功能材料系列：光學(xué)材料

1、整理課件光學(xué)材料整理課件光功能材料固體的光性質(zhì)，從本質(zhì)上講，就是固體和電磁波的相互作用。包括：晶體對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 等 整理課件定義根據(jù)光與材料的相互作用時產(chǎn)生的不同物理效應(yīng)可將其分為光介質(zhì)材料和光功能材料。光介質(zhì)材料：用以輸送光線的材料，以折射、反射和透射方式，改變光線的方向、強度和位相，使光線按預(yù)定的要求傳輸，也可以吸收或透過一定波長的光線而改變光線的光譜成分。光功能材料：在電、聲、熱、磁、壓力等外場作用下，其光學(xué)性質(zhì)能發(fā)生變化或在光的作用下其結(jié)構(gòu)和性能能發(fā)生變化的材料。整理課件固體的光吸收 導(dǎo)帶價帶能隙 （禁帶）基礎(chǔ)吸收基礎(chǔ)吸收或固有吸收

2、：固有吸收：絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖所示，價帶為滿帶導(dǎo)帶為空帶導(dǎo)帶和價帶之間存在一定寬度的禁帶，其中不允許電子占據(jù) 在固體受到光輻射時，如果輻射光子的能量太小，不足以使電子由價帶躍遷至導(dǎo)帶，那么晶體就不被激發(fā)，也不會發(fā)生對光的吸收。整理課件例：例：離子晶體的禁帶寬度一般為幾個電子伏，相當(dāng)于紫外光的能量。純凈的理想離子晶體對可見光以至紅外區(qū)的光輻射，都不會發(fā)生光吸收，都是透明的。堿金屬鹵化物晶體對透波區(qū)域可由25m到250nm，相當(dāng)于0.055ev的能量。但當(dāng)有足夠強的輻射(如紫光)照射離子晶體時，價帶中的電子就有可能被激發(fā)跨過能隙，進入導(dǎo)帶，這樣就發(fā)生了光吸收，晶體就會失透。這種與電子由價

3、帶到導(dǎo)帶的躍遷相關(guān)的光吸收，稱作基礎(chǔ)吸收這種與電子由價帶到導(dǎo)帶的躍遷相關(guān)的光吸收，稱作基礎(chǔ)吸收或固有吸收?；蚬逃形铡Ｕ碚n件缺陷存在時晶體的光吸收晶體的缺陷有本征的，如間隙原子和空位，也有非本征的，如雜質(zhì)等。導(dǎo)帶價帶能隙(禁帶）受主能級施主能級這些缺陷的能級定域在價帶和導(dǎo)帶之間的能隙之中。當(dāng)材料受到光照時，受主缺陷能級接受價帶遷移來的電子，而施主能級上的電子可以向?qū)нw移，這樣就使原本不能發(fā)生基礎(chǔ)吸收的物質(zhì)由于缺陷存在而發(fā)生光吸收，因此呈現(xiàn)一定的顏色。整理課件無機離子固體的光吸收 無機離子固體的禁帶寬度較大，一般為幾個電子伏特，相當(dāng)于紫外光區(qū)的能量，故對可見光到紅外光，能量不足以使其電子越過

4、能隙，由價帶躍遷至導(dǎo)帶，晶體不被激發(fā)，不發(fā)生光的吸收，晶體都是透明的。 當(dāng)紫外光輻照晶體時，就會發(fā)生光的吸收，晶體變得不透明。禁帶寬度Eg和吸收波長的關(guān)系為Eg = h= hc/h普朗克常數(shù)6.6310-34 Js，c為光速。 如前所述，在晶體中引入雜質(zhì)離子后，由于雜質(zhì)缺陷能級位于禁帶之中，使能帶間的能隙小于Eg，吸收限往往落在可見光區(qū)，結(jié)果發(fā)生固體的雜質(zhì)光吸收。 整理課件例： Al2O3晶體中Al3+和O2-離子的基態(tài)能級為填滿電子的的封閉電子殼層，其能隙為9ev，它不可能吸收可見光，所以是透明的。 若0.1%的Cr3+時，晶體呈粉紅色，摻入1%的Cr3+時，晶體呈深紅色，即紅寶石，均可以吸

5、收可見光。晶體呈紅色，表示什么意思？吸收紅光？還是吸收其他波長的光波？整理課件1.發(fā)光材料發(fā)光：一般用來描述某些固體材料由于吸收能量而隨之發(fā)生的發(fā)射光現(xiàn)象。是一種物體把吸收的能量不經(jīng)過熱的階段，直接轉(zhuǎn)換為特征輻射的現(xiàn)象。發(fā)光機理：單分子過程、雙分子過程整理課件單分子過程發(fā)光發(fā)光中心受激后，電子從基態(tài)G躍遷到高能級A，吸收外界能量；當(dāng)電子由回到態(tài)時對外輻射光子，即發(fā)光。若受激發(fā)電子不受外界因素影響，只決定于內(nèi)部電場，則稱為自發(fā)發(fā)光；若受激發(fā)電子只有在外界因素影響下才發(fā)光，則稱為受迫發(fā)光(受激發(fā)光)。整理課件受迫發(fā)光特征：發(fā)射過程分為兩個階段(如圖)。受激電子M G;且M上的電子也不是直接有上躍遷

6、而來，而是先由G躍遷到，再到。即：第一階段：熱起伏，即第二階段：由 MA 12GAM （亞穩(wěn)態(tài)）快速無輻射躍遷受激輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射泵浦躍遷hE2-E1整理課件雙分子過程發(fā)光材料吸收能量發(fā)生躍遷，產(chǎn)生電子空穴對；電子和空穴相遇就可復(fù)合并釋放能量（光），即為復(fù)合發(fā)光。復(fù)合發(fā)光可以在一個發(fā)光中心上直接進行，即原位復(fù)合，這叫做單分子過程；如果電子在脫離原來的發(fā)光中心后，在導(dǎo)帶中移動了一定的距離后遇到其他發(fā)光中心(空穴）復(fù)合發(fā)光，呈雙分子過程雙分子過程。整理課件激發(fā)EghEgCV原位復(fù)合發(fā)光雙分子復(fù)合發(fā)光整理課件發(fā)光材料的特性一般而言，對發(fā)光材料的特性有三個要求：.發(fā)光顏色：發(fā)光顏色：可用發(fā)射光譜進

7、行表征，對應(yīng)譜峰的波長就是發(fā)光的顏色。一般說來其波長大于吸收光譜的波長。圖5.9 發(fā)光材料的發(fā)射光譜和吸收光譜整理課件發(fā)射譜峰的寬窄也是發(fā)光材料的重要特性，譜峰越窄，發(fā)光材料的單色性越好，反之亦然。將譜峰1/2高度時縫的寬度稱作半寬度，依照發(fā)射峰的半寬度可將發(fā)光材料還分為3種類型：寬帶材料：半寬度100nm，如CaWO4；窄帶材料：半寬度50nm，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+；線譜材料：半寬度0.1nm，如GdVO4)：Eu3+；圖5.10 發(fā)射峰的半寬度半寬度整理課件三基色原理單一波長和波譜寬度小于5nm的光稱為單色光。含有兩種或兩種以上波長成分的光稱為復(fù)合光，復(fù)合光使人眼產(chǎn)生混合色。三

8、基色原理自然界中絕大多數(shù)彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，這些彩色也可以分解成三基色； 三基色必須是相互獨立的，即其中任何一種基色都不能由其它兩種基色混合得到；混合色的色調(diào)和飽和度由三基色的混合比例決定；混合色的亮度是三基色亮度之和。另外，任一種顏色都有一個相應(yīng)的補色。即：它與某一顏色以適當(dāng)比例混合時，可產(chǎn)生白色。例：紅、綠、藍的補色分別是青、紫、黃。 整理課件顏色坐標(biāo)圖整理課件.發(fā)光效率發(fā)光效率 發(fā)光材料的另一重要特性是發(fā)光強度，它隨激發(fā)強度而改變。材料的發(fā)光本領(lǐng)通常以發(fā)光效率表征，有3種表示方法：量子效率：發(fā)射物質(zhì)輻射的量子數(shù)N發(fā)光與激發(fā)光源輸入的量子數(shù)N吸收（若是光致發(fā)光為光子

9、數(shù)；如系電子發(fā)光為電子數(shù)，余類推）的比值。B量子 = N發(fā)光 / N吸收 能量效率：發(fā)光能量與激發(fā)源輸入能量之間的比值。B量子 = E發(fā)光 / E吸收 光度效率：發(fā)光的流明數(shù)與激發(fā)源輸入流明數(shù)的比值。B量子 =光度發(fā)光 / 光度吸收整理課件. 發(fā)光持續(xù)時間發(fā)光持續(xù)時間依發(fā)光持續(xù)時間長短，可將發(fā)光分為熒光和磷光：熒光(Fluorescence)：激發(fā)和發(fā)射兩個過程之間的間隙極短，約為10-8秒。只要光源一離開，熒光就會消失；磷光(Phosphorescence)：在激發(fā)源離開后，發(fā)光還會持續(xù)較長的時間。物質(zhì)發(fā)光的持續(xù)時間的另一種表示法是余輝。余輝：當(dāng)激發(fā)光停止時的發(fā)光亮度（或強度）當(dāng)激發(fā)光停止時

10、的發(fā)光亮度（或強度）J0衰減到衰減到10%時，所經(jīng)歷的時間稱余時，所經(jīng)歷的時間稱余輝時間，簡稱余輝。輝時間，簡稱余輝。根據(jù)余輝可將發(fā)光材料分為六個范圍：極短余輝極短余輝 1s整理課件現(xiàn)實中的發(fā)光現(xiàn)象夜明珠通常“在黑暗中發(fā)光”的材料都是磷光性材料，屬于長余輝材料。閃電：正負(fù)極電壓大到使氣體電離，產(chǎn)生導(dǎo)電電路，正負(fù)電荷中和，釋放能量。地光：磁場異常使大氣放電 放射性物質(zhì)流在低空引起大氣電離 極光： 太陽放射出的無數(shù)帶電微粒進入地球磁場的范圍時，受后者的影響，沿地球磁力線高速進入到南北磁極附近的高層大氣中，與氧原子、氮分子等質(zhì)點碰撞，使它們激發(fā)，由此產(chǎn)生極光。整理課件白熾燈和日光燈白熾燈發(fā)光：利用熱

11、效應(yīng)發(fā)光。日光燈發(fā)光：圖繪出了熒光燈的構(gòu)造示意圖。通電后，汞原子受到燈絲發(fā)出電子的轟擊，激發(fā)到較高能態(tài)。當(dāng)它返回到基態(tài)時便發(fā)出波長為254和185nm的紫外光，涂在燈管內(nèi)壁的磷光體受到紫外光輻照，就隨之發(fā)出白光。Hg白光玻璃殼磷光體料涂層185nm254nm圖5.17 日光燈的構(gòu)造示意圖 整理課件注意： 白熾燈為連續(xù)光譜，而日光燈則為單色光譜，因此在日光燈下看到物體顏色發(fā)生改變，而白熾燈雖然顏色發(fā)暗，但顏色卻很真實。 日光燈壁上的熒光粉為中長余輝材料，所以在電源切斷后，仍會發(fā)一短時間的光。整理課件 Laser “Light amplification by stimulated emissio

12、n of radiation”首寫字母的縮寫，意為受激發(fā)射光放大。2.激光材料整理課件激光的產(chǎn)生：激光器激光器的組成：泵浦源(用以提供能量) 激光工作物質(zhì)(核心構(gòu)件) 光學(xué)諧振腔激光工作物質(zhì)：可以是固體、液體和氣體，其中又以固體最為重要，相應(yīng)的激光器叫固體激光器。激光的產(chǎn)生整理課件固體激光工作物質(zhì)構(gòu)成基質(zhì)材料激活劑（少量添加劑）基質(zhì)材料：決定激光器的理化特性可選物質(zhì)：晶體、玻璃激活劑：決定激光的光譜特性整理課件激光產(chǎn)生過程（以紅寶石激光器為例）紅寶石中Cr3的能級屬三能級系統(tǒng)在泵浦源（脈沖氙燈）未工作前，處于熱平衡態(tài)，鉻離子的能級分布服從玻爾茲漫分布，幾乎全部處于基態(tài)E1上(N1N2N3)。泵

13、浦源燈點亮，電子吸收輻射能從E1向E3躍遷。由于選擇定則的限制，E3上的電子不穩(wěn)定，多數(shù)經(jīng)快速無輻射躍遷轉(zhuǎn)移到E2上。E2上的電子壽命較長，只要脈沖氙燈的光能密度足夠強，就會出現(xiàn)E2和E1能級上的電子數(shù)反轉(zhuǎn)，即N2N1。引入一個v(E2-E1)/h的光子，E2上的一個電子就會受其感應(yīng)而向E1躍遷，同時向外輻射一個與入射光子相同的光子，這就是所謂的受激輻射。這對光子在紅寶石中傳播會激發(fā)出另外兩個相同的光子，實現(xiàn)一次光放大。當(dāng)這些光子向紅寶石外傳播時，由光學(xué)諧振腔的反射作用，只有沿腔軸方向傳播的光被反射回來再次通過紅寶石，光又一次被放大。如此反復(fù)被多次放大最后形成一束極強的相干光(激光)。E3E1

14、E2快速無輻射躍遷受激輻射自發(fā)輻射自發(fā)輻射泵浦躍遷hE2-E1整理課件反射鏡閃爍燈紅寶石開關(guān)激光束紅寶石激光器的設(shè)計 紅寶石激光器的主體是一根長數(shù)百厘米、直徑1-2厘米的紅寶石晶體棒，周圍環(huán)繞著閃爍燈，還可以在兩側(cè)也裝上燈，使得它從各方向都受到有效的輻照。 棒的一個側(cè)端裝有1個鏡子，使得發(fā)出光又返回棒中。另一側(cè)端裝有Q閥。實際上是個可旋轉(zhuǎn)的的鏡子，既可允許激光束從系統(tǒng)中射出，又可將光束返回棒中，只有當(dāng)光束強度達到最佳要求時才被發(fā)射出來。 激光束在棒中往返通過，形成了更多的活化中心，就使初始相干輻射脈沖強度變大。整理課件激光的特點：相干性好方向性好光亮度高單色性純整理課件3.紅外材料紅外輻射材料

15、理論上只要T0K，物體均可對外輻射紅外線，故紅外線是一種熱輻射。但工程上，紅外輻射材料僅指能吸收熱物體輻射而發(fā)射大量紅外線的材料。整理課件整理課件常溫遠(yuǎn)紅外線的輻射機理 T0K(- 273)， 物體中的電子振動或激發(fā)，就會向外放出輻射能。振動隨溫度的升高而增加，并使許多粒子發(fā)生沖撞，沖撞的結(jié)果使電子得到能量變成了激發(fā)態(tài)，向較高的能位躍遷。但電子的這種高能位是不穩(wěn)定的，隨時有回復(fù)原位的趨勢。電子每往回跳一次就會產(chǎn)生一個量子能，向外輻射出能量。對于具有高紅外輻射能力的材料，輻射能以紅外線的形式輸出。外界材料EAE2E1EC200ATEET1C當(dāng)，當(dāng)， =E這說明，常溫（內(nèi)能不變）遠(yuǎn)紅外材料從外界吸

16、收能量，而后以紅外線形式對外輸出能量，保持能量守恒。整理課件透紅外材料性質(zhì)要求:對紅外線有較高的透過率，一般; 透過的短波限要低，透過的頻帶要寬。 （紅外發(fā)射率要盡量低）主要應(yīng)用:紅外光學(xué)儀器透鏡、棱鏡、調(diào)制盤、整流罩。紅外成像技術(shù)是把人眼看不到的紅外信號轉(zhuǎn)換成可見光信號，實現(xiàn)夜視功能。但若使可見光也能透過，則背景和目標(biāo)物的光亮度差別不大，使得圖像不清楚，甚至無法成像。整理課件4.光纖材料什么是光纖？按光學(xué)材料的分類，屬于光介質(zhì)？光功能材料？整理課件光纖的結(jié)構(gòu)纖：細(xì)，可我們看到的光纖都是粗管子？內(nèi)層材料（芯料）+包層材料（涂層） 為保護其不受損壞，最外面再加一層塑料套管。整理課件1).光在光纖

17、中傳播的基本原理折射定律： 由上式得，入射角 ，折射角 。 折射角=90時，這時入射光線全部返回到原來的介質(zhì)中去，稱為光的全反射。 sin 12sin 21nn 整理課件全反射的條件 光纖中，光的傳送就是利用光的全反射原理 假設(shè)光已經(jīng)發(fā)生了全反射，那么也就是說當(dāng)入射角還小于90時，折射角已經(jīng)大于或等于90；即：這就是我們物理學(xué)中提到的：光由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì)190 , 290 ;sin 1sin 2sin 121sin 21nn21nn整理課件光在光纖內(nèi)傳播示意圖n1n2芯料折射率包層折射率 在兩相界面上的入射角臨界角， 則入射線和光軸的夾角 臨界角的補角？； 整理課件光線傳播中的損耗折射損耗0；所以光纖通訊可以實現(xiàn)長距離，高保真的傳輸。其他損耗有沒有？若：無，為什么還要在光纖傳輸時架設(shè)中繼？有？有哪些損耗？吸收、散射導(dǎo)致某些光線經(jīng)散射后不再滿足全反射的要求。正是由于這些損耗的存在，使得光強隨傳播距離而減弱，所