電子束激發(fā)第一層材料ZnS:Ag，發(fā)出短余輝的藍(lán)光，它再激發(fā)第二層材料(Zn,Cd)S:Cu,Al，發(fā)射長余輝的黃光。23倒車?yán)走_(dá)顯示屏倒車?yán)走_(dá)顯示屏 陰極射線發(fā)光材料可用于制備陰極射線管，具有廣泛的用途。陰極射線管可大量用于制造彩色電視機(jī)的顯像管，對人們的生活造成巨大影響。陰極射

12、線管還可用于示波器、雷達(dá)以及特殊要求的顯示屏。發(fā)光亮度高的陰極射線管則可用于投影管、飛機(jī)上的平視儀及露天的大屏幕顯示等。24艦用雷達(dá)顯示屏艦用雷達(dá)顯示屏投影管投影管電視顯像管電視顯像管場致發(fā)光材料場致發(fā)光材料 半導(dǎo)體材料在外電場作用下，出現(xiàn)發(fā)光的現(xiàn)象稱為場致發(fā)光。 在一面電極為透明導(dǎo)電玻璃的平板式電容器中，放進(jìn)幾十m厚的混有介質(zhì)的發(fā)光粉，然后在兩個(gè)電極之間加上約百伏的電壓，就可從玻璃一面看到發(fā)光。25場致發(fā)光玻璃飾品場致發(fā)光玻璃飾品場致發(fā)光材料場致發(fā)光材料場致發(fā)光材料在交流電壓或直流電壓作用下都可發(fā)光。直流場致發(fā)光材料本身就是一個(gè)可傳導(dǎo)電流的半導(dǎo)體，最常用的直流場致發(fā)光粉末材料有ZnS:Mn,

13、Cu，亮度約350Cd/m2，發(fā)光效率為0.5lm/W；ZnS:Ag可以發(fā)出藍(lán)光；(ZnCd)S:Ag可以發(fā)出綠光，改變配比(ZnCd)S:Ag可以發(fā)出紅光。近年來還試用在CaS、SrS等基質(zhì)中摻雜稀土元素的直流場致發(fā)光材料。26藍(lán)色場致發(fā)光材料藍(lán)色場致發(fā)光材料黃色場致發(fā)光材料黃色場致發(fā)光材料紅色場致發(fā)光材料紅色場致發(fā)光材料交流場致發(fā)光的效率較高，可達(dá)15lm/W，場致發(fā)光的研究和應(yīng)用都以交流場致發(fā)光為主。當(dāng)前。薄膜場致發(fā)光材料最受人重視。它的機(jī)理和粉末材料中的過程一樣，只是它不需要介質(zhì)而且可在高頻電壓下工作，發(fā)光亮度很高，發(fā)光效率也高，而且壽命可達(dá)104h以上。27交流場致發(fā)光材料交流場致發(fā)

14、光材料發(fā)光材料發(fā)光材料發(fā)光顏色發(fā)光顏色發(fā)光光譜峰值發(fā)光光譜峰值/nmZnS:Cu淺藍(lán)455ZnS:Cu,Al綠510ZnS:Cu,Mn黃580(Zn,Cd) (S,Se):Cu橙紅650發(fā)光二極管材料發(fā)光二極管材料 發(fā)光二極管是輻射光的半導(dǎo)體二極管。施加正向電壓時(shí)，通過pn結(jié)分別把n區(qū)電子注入p區(qū)，p區(qū)空穴注入n區(qū)，電子和空穴復(fù)合發(fā)光，把電能直接轉(zhuǎn)換成光能。 發(fā)光二極管所用材料具有下述特性： 發(fā)光在可見光區(qū)，Eg1.8eV，700nm； 材料容易作成n型及p型； 有效率高的發(fā)光中心或復(fù)合發(fā)光； 效率降到初始值一半的時(shí)間要大于105h， 材料要能生長成單晶，并能規(guī)模生產(chǎn)且價(jià)廉。28發(fā)光二極管發(fā)光

15、二極管 發(fā)光二極管和器件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七彩原色的生產(chǎn)和應(yīng)用，并拓展到近紅外和近紫外范圍，如發(fā)紅光的GaAsP，發(fā)綠光的GaP等。 發(fā)光二極管的發(fā)光效率也提高上千倍?，F(xiàn)使用GaN基材料的二極管，可發(fā)出高亮度的白光，在20mA的電流下，發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到2Cd，能作為強(qiáng)光源使用。29各色發(fā)光二極管各色發(fā)光二極管作為強(qiáng)光源使用的發(fā)光二極管作為強(qiáng)光源使用的發(fā)光二極管 發(fā)光二極管最有前景的用途是照明。發(fā)光二極管照明具有高效、節(jié)能、環(huán)保、壽命長、易維護(hù)等特點(diǎn)，被認(rèn)為是進(jìn)入普通照明領(lǐng)域的一種新型固態(tài)冷光源。以發(fā)光二極管為主的半導(dǎo)體照明被譽(yù)為是人類照明史上繼白織燈、熒光燈之后的又一次革命。 發(fā)

16、光二極管也可做成指示器和數(shù)字顯示器，用于計(jì)算機(jī)、廣告、家用電器、車輛、交通信號及類似的儀表的顯示中。30照明用發(fā)光二極管照明用發(fā)光二極管X射線激發(fā)發(fā)光材料射線激發(fā)發(fā)光材料 發(fā)光材料在X射線照射下可發(fā)生康普頓效應(yīng)，也可吸收x射線它們都可產(chǎn)生高速的光電子。光電子又經(jīng)過非彈性碰撞，產(chǎn)生第一代、第三代電子。當(dāng)這些電子的能量接近發(fā)光躍遷所需能量時(shí)，就可以發(fā)出光。 X射線發(fā)光材料可使X光轉(zhuǎn)換為可見光，并顯示成像。31 根據(jù)對發(fā)光材料的要求，參照在其他激發(fā)方式下發(fā)光材料的性能，已研制出一系列X射線發(fā)光材料。32X射線發(fā)光材料射線發(fā)光材料發(fā)光材料發(fā)光材料發(fā)光波峰發(fā)光波峰/nm發(fā)光效率發(fā)光效率/(lm/W)Ca

17、WO44203ZnS:Ag45017ZnS,CdS:Ag53820CsI:Na41019BaSO4:Pb3504.5(Sr,Ba)SO4:Eu3808Ba3(PO4)2:Eu3751.5Y2O3S:Tb380，410，420，55018La2O3S:Tb490，544，588，62012.5 X射線發(fā)光材料使用較早而且應(yīng)用很大。它將X射線透過人體或物體后所形成的X射線潛像轉(zhuǎn)換成可見圖像。這種圖像可以用肉眼直接觀察，也可用膠片照相，還可用光電器件將它轉(zhuǎn)換成電信號后再處理。 用于x射線遠(yuǎn)視及照相； 由x射線像增強(qiáng)器和電視組成的X射線顯示系統(tǒng)； X射線掃描及計(jì)算機(jī)配合組成斷層分析系統(tǒng)，也就是常說的C

18、T系統(tǒng)。33醫(yī)用醫(yī)用CT系統(tǒng)系統(tǒng)等離子體發(fā)光等離子體發(fā)光等離子體發(fā)光是用氣體放電方法產(chǎn)生發(fā)光的顯示技術(shù)。等離子發(fā)光一般用氖氣為基質(zhì)，另外摻一些其他氣體，如氦氣、氫氣等。這類氣體發(fā)光都是橙紅色?，F(xiàn)代顯示技術(shù)趨向彩色化，人們求助于光致發(fā)光即在放電管的近旁涂上了發(fā)光粉。34等離子體發(fā)光材料等離子體發(fā)光材料2、紅外光學(xué)材料紅外光學(xué)材料35紅外線紅外線紅外線同可見光一樣都是電磁波，它的波長范圍很寬，從0.7m到1000m。紅外線按波長可分為三個(gè)光譜區(qū)：近紅外(0.7-15m)、中紅外(15-50m)和遠(yuǎn)紅外(50-1000m)紅外線同可見光一樣，具有波粒二象性，遵守光的反射和折射定律，在一定條件下產(chǎn)生干

19、涉和衍射現(xiàn)象。除非熾熱物體外，每種處于0K以上的物體均發(fā)射特征電磁波輻射，并主要位于電磁波譜的紅外區(qū)域。這個(gè)特征對于軍事觀察和測定肉眼看不見的物體具有特殊意義。36（1）紅外材料紅外材料 紅外材料是指能透過紅外線，并對不同波長紅外線具有不同透光率、折射率及色散的材料。 紅外材料主要是晶體，包括堿鹵化合物晶體、堿土-鹵族化合物晶體、氧化物晶體、無機(jī)鹽晶體及半導(dǎo)體晶體。一部分玻璃及高分子材料也可作為紅外材料。 A）單質(zhì)晶體：單質(zhì)的鍺、硅可作為紅外光學(xué)材料。Si的力學(xué)性能和抗熱沖擊性比鍺好，溫度影響也小，但硅折射率高，使用時(shí)需鍍增透膜以減少反射損失。37 B）堿鹵化合物晶體：堿鹵化合物晶體是一類離子

20、晶體，如LiF、NaF、KCl、KBr等。特點(diǎn)：這類晶體熔點(diǎn)不高，容易生成大單晶，具有較高的透過率和較寬的透過波段，但容易受潮、硬度低、力學(xué)強(qiáng)度差，應(yīng)用范圍受限。 C）堿土-鹵族化合物晶體：這類晶體如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等，特點(diǎn)：這類晶體具有較高的力學(xué)強(qiáng)度和硬度，幾乎不溶于水，適合制作窗口、濾光片、基板等方面。其中MgF2具有高于90的紅外透過率，是較為滿意的導(dǎo)彈鎮(zhèn)流罩透紅外窗口材料。38 D）氧化物晶體：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物熔點(diǎn)高、硬度大，化學(xué)穩(wěn)定性好，是優(yōu)良的紅外材料。A12O3陶瓷不只是透過近紅外，而且還可透過可見光，其熔點(diǎn)高達(dá)2050，稀有金

21、屬氧化是另外一類耐高溫的紅外光學(xué)材料，其中的代表是Y2O3。它們大都屬立方系，光學(xué)上是各向同性的，紅外散射損失很小。 E）無機(jī)鹽化合物晶體：主要有SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。Ba3Ta4O15是一種耐高溫的近紅外透光材料。金屬鉈的鹵化物晶體也是一類常用的紅外光學(xué)材料，這類玻璃具有很寬的透過波段，且只微溶于水，是一種適于在較低溫度下使用的良好的紅外窗口和透鏡材料。39F）半導(dǎo)體晶體：一些半導(dǎo)體晶體如PbS、BbSe、CdSe、CdTe、InSe等具有良好的紅外透過特性。HgCdTe材料是當(dāng)前最重要的紅外探測器材料，可覆蓋1-25m的紅外波段，是目前制備光伏列陣器件、焦平

22、面器件的主要材料。ZnS和ZnSe兩種晶體都具有較寬的紅外透過波段，是作遠(yuǎn)紅外導(dǎo)彈鎮(zhèn)流罩的候選材料。玻璃的光學(xué)均勻性好，易于加工成型便宜。缺點(diǎn)是透過波長較短，使用溫度低于500。紅外光學(xué)破璃主要有以下幾種：硅酸鹽玻璃、鋁酸鹽玻璃、鎵酸鹽玻璃、硫化合物玻璃等。塑料也可做紅外光學(xué)材料，但近紅外性能較差，多用于遠(yuǎn)紅外，如聚四氟乙烯、聚丙乙烯等。40（2）紅外材料的用途紅外材料的用途 紅外光學(xué)材料主要應(yīng)用于以下4個(gè)方面：1）輻射測量、光譜輻射測量：如非接觸溫度測量農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、地面勘察，探測焊接缺陷，微重力下熱流過程研究；2）對能量輻射物的搜索和跟蹤：如宇航裝置導(dǎo)航，火箭、飛機(jī)預(yù)警，遙控引爆管等；41紅

23、外測量紅外測量紅外遙控紅外遙控紅外警報(bào)器紅外警報(bào)器 3）紅外成像器件，夜視儀器、紅外顯微鏡等：用于紅外光學(xué)系統(tǒng)中的窗口、整流罩、透鏡棱鏡、濾光片、調(diào)制盤等，可用于火山、地震研究，腫瘤、中風(fēng)早期診斷，軍事上的偽裝識別，半導(dǎo)體元件和集成電路的質(zhì)量檢查等；42軍用紅外夜視儀軍用紅外夜視儀紅外顯微鏡紅外顯微鏡紅外窗口紅外窗口 4）通信和遙控：如宇宙飛船之間進(jìn)行視頻和音頻傳輸，海洋、陸地、空中目標(biāo)的距離和速度測量，這種紅外通信比其他通信(如無線電通訊)抗干擾性好也不干擾其他信息，保密性好，而且在大氣中傳播，波長愈長，損耗衰減愈小。43手機(jī)紅外通訊口手機(jī)紅外通訊口紅外通訊適配器紅外通訊適配器3、固體激光材

24、料固體激光材料44（1）激光激光材料中的原子可處于不同能量狀態(tài)。一個(gè)原子吸收外界能量后由低能態(tài)躍遷到高能態(tài)的過程稱為“激發(fā)”。處于高能態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，它可自發(fā)恢復(fù)到低能狀態(tài)，并伴隨有光的發(fā)射，這一過程叫自發(fā)輻射。處于高能態(tài)的原子發(fā)生自發(fā)輻射以前，受到外來能量為E2-E1的光子的刺激作用，可從E2躍遷到E1，同時(shí)輻射出一個(gè)與外來光子同頻率、同位相、同方向、同偏振態(tài)的光子，這一過程稱為受激輻射。45受激輻射受激輻射 用一個(gè)光子去激發(fā)位于高能級的電子或離子，使之放出光子，則受激發(fā)射產(chǎn)生的光就是激光。 如果使材料中多數(shù)能發(fā)生受激輻射的原子或離子都處于激發(fā)狀態(tài)，再用外界光感應(yīng)，使所有處于激發(fā)狀態(tài)的原

25、子和離子幾乎同時(shí)受激發(fā)射而回到低能態(tài)，這將發(fā)出強(qiáng)大的光束。因而激光具有強(qiáng)大的能量密度。46高能激光束高能激光束 激光較普通光具有三個(gè)突出特點(diǎn)：激光較普通光具有三個(gè)突出特點(diǎn)： 高度的方向性、亮度高；高度的方向性、亮度高； 單色性好；單色性好； 相干性好。相干性好。47發(fā)射的激光束發(fā)射的激光束紅寶石脈沖式激光器紅寶石脈沖式激光器激光器由3部分組成：產(chǎn)生激光的物質(zhì)，稱為激光工作物質(zhì)；激光產(chǎn)生的激勵(lì)裝置(如紅寶石激光器的激勵(lì)裝置是氙閃光燈)；供激光放大的諧振腔。紅寶石棒一端的鏡子對所要求的波長激光幾乎是100的反射，另一端的鏡子可讓激光部分透過。正是激光束在兩面平行的鏡子間來回反射，造成放大作用。48

26、（2）激光材料激光材料生產(chǎn)激光系統(tǒng)最重要的是激光工作物質(zhì)。激光工作物質(zhì)分為固體、液體和氣體激光工作物質(zhì)。固體激光器是最重要的一種，它不但激活離子密度大，振蕩頻帶寬并能產(chǎn)生譜線窄的光脈沖，而且具有良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能。固體激光工作物質(zhì)又分為晶體和玻璃兩種。49固體激光器固體激光器1）晶體激光材料晶體激光材料 絕大部分激光晶體是含有激活離子的熒光晶體。 按照晶體的組成分類:它們又可分為摻雜型激光晶體和自激活激光晶體兩類，其中前者占現(xiàn)有激光晶體的絕大部分。 摻雜型激光晶體由激活離子和基質(zhì)晶體兩部分組成。50摻雜激光晶體發(fā)射的激光束摻雜激光晶體發(fā)射的激光束A）激活離子：現(xiàn)有的激活離子主要有四

27、類，它們是過渡族金屬離子、三價(jià)稀土離子、二價(jià)稀土離子和錒系離子，常用的是前兩類，如下表所示。51金屬激活離子金屬激活離子離子離子Ti4+V2+Cr3+Mn2+Fe3+Co2+Ni2+Cu2+3d殼層殼層電子數(shù)電子數(shù)133567810離子半離子半徑徑/nm0.0670.0790.0620.0650.0640.0650.0690.096離子離子Pr3+Nd3+Sm4+Eu3+Dy4+Ho3+Er3+Tm4+Yb3+4f殼層殼層電子數(shù)電子數(shù)2356910111213離子半離子半徑徑/nm0.1140.1120.1090.1070.1030.1020.1000.0990.098B）基質(zhì)晶體：基質(zhì)晶體主

28、要是氧化物、含氧金屬酸化物和復(fù)合氟化物三大類。 氧化物和復(fù)合氧化物晶體：氧化物和復(fù)合氧化物基質(zhì)晶體通常熔點(diǎn)高、硬度大，物理化學(xué)性能穩(wěn)定，摻入三價(jià)激活離子不需要電荷補(bǔ)償，是研制最多、應(yīng)用最廣的一類基質(zhì)晶體，如Al2O3、Y2O3、La2O3、Gd2O3等。復(fù)合氧化物晶體有Y3Al5O12(YAG)、Gd3Al5O12(GAG)、Ho3Al5O12(HAG)、Y3Ga5O12(YGG)等。 Al2O3、Y3Al5O12（YAG）等氧化物晶體已獲得較為廣泛的應(yīng)用。52激光舞臺應(yīng)用激光舞臺應(yīng)用 含氧金屬酸化物晶體：這類材料是較早研究的激光晶體材料之一，均以三價(jià)稀土離子為激活離子，摻雜時(shí)需要考慮電荷補(bǔ)償

29、問題。如CdWO4、SrWO4、CaMoO4、SrMoO4、LiNbO4等晶體。 氟化物和復(fù)合氟化物晶體：氟化物熔點(diǎn)較氧化物晶體要低，晶體生長相對而言較容易，如CaF2、BaF2、MgF2、SrF2、MnF2、ZnF2等。它們大多需要在低溫下工作，因而現(xiàn)在較少應(yīng)用。532）激光玻璃激光玻璃玻璃中激活離子的發(fā)光性能不如在晶體中的好，如熒光譜線較寬，受激發(fā)射截面較低等。激光玻璃儲能大，基質(zhì)玻璃的性質(zhì)可按要求在很大范圍內(nèi)變化，而且制造工藝成熟、價(jià)格便宜，因而，激光玻璃在高功率激光系統(tǒng)、纖維激光器以及其他重復(fù)頻率不高的中小激光器中得到廣泛的應(yīng)用。激活離子：由于基質(zhì)玻璃配位場的作用，使極大部分3d過渡金

30、屬離子在玻璃中實(shí)現(xiàn)激光的可能性較少，而稀土離于由于5s和5p外層電子對4f電子的屏蔽作用，使它在玻璃中仍保持與自由離子相似的光譜特性，容易獲得較窄的熒光，因此激光玻璃中激活離子是以Nd3+離子為代表的三價(jià)稀土離子。54 基質(zhì)玻璃：玻璃中最早的激光輸出是由在摻釹鋇玻璃中實(shí)現(xiàn)的。以后為尋找性能更好的激光玻璃，對幾乎所有玻璃中Nd3+離子的發(fā)光性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的研究。在此基礎(chǔ)上，研制出許多品種釹激光玻璃。 硅酸鹽激光玻璃：Nd3+離子在硅酸鹽玻璃中發(fā)光量子效率高，熒光壽命較長。硅酸鹽玻璃化學(xué)穩(wěn)定性好，機(jī)械和熱機(jī)械性能優(yōu)越，制造工藝成熟。這些特點(diǎn)使摻釹硅酸鹽玻璃成為最早的并適于工業(yè)生產(chǎn)的激光玻璃。 稀土摻

31、雜的石英光纖是另一類型的硅酸鹽激光玻璃，除Nd離子外，Er2+、Er3+、Ho3+、Tb3+等稀土離子在單模石英光纖中都獲得了激光輸出。55 磷酸鹽激光玻璃：摻釹磷酸鹽玻璃具有受激發(fā)射截面大、發(fā)光量子效率高和非線性折射率低等優(yōu)點(diǎn)。通過調(diào)整玻璃組成還可獲得折射率溫度系數(shù)為負(fù)值、熱光穩(wěn)定的玻璃。典型的體系有BaO-Al2O3-P2O5和K2O-BaO-P2O5等。它們已用于高功率激光系統(tǒng)中。 氮化物激光玻璃：氮化物玻璃具有較強(qiáng)的離子鍵性，基質(zhì)對激活離子的作用較小發(fā)光量子效率高，激活離子的發(fā)光特性與離子晶體中較接近。56硅酸鹽激光玻璃硅酸鹽激光玻璃 氟化物激光玻璃：主要是氟鈹酸鹽玻璃和氟鋯酸鹽玻璃。氟鈹酸鹽玻璃光學(xué)性能十分友誼，但其劇毒，這給氟鈹酸鹽的玻璃制備和加工帶來很大的因難。氟鋯酸鹽玻璃是一種超低損耗紅外光纖材料，在中紅外區(qū)具有高的透過率。近年來它作為纖維激光器工作物質(zhì)得到了很大的發(fā)展，Nd3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等稀土離子在氟鋯酸鹽玻璃光纖中都獲得了激光輸出，在某些波段還可實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧激光輸出。573）半導(dǎo)體激光材料半導(dǎo)體激光材料 受激輻射的激發(fā)方式主要有三種：光輻照、電子轟擊和向p-n結(jié)注入電子，其中pn結(jié)注入電子是半導(dǎo)體產(chǎn)生激光的重要方式。 半導(dǎo)體激光器是固體激光器中重要的一類，又稱激光二級管。它是利用少數(shù)載流子注入產(chǎn)生受激發(fā)射