材料現(xiàn)代分析與測試 第六章 材料光學(xué)性能分析匯總

1、第六章材料光學(xué)性能分析第一節(jié)透射光譜和吸收光譜材料的光學(xué)性能主要包括對光的折射、反射、吸收、透射以及發(fā)光等諸多方 面，光學(xué)性能與材料的某些應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)，比如用作反射鏡、光導(dǎo)纖維窗口、 透鏡、棱鏡、濾光鏡、激光探測器件等。鑒于篇幅，本章著重介紹折射率、色散、 透過、吸收以及激發(fā)、發(fā)射、亮度、效率等發(fā)光性能的測試。一、基本概念光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時，能引起介質(zhì)的價電子躍遷或影響原子的 振動而消耗能量。即使在對光不發(fā)生散射的透明介質(zhì)如玻璃或水溶液中，光也會有能量的損 失，即光的吸收。吸收光譜設(shè)有一厚度為X平板材料，入射光強度設(shè)為/0，通過此材料后光強度為I。 選取其中一薄層，并認為光通過

2、此薄層的吸收損失邊/正比于此處光強度I和薄 層厚度衣，即：一 dI = a - I - dx則可得到光強度隨厚度呈指數(shù)衰減規(guī)律，即朗伯特定律：I = I - e - a Xa為物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，單位為cm-1。a的大小取決于材料的性質(zhì)和光的波長。對于相同波長的光波，a越大，光 被吸收得越多，能透過的光強度就越小。a隨入射光波長（或頻率）變化的曲線，叫作吸收光譜。透射光譜透光性是表征材料被光穿透能力的高低，透光性的好壞可用透過率指標T 來衡量。透過率T是指光通過材料后，透過光強度占入射光強度的百分比。剩 余光強度應(yīng)是從初始入射光強度I0中扣除造成光能衰減的表面上的反射損失、 試樣中的散射損失和

3、吸收損失等。一般地，反射、吸收和透過的關(guān)系可用下式表示：T = (1 - R )2 exp( -a - d)T-透過率；R反射系數(shù)；a 吸收系數(shù)；d試樣厚度，單位cm。透過率T隨波長變化的曲線即稱為透射光譜曲線。透射光譜曲線可用分光光度計來測定。光強的大小用光透過試樣照到光電管上產(chǎn)生的電流的大小來表示。某個波長的光通過空氣（作為空白樣）后的光強設(shè)為10,再通過一定厚度 的試樣后的光強設(shè)為I，即可通過I/10得到針對該波長的透過率TA，如 此依次測得其他各波長的透過率就可得到透過率T隨波長變化的透射光 譜。二、光譜測試測試儀器：分光光度計圖6-1 721型分光光度計的光學(xué)系統(tǒng)示意圖1一光源 2,

4、 8一聚光透鏡 3一反射鏡 4-狹縫5, 12保護玻璃 6-準直鏡 7色散棱鏡9一比色皿10 一玻璃試樣11 一光門13一光電管透射光譜測試由光源發(fā)出的連續(xù)輻射光線，經(jīng)過聚光透鏡匯聚到反射鏡，轉(zhuǎn)角90反射至 狹縫內(nèi)。由此入射到單色器內(nèi)準直鏡的焦面上，被反射后，以一束平行光射向色 散棱鏡（棱鏡背面鍍鋁），光在棱鏡中色散，入射角在最小偏角時，入射光在鋁 面上反射后按原路返回至準直鏡，再反射回狹縫，經(jīng)聚光透鏡再次聚光后進入比 色皿中，透過試樣到光電管。光電管所產(chǎn)生的電流大小表示試樣的透過率，直接 從微安表讀出，從而可得TA曲線，即透射光譜。圖6-2 ZnSe晶體的透過率曲線3 .吸收光譜測試若試樣為

5、粉末狀，精確測量粉末試樣的吸收光譜存在很大困難，由于粉末層 足夠厚時，透射很少，可以忽略，光在粉末中通過無數(shù)次折射和反射，最后不是 被吸收就是折回到入射那一側(cè)，因此通常通過測試其反射光譜來粗略地估計他們 對光的吸收。RX為被測材料的反射系數(shù)，可以認為散射、透射很小，則吸收系 數(shù)a近似等于（1-RX），這樣，就可以通過測量材料表面對各波長入射光的反射 率來確定其吸收光譜。I圖6-3 Cr3+: A12O3透明陶瓷的室溫吸收北譜一3客蠢略腎春漏二節(jié)費普牌光譜特性而一、激發(fā)光譜與發(fā)射光譜波k1.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜概念發(fā)光材料的發(fā)射光譜（也稱發(fā)光光譜）是指發(fā)光的能量按波長或頻率的分布。 由于發(fā)光的絕對

6、能量不易測量，通常實驗測量的都是發(fā)光的相對能量，因此在發(fā) 光光譜圖中，橫坐標為波長（或頻率），縱坐標為單位波長間隔（或單位頻率間 隔）里的相對能量（相對強度）。激發(fā)光譜是指發(fā)光的某一譜線或譜帶的強度隨激發(fā)光波長（或頻率）變化的 曲線，橫軸代表激發(fā)光波長，縱軸代表發(fā)光的強弱。發(fā)光材料在指定方向的單位 立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量稱為發(fā)光材料在該方向的發(fā)光強度，簡稱光強，單位為 坎德拉（cd）。2.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜測試發(fā)光光譜和激發(fā)光譜通常使用熒光分光光度計測量。光源多選用氙燈。激發(fā)單色儀用于選擇激發(fā)光源的波長和調(diào)節(jié)激發(fā)光源的發(fā) 射能量。發(fā)射單色儀用來測量材料發(fā)光的波長，精度比激發(fā)單色儀高。所使用的

7、光電倍增管要求其波長響應(yīng)范圍寬、靈敏度高。由光源發(fā)出的光，通過激發(fā)單色儀后變成單色光，而后照在熒光池中的被測 樣品上，由此激發(fā)出的熒光被發(fā)射單色儀收集后，經(jīng)單色器色散成單色光而照射 在光電倍增管上轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，再經(jīng)放大器放大反饋進入A/D轉(zhuǎn)換單元， 將模擬電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，并通過顯示器或打印機顯示記錄下被測樣 品的譜圖。以上就是熒光分光光度計的基本工作原理。熒光分光光度計的工作原 理如所示：圖6-4熒光分光光度計工作原理圖二、亮度1.概念亮度：發(fā)光材料在指定方向上的單位投影面、單位立體角中發(fā)射的光通量稱 為發(fā)光材料在該方向的亮度。單位：cd/m2。光通量：發(fā)光材料的輻射通量對人

8、眼引起的視覺強度稱為光通量，單位為流明（lm）。光通量實質(zhì)上就是用眼睛來衡量光的輻射通量。輻射通量：光材料在單位時間內(nèi)所輻射的能量。單位：W 2.亮度測量圖中，O物鏡，P帶孔反射板，H小孔，F(xiàn)濾光片，D 探測器，F(xiàn)D的組合使D的光譜靈敏度和人眼視覺函數(shù)V以）一致。I/V交 換器，A放大器，R顯示器。圖的上部由反射鏡？和目鏡系統(tǒng)E組成， 用于觀察和對準被測目標。表6-1國內(nèi)外幾種亮度計的主要性能指標生產(chǎn)國 型號精度量程 (cd/m2)測量現(xiàn)場凰量距離探測器美國1980A士 !% 士 1 個字IL仲1+光電 倍增管美國1980B土4% 士】 個字L Zm8光電 倍增管美國PR-UBD士 4% 士

9、1個字1疥r45. 72moo硅光電池日本BM-3dz 4% 1 個字10-2 106S 2站0. 5m8硅光電池日本BM 54% 士 1 個字1。-41伊0. F,0. 2MQ,2QL 0m8光電倍增管德國、1-1000相對FTB標準0.8%103-10ei/3 r ,3硅光 電池漏、余輝特性,4%1&個字10-11時固定視場偉1飛或0.5史）0+ Sm 8硅光電池（1）啊發(fā)光 直到完全消失，材料在激發(fā)光 與一過程程就是發(fā)停止后，認 i光衰減。呷持續(xù)發(fā)光，但 激發(fā)停止后所持續(xù)肯光強度逐 發(fā)出的光:漸減弱， 稱為余輝。（2）余輝持續(xù)的時間稱為余輝時間。習(xí)慣上，把激發(fā)停止后發(fā)光亮度降至人眼可辨認

10、最小值(0.32mcd/m2)的這段時間稱為余輝時間。(3)光致發(fā)光材料都具有余輝特性，只不過是衰減快慢、余輝長短不同而已， 甚至差別很大。發(fā)光衰減特性可以用余輝衰減曲線表示。余輝衰減曲線是指激發(fā) 停止后發(fā)光強度(或相對強度)隨時間變化的曲線。發(fā)光衰減特性若發(fā)光衰減是指數(shù)式，表示:B = B 0 - e - at式中B是激發(fā)停止后t時間的發(fā)光亮度；B0是t=0時的發(fā)光亮度；a是一常數(shù)。若發(fā)光是雙曲線式的衰減，表示:B 0 a + b t其中a、b是常數(shù)，aV2。余輝衰減曲線表示：橫軸為時間，縱軸為相對發(fā)光亮度。激發(fā)作用剛停止時的時間為零、亮度最大，隨時間延長亮度逐漸降為零。直 觀，較為常用。目

11、前文獻中所給出的余輝時間數(shù)據(jù)，多是指激發(fā)停止后發(fā)光亮度下降到起始發(fā)光 亮度10%所經(jīng)過的時間。激發(fā)停止后發(fā)光強度隨時間變化的曲線。橫坐標為時 間，縱坐標為發(fā)光強度(或相對發(fā)光強度)。圖6-6綠色長余輝材料SrAl2O4:Eu2+,Dy3+的余輝衰減曲線 根據(jù)余輝時間的長短，可對發(fā)光材料進行以下分類： 極長余輝余輝時間大于1秒；長余輝余輝時間小于1秒大于10-1秒；中余輝余輝時間小于10-1秒大于10-3秒；短余輝余輝時間小于10-3秒大于10-6秒；超短余輝 余輝時間小于10-6秒。長余輝發(fā)光材料余輝時間的測量比起短余輝材料要簡單、容易得多，其測試 裝置由激發(fā)光源、樣品盤、亮度計、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

12、等組成。圖6-18是藍色長余輝材料CaAl2Si2O8：Eu2+的余輝衰減曲線。由圖可知：衰 減曲線由三個衰減壽命組成，并且它們之間相差較大，可能來自三個不同能級之 間的躍遷，從而證明材料中至少存在三個不同Eu2+的發(fā)光中心12。圖6-18 CaAl2Si2O8：Eu2+的余輝衰減及擬合曲線四、發(fā)光效率發(fā)光材料的發(fā)光效率通常有三種表示方法：即量子效率氣，能量效率（或 功率效率）門和流明效率（或光度效率）門廣量子效率氣是指發(fā)光材料發(fā)射的光子數(shù)N發(fā)光與激發(fā)時吸收的光子數(shù)N吸收之 比，即：門=此發(fā)光（6-20）q N吸收但我們知道，一般總有能量損失，激發(fā)光光子的能量通常大于發(fā)射光光子的 能量，尤其是

13、當激發(fā)光波長比發(fā)光波長短很多時，這種能量損失（斯托克斯損失） 會很大。然而量子效率不能反映發(fā)光材料在被激發(fā)和發(fā)光過程中的能量損失，比 如用254nm紫外光激發(fā)某一發(fā)光材料產(chǎn)生550nm的綠色可見光發(fā)射，該過程的 量子效率可高達90%以上，但是激發(fā)能量卻相應(yīng)損失50%以上。為此要引入能 量效率定義。能量效率門是指發(fā)光材料發(fā)光的能量與吸收的能量之比，即：門=發(fā)光（6-21）吸收作為發(fā)光材料或發(fā)光器件發(fā)出的光來說，總是作用于人眼的。人的眼睛只能 感覺到可見光，而且在可見光范圍內(nèi)，對于不同波長的光的敏感程度也是差別極 大的。人眼對不同波長的光的反應(yīng)可用光譜光效能KQ）表征，KQ）表示在某一波 長的單位

14、功率可產(chǎn)生多少流明的光通量。在可見光光譜范圍內(nèi)，KQ）隨波長X變 化而變化。人眼在幾個尼特（cd/m2）以上的強光環(huán)境下的亮適應(yīng)所形成的視覺稱為明 視覺，在百分之幾尼特的弱光環(huán)境下的暗適應(yīng)所形成的視覺稱為暗視覺。在明視 覺條件下，經(jīng)過實驗測試人眼對波長為555nm的黃綠光最敏感，即X=555nm時 K（X）達到最大值，可用Km表示。對Km值進行歸一化，其他波長的K（X）與Km 之比值V（X）就稱為視見函數(shù)。在暗視覺條件下，人眼對波長為507nm的綠光最敏 感。不同波長光波的視覺顏色對人眼的視見函數(shù)的明視曲線和暗視曲線如圖 6-19所示。圖6-19人眼視見函數(shù)的明視曲線和暗視曲線（A一明視曲線；

15、B一暗視曲線）顯然，能量效率很高的發(fā)光材料發(fā)出的光，人眼看起來不見得很亮。因此， 用人眼來衡量某一發(fā)光材料的發(fā)光效果時，就必須引進另一個發(fā)光效率定義，即 流明效率。流明效率七是指發(fā)光材料發(fā)射的光通量L （以流明為單位）與吸收的總功率 之比，即：門=土（6-22）吸收對于光致發(fā)光來說，如果激發(fā)光是單色或接近單色的，波長為X吸收發(fā)射光也是單色或接近單色的，波長為X發(fā)射，則能量效率和量子效率之間的關(guān)系可推導(dǎo) 如下：門 =發(fā)光 =“發(fā)光 加發(fā)光=門發(fā)光=門 吸收p e吸收“吸收如吸收v吸收q 發(fā)射對于大多數(shù)光致發(fā)光材料（上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料除外）來說，X吸收VX發(fā)射，由上 式可知，能量效率要比量子效率低。下

16、面介紹一種發(fā)光材料能量效率的測試方法。直接測量粉末發(fā)光材料的吸收能量，在實驗技術(shù)上是無法做到的，通常是通過測量反射能量的方法，來得到吸收能量值。圖6-20是測量能量效率的實驗裝置示意圖13。光源L-!-i城一檢流計圖6-20測量能量效率的實驗裝置示意圖由激發(fā)光源發(fā)出的光經(jīng)單色儀分光后，分出所需要的激發(fā)光，照射到樣品盤 位置的MgO標準白板，由MgO標準白板反射的激發(fā)光到光電倍增管和檢流計， 可測出光電流I0值。I0與激發(fā)光能量E激發(fā)成正比。給定波長激發(fā)光照射光電倍增 管對應(yīng)的光譜靈敏度用KX表示，給定波長的MgO反射值用RMgO表示，則激發(fā)光能量E激發(fā)為：E、=* ( 6-23)人 MgO以材

17、料的吸收系數(shù)K吸收乘上激發(fā)光能量E激發(fā)，得出吸收的激發(fā)光能量E，即吸收E = K E=吸收(6-24)吸收吸收 激發(fā) K注R為了測量發(fā)光能量，將樣品盤位置上的MgO白板，換上待測發(fā)光材料，經(jīng) 同一波長激發(fā)光照射后，測出檢流計上的讀數(shù)L，I1包括兩部分光電流：由材料 發(fā)光所引起的1和沒有被發(fā)光材料吸收的那部分激發(fā)光（即反射的激發(fā)光）的光 電流11，即LT1+ L(6-25)(6-26),發(fā)光I = I - I 111I1可用發(fā)光材料的反射系數(shù)R反射乘上I0表示，于是：Ii= Ii - I0-R 反射反射（6-27）以系數(shù)A乘上發(fā)光材料的發(fā)光所引起的光電流值I，就是材料的發(fā)光能量E 即(6-28)

18、E發(fā)光f上式中的A值由發(fā)光材料的發(fā)射光譜分布f七d久和光電倍增管的光譜靈敏 度確定:(6-29)f I d人A f 4 K d 人式中，I,為給定波長的發(fā)光強度；K入為光電倍增管的光譜靈敏度系數(shù)。上述各參數(shù)測出后，即可求得待測發(fā)光材料的能量效率門:p(6-30)I光a l 吸收吸收 0如前所述，量子效率門與能量效率門的關(guān)系式為:qp門=門發(fā)#q p人吸收則由測得的門即可求出量子效率不。pq由門p或氣的公式可知，影響能量效率或量子效率精度的主要因素是對各參 數(shù)的準確測量，另外與測試方法、測試技術(shù)也有密切關(guān)系。由此可知，測試材料的發(fā)光效率比較復(fù)雜，對于已開發(fā)應(yīng)用的發(fā)光材料來說， 可采用與具有同一組

19、分的標樣進行對比測試的方法，來測定其發(fā)光效率。這里所 指的標樣不僅要和待測材料樣品具有相同組分、相同發(fā)光光譜，而且其發(fā)光效率 （能量或量子）已經(jīng)過標準計量單位進行標定。所用的測量裝置和相對發(fā)光亮度 測試儀相同，在相同的測試條件下（光源的激發(fā)條件及材料位置不變），分別測 出標樣和待測樣的光電流值I0、I1,則待測樣的量子效率氣應(yīng)等于:I門門 .力qq （標樣）I0(6-31)五、光通量前面已提過，發(fā)光材料在單位時間內(nèi)所輻射的能量稱為輻射通量，單位為W。 發(fā)光材料的輻射通量對人眼引起的視覺強度稱為光通量，單位為流明（lm）。光 通量實質(zhì)上就是用眼睛來衡量光的輻射通量。隨著稀土三基色熒光粉的產(chǎn)業(yè)化和

20、電子鎮(zhèn)流器的完善，一種電子一體化緊湊 型照明在市場上開始顯示優(yōu)越性。因此，關(guān)于這類燈的總光通量測量技術(shù)和方法 就顯得特別重要，下面介紹照度計法測緊湊型熒光燈總光通量的測試方法14。自緊湊型熒光燈（CFL）問世以來，出現(xiàn)了諸多類型的。?，目的不外是提 高緊湊程度和增大功率，以便在更大范圍內(nèi)更多地取代白熾燈。因此，CFL的線 度和體積都應(yīng)接近白熾燈。正是基于這種考慮，CFL總光通量的測量就沿用了白 熾燈總光通量測量的設(shè)備和方法，即利用球形光度計測量其總光通量。實際使用 的積分球應(yīng)滿足如下要求：（1）球體。球體應(yīng)采用不易變形、不易受環(huán)境影響的材料制成；球的內(nèi)表 面應(yīng)圓滑，力求各處曲率半徑都相等；球的

21、密閉性要好，不允許有漏光現(xiàn)象。（2）窗口。為了便于測量照度，常常在球的赤道上開一小圓孔作為窗口， 其直徑不宜過大，以2040mm為宜。圓孔上鑲一片雙面毛玻璃，毛玻璃向球內(nèi) 的一面應(yīng)與球內(nèi)壁一致，不得突出或縮進。（3）燈的安裝。為了減少測量誤差，標準燈（白熾燈）和待測燈（CFL） 都分別裝在球心位置。燈的供電線和支架應(yīng)盡量減少體積和件數(shù)。（4）擋屏。為了能測得球壁多次反射光建立的照度，必須在球心和窗口之 間加一擋屏，擋住燈射向窗口的直射光。擋屏的中心在球心與窗口中心的連線上， 離球心1/31/2球半徑的位置均可。擋屏面與連線垂直。擋屏的大小以能擋住燈 的直射光為宜，不能過大。（5）球的內(nèi)壁涂料。

22、積分球內(nèi)壁的表面狀態(tài)對其漫反射特性和光譜選擇性 有很大影響，因此內(nèi)壁涂料的選擇十分重要。其中以硫酸鋇配成的涂料較常用， 它的優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好，不易變色和玷污，使用時間較長。其光譜選擇性也較 小。涂料的配比見表6-5。表6-5積分球內(nèi)壁涂層配方藥品名稱質(zhì)量比底層中層表層硫酸鋇100100100聚乙烯醇421蒸餾水200200200為了檢驗內(nèi)壁涂層的漫反射特性，在與窗口相對的球壁上開一小口，安裝涂 料樣板，與整個球內(nèi)壁一起噴涂。噴涂層厚度約0.51mm。（6）測光系統(tǒng)。測光系統(tǒng)裝在窗口外側(cè)，通常由快門、可變光闌、中性減 光片、V（久修正濾光片、光電探測器及示數(shù)儀表等組成?？勺児怅@用于讀數(shù)的微 調(diào)。中性減光片用于大范圍調(diào)節(jié)讀數(shù)。近年來，多采用硅光電池作探測器，粗調(diào) 和微調(diào)都可在光電流的測量線路上實現(xiàn)，因此簡化了測光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，測量操作 更為方便。由于測光系統(tǒng)裝在積分球之外，實際測量的是窗口毛玻璃的亮度，而它的亮 度與向球內(nèi)的一面上的照度成正比，因此所測得的讀數(shù)也與球壁的反射照度成比 例了。圖6-21是球形光度計的示意圖。圖6-21球形光度計示意圖（7）用球形光度計測CFL總光通量測量前，球內(nèi)點燃一支適當功率的白熾燈烘烤球內(nèi)壁，除去潮氣，使球 壁的反射比穩(wěn)定，同時預(yù)照探測器使其靈敏度趨于穩(wěn)定