第四章(光學(xué)材料)

1、主要內(nèi)容：主要內(nèi)容：l激光材料l光纖材料l發(fā)光材料l紅外材料l液晶材料l光存儲(chǔ)材料第一節(jié)激光材料第一節(jié)激光材料一、激光的特性和激光器的基本結(jié)構(gòu)一、激光的特性和激光器的基本結(jié)構(gòu)l 激光的特性激光的特性定向性或準(zhǔn)直性好定向性或準(zhǔn)直性好一般光線是發(fā)散開(kāi)來(lái)的。一般光線是發(fā)散開(kāi)來(lái)的。波長(zhǎng)單一，即單色性好波長(zhǎng)單一，即單色性好一般光通常是由幾種不同頻率的光組成的。一般光通常是由幾種不同頻率的光組成的。具有相干性具有相干性激光的光波都是同相位的，可以互相增強(qiáng)，而一般光是非相干的。激光的光波都是同相位的，可以互相增強(qiáng)，而一般光是非相干的。強(qiáng)度大，亮度高。強(qiáng)度大，亮度高。激光的上述四個(gè)特性都很重要，每一個(gè)特性都能

2、開(kāi)發(fā)出許激光的上述四個(gè)特性都很重要，每一個(gè)特性都能開(kāi)發(fā)出許 多重要的應(yīng)用。多重要的應(yīng)用。第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 激光器的基本結(jié)構(gòu)激光器的基本結(jié)構(gòu)激光介質(zhì)激光介質(zhì)即激光材料。即激光材料。激勵(lì)裝置激勵(lì)裝置激光產(chǎn)生的能源，作用激光產(chǎn)生的能源，作用是把原子源源不斷地激勵(lì)是把原子源源不斷地激勵(lì)到高能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)到高能級(jí)上，實(shí)現(xiàn)“粒子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)數(shù)反轉(zhuǎn)”。激勵(lì)裝置也叫。激勵(lì)裝置也叫“泵浦泵浦”，它可以是光源，它可以是光源泵、電流泵，也可以是激泵、電流泵，也可以是激光器泵另一個(gè)激光器。光器泵另一個(gè)激光器。激光器的三個(gè)基本組成部分激光器的三個(gè)基本組成部分高高反反射射鏡鏡部部分分透透過(guò)過(guò)反

3、反向向鏡鏡第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料反饋系統(tǒng)反饋系統(tǒng)又稱諧振腔。通常由兩端各一個(gè)反射鏡組成，鏡子能將激光介質(zhì)所產(chǎn)又稱諧振腔。通常由兩端各一個(gè)反射鏡組成，鏡子能將激光介質(zhì)所產(chǎn)生的相干光反射回到介質(zhì)中，使其來(lái)回振蕩，光子就越積越多，產(chǎn)生生的相干光反射回到介質(zhì)中，使其來(lái)回振蕩，光子就越積越多，產(chǎn)生 “放放大大”的作用。的作用。二、固體激光器材料二、固體激光器材料 l 固體激光器材料應(yīng)具備的條件固體激光器材料應(yīng)具備的條件應(yīng)具有合適的光譜特性應(yīng)具有合適的光譜特性激發(fā)態(tài)吸收要小激發(fā)態(tài)吸收要小具有良好的光學(xué)均勻性和穩(wěn)定性具有良好的光學(xué)均勻性和穩(wěn)定性應(yīng)具有良好的物化性能應(yīng)具有良好的物化性能

4、l 固體激光工作物質(zhì)固體激光工作物質(zhì) 固體激光工作物質(zhì)由激活離子和基質(zhì)晶體兩部分構(gòu)成。固體激光工作物質(zhì)由激活離子和基質(zhì)晶體兩部分構(gòu)成。1 1、激活離子、激活離子（1 1）激活離子的作用）激活離子的作用實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激活離子在固體中提供亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，由光泵作用激發(fā)振蕩出一定波激活離子在固體中提供亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，由光泵作用激發(fā)振蕩出一定波長(zhǎng)的激光，即實(shí)現(xiàn)將低能級(jí)上的粒子長(zhǎng)的激光，即實(shí)現(xiàn)將低能級(jí)上的粒子“抽運(yùn)抽運(yùn)”到高能級(jí)上去。激活離子到高能級(jí)上去。激活離子是激光晶體的發(fā)光中心，激光的波長(zhǎng)即由激活離子的種類決定。是激光晶體的發(fā)光中心，激光的波長(zhǎng)即由激活離子的種類決定。第四章光學(xué)材料4.1

5、 4.1 激光材料激光材料（2 2）激活離子的種類）激活離子的種類 過(guò)渡金屬離子過(guò)渡金屬離子 TiTi3+3+、V V2+2+、CrCr3+3+、CoCo2+2+、NiNi2+2+和和CuCu+ +等，在不同晶體中，其光譜特性有等，在不同晶體中，其光譜特性有 很大差異。很大差異。 三價(jià)稀土離子三價(jià)稀土離子鑭系稀土元素鑭系稀土元素NdNd3+3+( (釹釹) )、PrPr3+3+( (鐠鐠) )、SmSm3+3+( (釤釤) )、EuEu3+3+( (銪銪) )、DyDy3+3+( (鏑鏑) )、 HoHo3+3+( (鈥鈥) )、ErEr3+3+( (鉺鉺) )、TmTm3+3+( (銩銩)

6、)和和YbYb3+3+( (鐿鐿) )等，以等，以NdNd3+3+最常見(jiàn)。對(duì)一般光最常見(jiàn)。對(duì)一般光 泵的吸收效率較低，因此應(yīng)采用敏化技術(shù)或提高摻雜濃度等措施來(lái)提泵的吸收效率較低，因此應(yīng)采用敏化技術(shù)或提高摻雜濃度等措施來(lái)提高效率。高效率。 二價(jià)稀土離子二價(jià)稀土離子SmSm2+2+、TmTm2+2+、ErEr2+2+和和DyDy2+2+等。有利于泵浦光的吸收，但不穩(wěn)定。等。有利于泵浦光的吸收，但不穩(wěn)定。 錒系離子錒系離子主要是主要是U U3+3+。由于有放射性，不易制備，使用不方便，實(shí)用較困難。由于有放射性，不易制備，使用不方便，實(shí)用較困難。 第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料YAG

7、: Nd（Y3Al5O12）KTP（KTiOPO4） CLBO（CsLiB6O12）2 2、基質(zhì)晶體、基質(zhì)晶體（1 1）基質(zhì)晶體的要求）基質(zhì)晶體的要求基質(zhì)晶體一般是單晶體，應(yīng)有良好的機(jī)械強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和較小基質(zhì)晶體一般是單晶體，應(yīng)有良好的機(jī)械強(qiáng)度、良好的導(dǎo)熱性和較小的光彈性，對(duì)產(chǎn)生激光的吸收應(yīng)接近零，且光學(xué)性能均勻。的光彈性，對(duì)產(chǎn)生激光的吸收應(yīng)接近零，且光學(xué)性能均勻?；|(zhì)晶體都是基質(zhì)晶體都是“寶石寶石”。一些常見(jiàn)的激光晶體一些常見(jiàn)的激光晶體第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料（2 2）基質(zhì)晶體的種類）基質(zhì)晶體的種類 氟化物晶體氟化物晶體 CaFCaF2 2、BaFBaF2 2、S

8、rFSrF2 2、LaFLaF3 3、MgFMgF2 2等，立方形晶體結(jié)構(gòu)。等，立方形晶體結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)：特點(diǎn)：熔點(diǎn)較低，易于生長(zhǎng)單晶。宜在低溫下工作，現(xiàn)應(yīng)用較少。熔點(diǎn)較低，易于生長(zhǎng)單晶。宜在低溫下工作，現(xiàn)應(yīng)用較少。適用的激活離子：適用的激活離子：錒系離子錒系離子U U3+3+，稀土元素，稀土元素SmSm3+3+、DyDy3+3+、TmTm3+3+、NdNd3+3+和過(guò)和過(guò) 渡金屬離子渡金屬離子CoCo2+2+、NiNi2+2+等。等。 含氧金屬酸化物晶體（陰離子絡(luò)合物）含氧金屬酸化物晶體（陰離子絡(luò)合物）CaWOCaWO4 4、CaMnOCaMnO4 4、LiNbOLiNbO4 4、Ca(POCa

9、(PO4 4) )3 3F F等。等。特點(diǎn)：特點(diǎn)：摻雜時(shí)需要電荷補(bǔ)償，是一種四能級(jí)機(jī)構(gòu)的工作物質(zhì)。摻雜時(shí)需要電荷補(bǔ)償，是一種四能級(jí)機(jī)構(gòu)的工作物質(zhì)。適用的激活離子：適用的激活離子：三價(jià)稀土離子。三價(jià)稀土離子。 金屬氧化物晶體金屬氧化物晶體如如AlAl2 2O O3 3、Y Y3 3AlAl5 5O O1212、ErEr2 2O O3 3、Y Y2 2O O3 3等。等。特點(diǎn)：特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度大、物理化學(xué)性能穩(wěn)定，應(yīng)用最廣泛。熔點(diǎn)高、硬度大、物理化學(xué)性能穩(wěn)定，應(yīng)用最廣泛。適用的激活離子：適用的激活離子：三價(jià)過(guò)渡金屬或三價(jià)稀土離子，如三價(jià)過(guò)渡金屬或三價(jià)稀土離子，如CrCr3+3+、NdNd3+3+

10、等。等。第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 紅寶石激光晶體（紅寶石激光晶體（AlAl2 2O O3 3:Cr:Cr3+3+） 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：晶體的物化性能好，硬度高，抗破壞能力強(qiáng)，同時(shí)對(duì)泵浦光的吸晶體的物化性能好，硬度高，抗破壞能力強(qiáng)，同時(shí)對(duì)泵浦光的吸收特性好，可在室溫條件下獲得收特性好，可在室溫條件下獲得694.3nm694.3nm的可見(jiàn)激光振蕩。的可見(jiàn)激光振蕩。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：屬三能級(jí)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生激光的閾值較高。屬三能級(jí)結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生激光的閾值較高。 工作原理：工作原理： 主要用途：主要用途： 激光器基礎(chǔ)研究、強(qiáng)光光學(xué)研究、激光光譜研究、激光照相和全息技激光器基礎(chǔ)研究、強(qiáng)光光學(xué)研究、激

11、光光譜研究、激光照相和全息技術(shù)、激光雷達(dá)與測(cè)距技術(shù)等。術(shù)、激光雷達(dá)與測(cè)距技術(shù)等。紅寶石激光器的基本構(gòu)造紅寶石激光器的基本構(gòu)造能能量量E0E3E2E1非輻射躍遷非輻射躍遷受激輻射躍遷受激輻射躍遷694.3nm紅寶石中鉻離子能級(jí)示意圖紅寶石中鉻離子能級(jí)示意圖第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 釹釔鋁石榴石激光晶體釹釔鋁石榴石激光晶體(YAG:Nd(YAG:Nd3+3+) ) 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 屬四能級(jí)系統(tǒng)，產(chǎn)生激光的閾值較低。屬四能級(jí)系統(tǒng)，產(chǎn)生激光的閾值較低。力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能良好。力學(xué)、熱學(xué)和光學(xué)性能良好。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 熒光壽命較短，熒光譜線較窄，工作熒光壽命較短，熒光譜線較窄，工作

12、粒子在激光躍遷到高能級(jí)上不易得到大粒子在激光躍遷到高能級(jí)上不易得到大量積累，激光儲(chǔ)能較低，以脈沖方式運(yùn)量積累，激光儲(chǔ)能較低，以脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸出激光脈沖的能量和峰值功率轉(zhuǎn)時(shí)，輸出激光脈沖的能量和峰值功率都受到限制。都受到限制。能能量量E0E3E1非輻射躍遷非輻射躍遷受激輻射躍遷受激輻射躍遷釹釔鋁石榴石激光晶體中釹釔鋁石榴石激光晶體中Nd+3的四能級(jí)系統(tǒng)示意圖的四能級(jí)系統(tǒng)示意圖E2主要用途：主要用途： 主要應(yīng)用于軍用激光測(cè)距儀和制導(dǎo)用激光照明器。這種激光器還是唯一能主要應(yīng)用于軍用激光測(cè)距儀和制導(dǎo)用激光照明器。這種激光器還是唯一能 在常溫下連續(xù)工作，且有較大功率的固體激光器。在常溫下連續(xù)工作，且

13、有較大功率的固體激光器。第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料三、半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)三、半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)l 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) + + + + + +- - - - - -反射鏡面反射鏡面（晶體劈開(kāi)面）（晶體劈開(kāi)面）激光束激光束激光束激光束電極電極空穴流空穴流電子流電子流活性區(qū)活性區(qū)p區(qū)區(qū)n區(qū)區(qū)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的條件半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光的條件 （1 1）利用電流注入的少數(shù)載流子復(fù)合時(shí)放出的能量須高效率變換為光。）利用電流注入的少數(shù)載流子復(fù)合時(shí)放出的能量須高效率變換為光。 一般必須是

14、直接帶隙半導(dǎo)體。一般必須是直接帶隙半導(dǎo)體。 （2 2）在引起反轉(zhuǎn)分布時(shí)要注入足夠濃度的載流子。）在引起反轉(zhuǎn)分布時(shí)要注入足夠濃度的載流子。 載流子濃度低于某一閾值，僅引起注入發(fā)光，但不會(huì)發(fā)生激光。載流子濃度低于某一閾值，僅引起注入發(fā)光，但不會(huì)發(fā)生激光。 （3 3）具備諧振器。）具備諧振器。 利用垂直于結(jié)面而且平行的二極管兩個(gè)側(cè)面作為反射鏡即可。利用垂直于結(jié)面而且平行的二極管兩個(gè)側(cè)面作為反射鏡即可。 小提示：小提示：直接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體又稱直接躍遷半導(dǎo)體，導(dǎo)帶的最小值和價(jià)帶的最大值均位于又稱直接躍遷半導(dǎo)體，導(dǎo)帶的最小值和價(jià)帶的最大值均位于布里淵區(qū)內(nèi)同一波數(shù)處的半導(dǎo)體，毋須聲子參與，其中自由

15、電子和空穴間能直接布里淵區(qū)內(nèi)同一波數(shù)處的半導(dǎo)體，毋須聲子參與，其中自由電子和空穴間能直接復(fù)合。它具有量子效率高的特點(diǎn)，復(fù)合。它具有量子效率高的特點(diǎn)，GaAsGaAs是一種典型的直接帶隙半導(dǎo)體。是一種典型的直接帶隙半導(dǎo)體。間接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體又稱間接躍遷半導(dǎo)體，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都不在布里淵區(qū)內(nèi)相又稱間接躍遷半導(dǎo)體，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都不在布里淵區(qū)內(nèi)相同波數(shù)處的半導(dǎo)體，其中自由電子和空穴間不能直接復(fù)合，必須有聲子參與才能同波數(shù)處的半導(dǎo)體，其中自由電子和空穴間不能直接復(fù)合，必須有聲子參與才能復(fù)合，量子效率低。復(fù)合，量子效率低。GaPGaP是此類半導(dǎo)體之一。是此類半導(dǎo)體之一。第四章光學(xué)材料4.1 4

16、.1 激光材料激光材料l 半導(dǎo)體激光器的工作原理半導(dǎo)體激光器的工作原理 半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的p-np-n結(jié)提供價(jià)帶的空穴和導(dǎo)帶的電子，結(jié)提供價(jià)帶的空穴和導(dǎo)帶的電子，利用它們?cè)竭^(guò)帶隙的復(fù)合而釋放出光，這時(shí)，如利用它們?cè)竭^(guò)帶隙的復(fù)合而釋放出光，這時(shí)，如進(jìn)行泵浦和光學(xué)諧振，便可以實(shí)現(xiàn)受激輻射。進(jìn)行泵浦和光學(xué)諧振，便可以實(shí)現(xiàn)受激輻射。 圖圖a：電子與空穴自發(fā)復(fù)合，并放出一個(gè)光子電子與空穴自發(fā)復(fù)合，并放出一個(gè)光子圖圖b：電子與空穴受激復(fù)合，放出兩個(gè)光子電子與空穴受激復(fù)合，放出兩個(gè)光子圖圖c：能量、相位相同的兩個(gè)光子射向右邊并被反射回來(lái)能量、相位相同的兩個(gè)光子射向右邊并被反射回來(lái) 圖圖d：光子來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí)，激發(fā)

17、出越來(lái)越多的光子光子來(lái)回運(yùn)動(dòng)時(shí)，激發(fā)出越來(lái)越多的光子圖圖e：形成相干的光束形成相干的光束圖圖f：一部分激光束就被引導(dǎo)出來(lái)一部分激光束就被引導(dǎo)出來(lái)半導(dǎo)體激光發(fā)射原理半導(dǎo)體激光發(fā)射原理第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 半導(dǎo)體激光材料及典型的半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光材料及典型的半導(dǎo)體激光器熱池?zé)岢亟饘俳饘偌す馐す馐蚱珘赫蚱珘篠iO2P摻雜摻雜GaAsP摻雜摻雜GaAlAsAlAsN摻雜摻雜GaAlAsN摻雜摻雜GaAs多層異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器多層異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器金屬金屬AlxGa1-xAsAlxGa1-xAsGaAs鏡面鏡面npp電流電流雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器件的結(jié)構(gòu)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)

18、體激光器件的結(jié)構(gòu)第四章光學(xué)材料4.1 4.1 激光材料激光材料第二節(jié)光纖材料第二節(jié)光纖材料光纖，光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。光纖，光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱。光纖通信是將記錄著聲音等的電信號(hào)變成光信號(hào)，然后通過(guò)光纖把光信光纖通信是將記錄著聲音等的電信號(hào)變成光信號(hào)，然后通過(guò)光纖把光信號(hào)傳輸?shù)綄?duì)方，最后又將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的通信技術(shù)。光纖通信具有號(hào)傳輸?shù)綄?duì)方，最后又將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的通信技術(shù)。光纖通信具有容量大、無(wú)電磁場(chǎng)干擾、保密性好、節(jié)省電纜中銅資源等優(yōu)點(diǎn)。容量大、無(wú)電磁場(chǎng)干擾、保密性好、節(jié)省電纜中銅資源等優(yōu)點(diǎn)。激光是人類期待已久的信號(hào)載體，怎樣才能把激光傳送出去？激光是人類期待已久的信號(hào)載體，怎樣才能把激光傳送

19、出去？19581958年，英國(guó)科學(xué)家提出利用光纖的設(shè)想，但限于當(dāng)時(shí)玻璃的透光度太年，英國(guó)科學(xué)家提出利用光纖的設(shè)想，但限于當(dāng)時(shí)玻璃的透光度太差，如果用來(lái)傳輸激光，其傳輸損耗高達(dá)約差，如果用來(lái)傳輸激光，其傳輸損耗高達(dá)約1000dB/km1000dB/km。19661966年，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電訊研究所的英籍華人工程師高琨，論證了把光纖的年，英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電訊研究所的英籍華人工程師高琨，論證了把光纖的光學(xué)損耗降低到光學(xué)損耗降低到20dB/km20dB/km以下的可能性。以下的可能性。20092009年高琨獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。年高琨獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。19701970年，美國(guó)康寧公司拉制出世界上第一根低損耗二氧化硅玻璃

20、光纖，年，美國(guó)康寧公司拉制出世界上第一根低損耗二氧化硅玻璃光纖，損耗低于損耗低于20dB/km20dB/km。十多年后，二氧化硅玻璃光纖的損耗約十多年后，二氧化硅玻璃光纖的損耗約0.2dB/km0.2dB/km，幾乎達(dá)到了材料的本，幾乎達(dá)到了材料的本征光學(xué)損耗（理論損耗值為征光學(xué)損耗（理論損耗值為0.18dB/km0.18dB/km）。）。第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料纖芯纖芯（高石英玻璃）（高石英玻璃）包層包層（有損耗石英玻璃）（有損耗石英玻璃）光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖光纖橫截面結(jié)構(gòu)示意圖一、光纖的結(jié)構(gòu)一、光纖的結(jié)構(gòu) 光纖是用高透明介電材料制成的非常細(xì)的低損耗導(dǎo)光纖維，外徑約光纖

21、是用高透明介電材料制成的非常細(xì)的低損耗導(dǎo)光纖維，外徑約為為125125200200 m m。 光纖具有束縛和傳輸從紅外到可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的光的功能，也具有傳光纖具有束縛和傳輸從紅外到可見(jiàn)光區(qū)域內(nèi)的光的功能，也具有傳感功能。感功能。 一般通信用光纖本身由纖芯和包層構(gòu)成。一般通信用光纖本身由纖芯和包層構(gòu)成。二次被覆層（尼龍）二次被覆層（尼龍） 900 m 緩沖層（硅樹(shù)脂）緩沖層（硅樹(shù)脂）400 m 一次被覆層（變性硅）一次被覆層（變性硅）100150 m光纖光纖三層結(jié)構(gòu)芯線光纖示意圖三層結(jié)構(gòu)芯線光纖示意圖第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料二、光導(dǎo)原理二、光導(dǎo)原理l 光的全反射現(xiàn)象光的全反射

22、現(xiàn)象 根據(jù)折射定律：根據(jù)折射定律： 當(dāng)當(dāng) 1 1逐漸增大到臨界角逐漸增大到臨界角 c c時(shí)，時(shí)， 2 2變?yōu)樽優(yōu)?/2/2，此時(shí)光不再進(jìn)入折射率，此時(shí)光不再進(jìn)入折射率為為n n2 2的包層中，而是全部返回到纖的包層中，而是全部返回到纖芯中來(lái)，此即光的全反射。芯中來(lái)，此即光的全反射。按光的全反射原理，光將在光纖按光的全反射原理，光將在光纖的纖芯中沿鋸齒狀路徑曲折前進(jìn)，的纖芯中沿鋸齒狀路徑曲折前進(jìn)，而不穿出包層，從而完全避免了光而不穿出包層，從而完全避免了光在傳輸過(guò)程中的折射損耗。在傳輸過(guò)程中的折射損耗。 1 c 2光密物質(zhì)光密物質(zhì)n1光疏物質(zhì)光疏物質(zhì)n2n1 n2光的全反射原理光的全反射原理12

23、21sinsinnnn1n2折射率折射率 n1 n2光在光纖中的傳輸路徑光在光纖中的傳輸路徑第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料l 光的傳輸模式光的傳輸模式 具有一定頻率、一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模具有一定頻率、一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式，或稱為光的一種波型。式，或稱為光的一種波型。 傳輸模式是光纖最基本的傳輸特性之一。傳輸模式是光纖最基本的傳輸特性之一。 兩種模式的光纖：兩種模式的光纖：?jiǎn)文９饫w：?jiǎn)文９饫w：直徑僅直徑僅310 m，與光波的波長(zhǎng)相近，只允許傳輸一個(gè)模式的光波。，與光波的波長(zhǎng)相近，只允許傳輸一個(gè)模式的光波。多模光纖：多模光纖：直

24、徑為幾十至上百微米，允許同時(shí)傳輸多個(gè)模式的光波。直徑為幾十至上百微米，允許同時(shí)傳輸多個(gè)模式的光波。第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料三、光纖的傳輸特性三、光纖的傳輸特性光纖的傳輸特性通常用通過(guò)光纖的光脈沖質(zhì)量的劣化程度來(lái)表示。光纖的傳輸特性通常用通過(guò)光纖的光脈沖質(zhì)量的劣化程度來(lái)表示。l 傳輸損耗傳輸損耗Q Q 傳輸損耗傳輸損耗Q Q ( (包括吸收損耗和散射損耗包括吸收損耗和散射損耗) )是指光在光纖傳輸途中的損耗：是指光在光纖傳輸途中的損耗：I I0 0入射光強(qiáng)度，入射光強(qiáng)度，I I 出射光強(qiáng)度，出射光強(qiáng)度，Q Q 傳輸損耗。傳輸損耗。Q Q 值是衡量光學(xué)纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一

25、個(gè)最重要的指標(biāo)。值是衡量光學(xué)纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一個(gè)最重要的指標(biāo)。l 光學(xué)色散光學(xué)色散光學(xué)色散影響光纖傳輸帶寬，包括材料色散、模式色散和構(gòu)造色散。光學(xué)色散影響光纖傳輸帶寬，包括材料色散、模式色散和構(gòu)造色散。由光學(xué)損耗引起的光脈沖振幅衰減由光學(xué)損耗引起的光脈沖振幅衰減由光學(xué)色散引起的光脈沖失真由光學(xué)色散引起的光脈沖失真 IIQ0log10 （dB/km）第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料四、光纖材料的種類四、光纖材料的種類l 按纖芯折射率按纖芯折射率光纖光纖階躍型光纖階躍型光纖梯度型光纖梯度型光纖多模光纖多模光纖單模光纖單模光纖包層包層包層包層包層包層包層包層包層包層包層包層纖芯纖

26、芯纖芯纖芯ABCABCA折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布a)n2 n1n2 n1n2 n1b)c)光纖的種類和光的傳播光纖的種類和光的傳播a) 階躍型多模光纖（階躍型多模光纖（SI光纖）光纖）b) 梯度型多模光纖（梯度型多模光纖（GI光纖）光纖）c) 單模光纖（單模光纖（SM光纖）光纖）第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料l 按材料組分按材料組分l 按傳輸模數(shù)按傳輸模數(shù)l 從傳感角度從傳感角度光纖光纖石英玻璃光纖石英玻璃光纖多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖塑料（聚合物）光纖塑料（聚合物）光纖光纖光纖多模光纖多模光纖單模光纖單模光纖光纖光纖傳輸光纖傳輸光纖功能光

27、纖功能光纖第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料五、光纖材料及制造五、光纖材料及制造l 石英玻璃光纖石英玻璃光纖（1 1）石英預(yù)制棒的）石英預(yù)制棒的MCVDMCVD法制備法制備 制成的石英預(yù)制棒外徑一般在制成的石英預(yù)制棒外徑一般在10mm以上。以上。 制備石英玻璃預(yù)制棒制備石英玻璃預(yù)制棒 拉絲拉絲氣態(tài)原料氣態(tài)原料廢氣廢氣石英管石英管氫氧焰氫氧焰玻璃微粒玻璃微粒MCVD法制備石英預(yù)制棒法制備石英預(yù)制棒2224Cl2SiOOSiCl2224Cl2OeGOGeCl25223Cl6OP2O34POCl23223Br6OBO34BBr載氣：超純載氣：超純O O2 2原料氣：超純?cè)蠚猓撼僑iC

28、lSiCl4 4摻雜劑：摻雜劑：GeClGeCl4 4、BBrBBr3 3、POClPOCl3 3GeOGeO2 2增大折射率，增大折射率，P P2 2O O5 5和和B B2 2O O3 3減小折射率減小折射率 第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料（2 2）拉絲工藝）拉絲工藝 石英預(yù)制棒石英預(yù)制棒加熱爐加熱爐線徑測(cè)定儀線徑測(cè)定儀線徑線徑控制電路控制電路卷筒卷筒硬化部分硬化部分塑料涂覆部分塑料涂覆部分拉絲裝置拉絲裝置光纖拉出時(shí)保持折射率的分布光纖拉出時(shí)保持折射率的分布從加熱爐上方插入預(yù)制棒，在從加熱爐上方插入預(yù)制棒，在18001800 C C左右加熱熔化頂端，在下方卷繞纖維。左右加熱

29、熔化頂端，在下方卷繞纖維。直徑從預(yù)制棒到纖維急劇減小，但斷面直徑從預(yù)制棒到纖維急劇減小，但斷面折射率分布保持原樣。折射率分布保持原樣。MCVDMCVD法制備出的是梯度型光纖。法制備出的是梯度型光纖。第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料l 多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖 組成：組成：主要成分主要成分SiOSiO2 2，另含有，另含有NaNa2 2O O、K K2 2O O、CaOCaO、B B2 2O O3 3、TiOTiO2 2等。等。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：光纖材料熔點(diǎn)低，制作設(shè)備簡(jiǎn)光纖材料熔點(diǎn)低，制作設(shè)備簡(jiǎn)單，可制成幾十千米的長(zhǎng)纖維。但損單，可制成幾十千米的長(zhǎng)纖維。但損耗較大（耗較大（4 4

30、7dB/km)7dB/km)，光通信上極少，光通信上極少采用。采用。 制備：制備：雙坩堝法雙坩堝法 應(yīng)用：應(yīng)用：對(duì)損耗要求不是非常苛刻的傳對(duì)損耗要求不是非?？量痰膫鞲衅?。感器。雙坩堝法一般制成的是階躍型光纖。雙坩堝法一般制成的是階躍型光纖。坩堝坩堝纖芯用玻璃纖芯用玻璃包層用玻璃包層用玻璃加熱器加熱器纖維纖維采用雙坩堝的拉絲法采用雙坩堝的拉絲法第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料l 聚合物光纖聚合物光纖 聚合物光纖是以透明聚合物（或石英玻璃）為纖芯，用比纖芯折射聚合物光纖是以透明聚合物（或石英玻璃）為纖芯，用比纖芯折射率低的聚合物為包層所組成的能傳輸光線的纖維。率低的聚合物為包層所組成

31、的能傳輸光線的纖維。 組成：組成：纖芯用聚甲基丙烯酸甲酯纖芯用聚甲基丙烯酸甲酯( (有機(jī)玻璃，有機(jī)玻璃，PMMA)PMMA)或聚苯乙烯或聚苯乙烯(PS)(PS)，包層用含氟聚合物。包層用含氟聚合物。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：可撓性好、質(zhì)輕、加工容易。但耐熱性和耐候性較差、傳輸損可撓性好、質(zhì)輕、加工容易。但耐熱性和耐候性較差、傳輸損耗較大、頻帶窄。耗較大、頻帶窄。l 晶體光纖晶體光纖有單晶與多晶兩類。主要有有單晶與多晶兩類。主要有YAGYAG（Y Y3 3AlAl5 5O O1212）系、）系、YAPYAP（YAlOYAlO3 3）系、）系、AlAl2 2O O3 3系、系、LNLN（LiNbLiNb2 2

32、O O3 3）系、）系、LBOLBO（LiBLiB3 3O O5 5）系、）系、BSOBSO（BiBi1212SiOSiO2020）系和）系和鹵化物系等晶體光纖。鹵化物系等晶體光纖。優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：具有更寬的紅外波段窗口、與普通光纖良好的耦合性能。具有更寬的紅外波段窗口、與普通光纖良好的耦合性能。 第四章光學(xué)材料4.2 4.2 光纖材料光纖材料六、光纖材料的應(yīng)用及展望六、光纖材料的應(yīng)用及展望l 光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用 光學(xué)纖維潛望鏡、自準(zhǔn)直系統(tǒng)、平像場(chǎng)器、光學(xué)纖維換向器。光學(xué)纖維潛望鏡、自準(zhǔn)直系統(tǒng)、平像場(chǎng)器、光學(xué)纖維換向器。l 光電系統(tǒng)中的應(yīng)用光電系統(tǒng)中的應(yīng)用 像增強(qiáng)器、像增強(qiáng)器、X射線

33、像增強(qiáng)器、陰極射線管和變像管。射線像增強(qiáng)器、陰極射線管和變像管。l 傳感技術(shù)中的應(yīng)用傳感技術(shù)中的應(yīng)用 各種光纖傳感器，如光纖聲、光纖磁、光纖溫度、光纖網(wǎng)絡(luò)和光纖輻射各種光纖傳感器，如光纖聲、光纖磁、光纖溫度、光纖網(wǎng)絡(luò)和光纖輻射傳感器。傳感器。l 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用 內(nèi)窺鏡，如腹腔鏡、胃鏡等，以及內(nèi)窺鏡，如腹腔鏡、胃鏡等，以及“光刀光刀”，用于診斷和手術(shù)。，用于診斷和手術(shù)。l 通信技術(shù)中的應(yīng)用通信技術(shù)中的應(yīng)用 光纖通信具有容量大，抗干擾，保密性好，重量輕、抗潮濕和抗腐蝕等光纖通信具有容量大，抗干擾，保密性好，重量輕、抗潮濕和抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)。l 未來(lái)的光纖未來(lái)的光纖第四章光學(xué)材料

34、4.2 4.2 光纖材料光纖材料發(fā)光材料發(fā)光材料光致發(fā)光材料光致發(fā)光材料電致發(fā)光材料電致發(fā)光材料射線致發(fā)光材料射線致發(fā)光材料等離子發(fā)光材料等離子發(fā)光材料 第三節(jié)發(fā)光材料第三節(jié)發(fā)光材料發(fā)光材料是當(dāng)代顯示技術(shù)和新型光源領(lǐng)域中的一類重要功能材料。發(fā)光材料是當(dāng)代顯示技術(shù)和新型光源領(lǐng)域中的一類重要功能材料。有效的發(fā)光材料，都要進(jìn)行摻雜，這些雜質(zhì)是發(fā)光材料中的發(fā)光中心。有效的發(fā)光材料，都要進(jìn)行摻雜，這些雜質(zhì)是發(fā)光材料中的發(fā)光中心。常用的雜質(zhì)有過(guò)渡族元素、類汞元素、重金屬及稀土元素等。常用的雜質(zhì)有過(guò)渡族元素、類汞元素、重金屬及稀土元素等。 發(fā)光材料的類別：發(fā)光材料的類別：第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材

35、料發(fā)光材料一、光致發(fā)光材料一、光致發(fā)光材料 光致發(fā)光：光致發(fā)光： 光致發(fā)光是用紫外光、可見(jiàn)光及紅外光激發(fā)發(fā)光材料而產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)光致發(fā)光是用紫外光、可見(jiàn)光及紅外光激發(fā)發(fā)光材料而產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象，即在光照射下激發(fā)的發(fā)光。這種發(fā)光材料稱為光致發(fā)光材料。象，即在光照射下激發(fā)的發(fā)光。這種發(fā)光材料稱為光致發(fā)光材料。l 熒光材料熒光材料 熒光效率：熒光效率：吸收光轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒獾陌俜謹(jǐn)?shù)。吸收光轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒獾陌俜謹(jǐn)?shù)。 熒光效率與激發(fā)光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，各波長(zhǎng)的吸收與發(fā)射之比為一常數(shù)。熒光效率與激發(fā)光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，各波長(zhǎng)的吸收與發(fā)射之比為一常數(shù)。 熒光強(qiáng)度和激發(fā)光強(qiáng)度關(guān)系密切，在一定范圍內(nèi)，激發(fā)光越強(qiáng)，熒光熒光強(qiáng)度和激發(fā)光強(qiáng)度關(guān)系

36、密切，在一定范圍內(nèi)，激發(fā)光越強(qiáng)，熒光也越強(qiáng)。也越強(qiáng)。 熒光強(qiáng)度等于吸收光強(qiáng)度乘以熒光效率。熒光強(qiáng)度等于吸收光強(qiáng)度乘以熒光效率。 熒光產(chǎn)生的條件：熒光產(chǎn)生的條件：分子必須在激發(fā)態(tài)有一定穩(wěn)定性，即能持續(xù)約分子必須在激發(fā)態(tài)有一定穩(wěn)定性，即能持續(xù)約10108 8s s。多數(shù)分子不具備這一條件，它們?cè)跓晒獍l(fā)射以前就以其他形式釋放了多數(shù)分子不具備這一條件，它們?cè)跓晒獍l(fā)射以前就以其他形式釋放了所吸收的能量。只有具備共軛鍵系統(tǒng)的分子才能使激發(fā)態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定所吸收的能量。只有具備共軛鍵系統(tǒng)的分子才能使激發(fā)態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定而發(fā)射熒光。而發(fā)射熒光。第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料熒光材料的種類：熒光材料

37、的種類： 熒光材料大多數(shù)是以苯環(huán)為基的芳香族化合物和雜環(huán)化合物，主要由熒光材料大多數(shù)是以苯環(huán)為基的芳香族化合物和雜環(huán)化合物，主要由熒光色素和溶劑組成。如：酚、蒽、熒光素、羅達(dá)明、熒光色素和溶劑組成。如：酚、蒽、熒光素、羅達(dá)明、9-9-氫基吖啶、熒氫基吖啶、熒光染料以及某些液晶。光染料以及某些液晶。某些熒光材料和它們的熒光效率某些熒光材料和它們的熒光效率熒光色素?zé)晒馍厝軇┤軇晒庑薀晒庑薀晒馑責(zé)晒馑?.1 mol/L NaOH0.92熒光素?zé)晒馑豴H 7.0的水的水0.65羅達(dá)明羅達(dá)明甲醇甲醇0.979氫基吖啶氫基吖啶水水0.98酚酚水水0.22蒽蒽苯苯0.29第四章光學(xué)材料4.3 4.3

38、 發(fā)光材料發(fā)光材料l 磷光材料磷光材料 磷光材料的主要組成是基質(zhì)和激活劑兩部分。磷光材料的主要組成是基質(zhì)和激活劑兩部分。 基質(zhì)的種類：基質(zhì)的種類： 族金屬的硫化物、氧化物、硒化物、氟化物、磷酸鹽、硅酸鹽和鎢族金屬的硫化物、氧化物、硒化物、氟化物、磷酸鹽、硅酸鹽和鎢酸鹽等。酸鹽等。 典型基質(zhì)：典型基質(zhì)： ZnSZnS、BaSBaS、CaSCaS、CaSiOCaSiO3 3、CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2、CaWOCaWO4 4、ZnSiOZnSiO3 3、Y Y3 3SiOSiO3 3。激活劑的種類：激活劑的種類： 多為重金屬。針對(duì)不同的基質(zhì)應(yīng)選擇不同的激活劑。多為重金屬。針對(duì)不同

39、的基質(zhì)應(yīng)選擇不同的激活劑。 例如：例如： ZnSZnS、CdSCdS作為基質(zhì)，則作為基質(zhì)，則AgAg、CuCu、MnMn是最好的激活劑。是最好的激活劑。 堿土磷光材料，除堿土磷光材料，除AgAg、CuCu、MnMn外，外，BiBi、PbPb和稀土等可作為其激活劑。和稀土等可作為其激活劑。第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料某些較重要的燈用熒光粉某些較重要的燈用熒光粉基質(zhì)基質(zhì)分子式分子式激活劑激活劑發(fā)光顏色發(fā)光顏色硅酸鋅硅酸鋅Zn2SiO4錳錳綠綠硅酸鈣硅酸鈣CaSiO3鉛、錳鉛、錳粉紅粉紅鹵磷酸鈣鹵磷酸鈣Ca(PO4)3(FCl)銻、錳銻、錳藍(lán)到粉紅藍(lán)到粉紅磷酸鍶鎂磷酸鍶鎂(SrMg

40、)3(PO4)2錫錫淡紅白淡紅白磷酸鋇鈦磷酸鋇鈦Ba4Ti(PO4)4藍(lán)白藍(lán)白鎢酸鈣鎢酸鈣CaWO4深藍(lán)深藍(lán)鎢酸鎂鎢酸鎂MgWO4淡藍(lán)淡藍(lán)鎵酸鎂鎵酸鎂MgGa2O4錳錳藍(lán)綠藍(lán)綠氟鍺酸鎂氟鍺酸鎂Mg4GeO6MgF2錳錳深紅深紅氟砷酸鎂氟砷酸鎂Mg6As2O11MgF2錳錳深紅深紅氧化釔氧化釔Y2O3銪銪紅紅釩酸釔釩酸釔YVO4銪銪紅紅鋁酸鎂鋁酸鎂RMgAl11O19(R=鈰、鋱鈰、鋱)銪銪綠綠鋁酸鋇鎂鋁酸鋇鎂BaMg2 Al16O27銪銪藍(lán)藍(lán)第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料1 1、鹵磷酸鹽熒光粉、鹵磷酸鹽熒光粉 鹵磷酸鹽（鹵磷酸鹽（Ca(POCa(PO4 4) )3 3(FCl)

41、(FCl)）是以銻、錳為激活劑的一種含鹵素堿土熒光粉。）是以銻、錳為激活劑的一種含鹵素堿土熒光粉。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：發(fā)光的顏色可通過(guò)改變基質(zhì)中的氟氯比例或調(diào)整錳的濃度來(lái)控制。發(fā)光的顏色可通過(guò)改變基質(zhì)中的氟氯比例或調(diào)整錳的濃度來(lái)控制。 轉(zhuǎn)換紫外線為可見(jiàn)光的效率較高，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能維持其發(fā)光特性。轉(zhuǎn)換紫外線為可見(jiàn)光的效率較高，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)能維持其發(fā)光特性。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：不能同時(shí)獲得高亮度與較好的顯色性，即光效和光色不能同時(shí)兼顧。不能同時(shí)獲得高亮度與較好的顯色性，即光效和光色不能同時(shí)兼顧。2 2、稀土三基色熒光粉、稀土三基色熒光粉稀土三基色熒光粉由紅粉、綠粉、藍(lán)粉按一定比例混合而成。稀土三基色熒光粉由紅粉、綠粉

42、、藍(lán)粉按一定比例混合而成。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：可同時(shí)兼顧光效和光色，且能夠耐高負(fù)荷、耐高溫。可同時(shí)兼顧光效和光色，且能夠耐高負(fù)荷、耐高溫。v 紅粉：紅粉：典型代表：典型代表：Y Y2 2O O3 3:Eu:Eu3+3+。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：效率高、色純度好、光衰性能穩(wěn)定。效率高、色純度好、光衰性能穩(wěn)定。v 綠粉：綠粉：MgAlMgAl1111O O1919:Ce:Ce3+3+、TbTb3+3+，Y Y2 2SiOSiO4 4:Ce:Ce3+3+、TbTb3+3+，LaPOLaPO4 4:Ce:Ce3+3+、TbTb3+3+， GdMgBGdMgB5 5O O1010:Ce:Ce3+3+、TbTb3+3+等

43、等v 藍(lán)粉：藍(lán)粉：鋁酸鹽體系、鹵磷酸鹽體系。鋁酸鹽體系、鹵磷酸鹽體系。 SrSr1010(PO(PO4 4) )6 6ClCl2 2:Eu:Eu2+2+，(SrCa)(SrCa)1010(PO(PO4 4) )6 6C Cl2l2:Eu:Eu2+2+，(SrCaBa)(SrCaBa)1010(PO(PO4 4) )6 6C Cl2l2:Eu:Eu2+2+。第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料l 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料 上轉(zhuǎn)換發(fā)光：上轉(zhuǎn)換發(fā)光： 發(fā)光體在紅外光的激發(fā)下，發(fā)射可見(jiàn)光，這種現(xiàn)象稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光，發(fā)光體在紅外光的激發(fā)下，發(fā)射可見(jiàn)光，這種現(xiàn)象稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光，這種發(fā)光體稱為上

44、轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。這種發(fā)光體稱為上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料。 上轉(zhuǎn)換發(fā)光的三種情況：上轉(zhuǎn)換發(fā)光的三種情況： 原子能級(jí)中存在一個(gè)中間能級(jí)，處于基態(tài)的電子在光激發(fā)下躍遷至原子能級(jí)中存在一個(gè)中間能級(jí)，處于基態(tài)的電子在光激發(fā)下躍遷至該中間能態(tài)，并停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以致它還能吸收另一個(gè)光子而躍遷該中間能態(tài)，并停留足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以致它還能吸收另一個(gè)光子而躍遷到更高的能級(jí)。電子從這個(gè)更高的能態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)，就發(fā)射出波長(zhǎng)比到更高的能級(jí)。電子從這個(gè)更高的能態(tài)向基態(tài)躍遷時(shí)，就發(fā)射出波長(zhǎng)比激發(fā)光的波長(zhǎng)更短的光。激發(fā)光的波長(zhǎng)更短的光。 原子能級(jí)中雖沒(méi)有中間能級(jí)，但發(fā)光體可以連續(xù)吸收兩個(gè)光子，使原子能級(jí)中雖沒(méi)有中間能級(jí)，但發(fā)光體可以連

45、續(xù)吸收兩個(gè)光子，使基態(tài)電子直接躍遷到比激發(fā)光光子的能量大得更多的能級(jí)，從而發(fā)出波基態(tài)電子直接躍遷到比激發(fā)光光子的能量大得更多的能級(jí)，從而發(fā)出波長(zhǎng)更短的光。長(zhǎng)更短的光。 材料中有兩個(gè)敏化中心被激發(fā)，它們把激發(fā)能按先后順序或同時(shí)傳材料中有兩個(gè)敏化中心被激發(fā)，它們把激發(fā)能按先后順序或同時(shí)傳遞給發(fā)光中心，使其中處于基態(tài)的電子躍遷到比激發(fā)光光子能量更高的遞給發(fā)光中心，使其中處于基態(tài)的電子躍遷到比激發(fā)光光子能量更高的能級(jí)，然后弛豫下來(lái)，從而發(fā)出波長(zhǎng)短得多的光。能級(jí)，然后弛豫下來(lái)，從而發(fā)出波長(zhǎng)短得多的光。第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料：上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料： 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料絕大多數(shù)都

46、是摻稀土的化合物，或是稀土化合物。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料絕大多數(shù)都是摻稀土的化合物，或是稀土化合物。 上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料均由稀土離子激活。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料均由稀土離子激活。 典型組成：典型組成： YbYb3+3+作敏化劑，作敏化劑，ErEr3+3+作激活劑的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料作激活劑的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料 發(fā)紅光的典型材料：發(fā)紅光的典型材料： YOCl:YbYOCl:Yb3+3+、ErEr3+3+，Y Y2 2OO3 3:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+，Y Y3 3OClOCl7 7:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+， LaLa4 4GaGa2 2OO2 2:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+。 發(fā)綠光的

47、典型材料：發(fā)綠光的典型材料： LaFLaF3 3:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+，YFYF3 3:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+，BaYFBaYF5 5:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+， Na(TNa(T、GdGd、La)F:YbLa)F:Yb3+3+、ErEr3+3+。 此外，有發(fā)藍(lán)光及發(fā)黃光的材料。此外，有發(fā)藍(lán)光及發(fā)黃光的材料。 Yb-TmYb-Tm和和Yb-HoYb-Ho的共激活的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料的共激活的上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料二、電致發(fā)光材料二、電致發(fā)光材料 電致發(fā)光：電致發(fā)光： 電致發(fā)光是指在直流或交流電場(chǎng)作用下，依靠電流和電場(chǎng)的

48、激發(fā)使電致發(fā)光是指在直流或交流電場(chǎng)作用下，依靠電流和電場(chǎng)的激發(fā)使材料發(fā)光的現(xiàn)象。又稱場(chǎng)致發(fā)光。這種發(fā)光材料稱為電致發(fā)光材料或材料發(fā)光的現(xiàn)象。又稱場(chǎng)致發(fā)光。這種發(fā)光材料稱為電致發(fā)光材料或場(chǎng)致發(fā)光材料。場(chǎng)致發(fā)光材料。l 電致發(fā)光機(jī)理電致發(fā)光機(jī)理玻璃玻璃透明電極透明電極發(fā)光體發(fā)光體介質(zhì)介質(zhì)金屬電極金屬電極高場(chǎng)交流電致發(fā)光的結(jié)構(gòu)高場(chǎng)交流電致發(fā)光的結(jié)構(gòu)1 1、本征式電致發(fā)光、本征式電致發(fā)光 本征式電致發(fā)光是利用電場(chǎng)直接激勵(lì)本征式電致發(fā)光是利用電場(chǎng)直接激勵(lì)電子，電場(chǎng)反向后電子與中心電子，電場(chǎng)反向后電子與中心( (空穴空穴) )復(fù)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象。合而發(fā)光的現(xiàn)象。本征電致發(fā)光以硫化鋅為代表。本征電致發(fā)光以硫

49、化鋅為代表。如：如：ZnS:Cu,ClZnS:Cu,Cl或或(Zn,Cd)S:Cu,Br(Zn,Cd)S:Cu,Br。第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料p-n結(jié)結(jié)p區(qū)區(qū)n區(qū)區(qū)Eg耗盡層耗盡層h p區(qū)區(qū)n區(qū)區(qū)E(a)(b)空穴空穴電子電子p-n結(jié)電致發(fā)光原理結(jié)電致發(fā)光原理 (a)(a)熱平衡狀態(tài)熱平衡狀態(tài)(b)(b)加正偏壓時(shí)的狀態(tài)加正偏壓時(shí)的狀態(tài)2 2、注入式電致發(fā)光、注入式電致發(fā)光 由由族和族和族化合物所制成的有族化合物所制成的有p-np-n結(jié)的二極管，注入載流子，然后在正向電結(jié)的二極管，注入載流子，然后在正向電壓下，電子和空穴分別由壓下，電子和空穴分別由n n區(qū)和區(qū)和p p區(qū)注

50、入到結(jié)區(qū)注入到結(jié)區(qū)并相互復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象。又稱區(qū)并相互復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象。又稱p-np-n結(jié)電致結(jié)電致發(fā)光。發(fā)光。p-np-n結(jié)兩側(cè)形成的勢(shì)壘，阻礙電子和空穴的結(jié)兩側(cè)形成的勢(shì)壘，阻礙電子和空穴的擴(kuò)散。未施加電場(chǎng)時(shí)，擴(kuò)散。未施加電場(chǎng)時(shí)，n n區(qū)的電子和區(qū)的電子和p p區(qū)的空區(qū)的空穴必須越過(guò)勢(shì)壘，才能分別到達(dá)穴必須越過(guò)勢(shì)壘，才能分別到達(dá)p p區(qū)和區(qū)和n n區(qū)。區(qū)。當(dāng)在當(dāng)在p-np-n結(jié)施加正向電壓時(shí)，勢(shì)壘高度降低，結(jié)施加正向電壓時(shí)，勢(shì)壘高度降低，耗盡層減薄，能量較大的電子和空穴分別注耗盡層減薄，能量較大的電子和空穴分別注入到入到p p區(qū)和區(qū)和n n區(qū)，并分別與區(qū)，并分別與p p區(qū)的空穴和區(qū)的空穴和n

51、 n區(qū)的區(qū)的電子復(fù)合，同時(shí)以光的形式輻射出多余的能電子復(fù)合，同時(shí)以光的形式輻射出多余的能量。量。輻射復(fù)合可以發(fā)生在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間，也輻射復(fù)合可以發(fā)生在導(dǎo)帶與價(jià)帶之間，也可發(fā)生在雜質(zhì)能級(jí)上?？砂l(fā)生在雜質(zhì)能級(jí)上。第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料l 電致發(fā)光材料的種類電致發(fā)光材料的種類1 1、直流電壓激發(fā)下的粉末發(fā)光材料、直流電壓激發(fā)下的粉末發(fā)光材料 典型材料：典型材料：基質(zhì)晶體：基質(zhì)晶體：ZnSZnS，激活劑：，激活劑：CuCu，MnMn，AgAg。 ZnS:Mn,CuZnS:Mn,Cu發(fā)橙紅色光，亮度約發(fā)橙紅色光，亮度約350cd/m350cd/m2 2，流明效率為，流明效率為0.

52、5lm/W0.5lm/W。 ZnS:AgZnS:Ag發(fā)藍(lán)光，約發(fā)藍(lán)光，約100V100V電壓下激發(fā)，亮度約電壓下激發(fā)，亮度約70cd/m70cd/m2 2。 (Zn,Cd)S:Ag(Zn,Cd)S:Ag發(fā)綠光、紅光，約發(fā)綠光、紅光，約100V100V電壓下激發(fā)，亮度約電壓下激發(fā)，亮度約70cd/m70cd/m2 2。2 2、交流電壓激發(fā)下的粉末發(fā)光材料、交流電壓激發(fā)下的粉末發(fā)光材料 特點(diǎn)：特點(diǎn)：流明效率較高，約為流明效率較高，約為15 lm/W15 lm/W 典型材料：典型材料：基質(zhì)晶體：基質(zhì)晶體：ZnSZnS，激活劑，激活劑：( (Cu,Cl),(CuMn),(CuPb),CuCu,Cl),

53、(CuMn),(CuPb),Cu。 發(fā)紅、橙、黃、綠、藍(lán)等各種顏色的光。發(fā)紅、橙、黃、綠、藍(lán)等各種顏色的光。 第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料幾種電致發(fā)光粉的組成及特性幾種電致發(fā)光粉的組成及特性種類種類激活劑激活劑燒成條件燒成條件發(fā)光顏發(fā)光顏色色氣氛氣氛溫度溫度/ CZnS : Cu, ClCu 0.1%，NH4Cl 10%N21075藍(lán)藍(lán)ZnS : Pb, Cu, ClPb 0.3%，Cu 0.06%，ZnCl2 5%空氣空氣950藍(lán)綠藍(lán)綠ZnS : Cu, AlAm 0.2%，Cu 0.2%H2S + H2O1100綠綠ZnS : Mn, CuMn 0.7%，Cu 0.3%干

54、的干的H2S1100橙紅橙紅Zn(S, Se) : Cu, IZnSe 100%，Cu 2%，NH4I 10%N21075黃黃ZnS : CuCu 0.3%干的干的H2S1100紅紅第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料3 3、薄膜型電致發(fā)光材料、薄膜型電致發(fā)光材料 早期的薄膜型電致發(fā)光器的名字叫早期的薄膜型電致發(fā)光器的名字叫“Lumocen”Lumocen”，為英文，為英文“分子中心發(fā)分子中心發(fā)光光”之縮寫。發(fā)光材料是之縮寫。發(fā)光材料是ZnSZnS，發(fā)光中心是稀土鹵素化合物分子，發(fā)光中心是稀土鹵素化合物分子(TbF(TbF3 3) )。 現(xiàn)在薄膜型交流電致發(fā)光器件多采用雙絕緣層現(xiàn)在薄

55、膜型交流電致發(fā)光器件多采用雙絕緣層ZnS:MnZnS:Mn薄膜結(jié)構(gòu)。薄膜結(jié)構(gòu)。金屬電極金屬電極(Al)ZnS : TbF3(150nm)HfO2(300nm)SnO2(200nm)玻璃襯底玻璃襯底早期早期LumocenLumocen結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)金屬電極金屬電極絕緣層絕緣層 (約為約為200nm)絕緣層絕緣層 (約為約為200nm)透明電極透明電極SnO2玻璃襯底玻璃襯底發(fā)光層發(fā)光層 (ZnS : Mn)雙絕緣層薄膜型交流電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)雙絕緣層薄膜型交流電致發(fā)光器件結(jié)構(gòu)Y2O3、Si3N4、Al2O3 第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料4 4、p-np-n結(jié)型電致發(fā)光材料結(jié)型電致發(fā)光材

56、料發(fā)光二極管材料發(fā)光二極管材料(LED(LED，Light Emitting DiodeLight Emitting Diode) ) 發(fā)光二極管是一種在低電壓下發(fā)光的器件，使用單晶或單晶薄膜材料，發(fā)光二極管是一種在低電壓下發(fā)光的器件，使用單晶或單晶薄膜材料，可制成指示器、數(shù)字顯示器、計(jì)算機(jī)及儀表?？芍瞥芍甘酒鳌?shù)字顯示器、計(jì)算機(jī)及儀表。 LEDLED還是目前重點(diǎn)研究的新型光源材料，今后有望用于照明。還是目前重點(diǎn)研究的新型光源材料，今后有望用于照明。（1 1）發(fā)光二極管材料應(yīng)具有的特性）發(fā)光二極管材料應(yīng)具有的特性 發(fā)光在可見(jiàn)光區(qū)，發(fā)光在可見(jiàn)光區(qū)，E Eg g1.8eV1.8eV， 700nm7

57、00nm； 材料必須容易作成材料必須容易作成n n型及型及p p型；型； 有效率高的發(fā)光中心或復(fù)合發(fā)光；有效率高的發(fā)光中心或復(fù)合發(fā)光； 效率降至初始值一半的時(shí)間要大于效率降至初始值一半的時(shí)間要大于10105 5h h。如果是多元化合物，這個(gè)。如果是多元化合物，這個(gè)時(shí)間至少還要大時(shí)間至少還要大1010倍左右；倍左右； 材料要能生長(zhǎng)成單晶，并能大量生產(chǎn)，并且價(jià)廉。材料要能生長(zhǎng)成單晶，并能大量生產(chǎn)，并且價(jià)廉。第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料（2 2）p-np-n結(jié)型電致發(fā)光材料結(jié)型電致發(fā)光材料 常用的常用的p-n結(jié)型電致發(fā)光材料結(jié)型電致發(fā)光材料(主要指發(fā)光二極管材料主要指發(fā)光二極管材料

58、)是是A-A族化合族化合物和物和AA族化合物。族化合物。 二元化合物材料二元化合物材料 GaPGaP：間接帶隙半導(dǎo)體，根據(jù)摻雜的不同，可以發(fā)紅光、綠光。間接帶隙半導(dǎo)體，根據(jù)摻雜的不同，可以發(fā)紅光、綠光。 GaNGaN：直接帶隙半導(dǎo)體，隨組分的差異可發(fā)紅、綠、藍(lán)、黃。直接帶隙半導(dǎo)體，隨組分的差異可發(fā)紅、綠、藍(lán)、黃。 SiCSiC：發(fā)光波長(zhǎng)受摻雜影響，可發(fā)出多種不同顏色的光。發(fā)光波長(zhǎng)受摻雜影響，可發(fā)出多種不同顏色的光。 GaAsGaAs也屬于該類材料。也屬于該類材料。 三元、四元化合物材料三元、四元化合物材料 把兩種把兩種A-A族化合物做成混晶，便是三元化合物。族化合物做成混晶，便是三元化合物。

59、AlAlx xGaGa1- 1-x xAsAs：當(dāng)當(dāng)0 x0.350 x0.35時(shí)，為直接帶隙材料，可以發(fā)紅光。時(shí)，為直接帶隙材料，可以發(fā)紅光。 GaAsGaAs1-1-x xP Px x、InIn1-1-x xGaGax xP P、InIn1-1-x xAlAlx xP P等也屬于該類材料。等也屬于該類材料。 在二元化合物中同時(shí)摻入兩種元素，如在在二元化合物中同時(shí)摻入兩種元素，如在InPInP單晶中摻入一定的單晶中摻入一定的GaGa 和和AsAs，就成為，就成為InGaAsPInGaAsP四元化合物。四元化合物。第四章光學(xué)材料4.3 4.3 發(fā)光材料發(fā)光材料三、射線致發(fā)光材料三、射線致發(fā)光材

60、料 兩類射線致發(fā)光材料：兩類射線致發(fā)光材料：陰極射線致發(fā)光材料陰極射線致發(fā)光材料和和放射線致發(fā)光材料放射線致發(fā)光材料。l 陰級(jí)射線致發(fā)光材料陰級(jí)射線致發(fā)光材料 1 1、陰極射線發(fā)光的三個(gè)基本過(guò)程、陰極射線發(fā)光的三個(gè)基本過(guò)程 電離過(guò)程電離過(guò)程 當(dāng)高能電子束激發(fā)發(fā)光物質(zhì)時(shí)，晶體吸收激發(fā)能，由于基質(zhì)大大多于當(dāng)高能電子束激發(fā)發(fā)光物質(zhì)時(shí)，晶體吸收激發(fā)能，由于基質(zhì)大大多于激活劑，引起基質(zhì)價(jià)帶或滿帶電子的激發(fā)。激活劑，引起基質(zhì)價(jià)帶或滿帶電子的激發(fā)。 電子和空穴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程電子和空穴的運(yùn)動(dòng)過(guò)程 滿帶中的電子被電離后進(jìn)入導(dǎo)帶，在滿帶中產(chǎn)生了空穴，電子和空穴滿帶中的電子被電離后進(jìn)入導(dǎo)帶，在滿帶中產(chǎn)生了空穴，電子和空