材料的光學(xué)性質(zhì) 1213課件

材料對光的反射和折射材料對光的吸收材料的光發(fā)射材料的受激輻射和激光概述光與固體材料的相互作用光的色散和全反射1材料對光的反射和折射材料對光的吸收材料的光發(fā)射材料的受激輻射材料的光學(xué)性質(zhì)——基礎(chǔ)篇光的本質(zhì)光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜光的波動說光的波動說2材料的光學(xué)性質(zhì)——基礎(chǔ)篇光的本質(zhì)光光光光光光的直線傳播光的干33光的波粒二象性材料的光學(xué)性質(zhì)——基礎(chǔ)篇4光的波粒二象性材料的光學(xué)性質(zhì)——基礎(chǔ)篇4光的電磁性光是一種電磁波，它是電磁場周期性振動的傳播所形成的。光波是一種橫波，電場強(qiáng)度E、磁場強(qiáng)度H的振動方向和光波的傳播方向（即光的能量流動方向）構(gòu)成右手螺旋關(guān)系。光波的偏振性。E、H分別在各自的平面內(nèi)振動。振動方向?qū)鞑シ较虿痪哂袑ΨQ性，旋光現(xiàn)象。光波的能流密度。光波的傳播伴隨著光能量的流動，光強(qiáng)與其振幅成正比。5光的電磁性光是一種電磁波，它是電磁場周期性振動的傳播所形成的電磁波譜圖6電磁波譜圖6遠(yuǎn)紫外近紫外可見近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外（真空紫外）380nm

~780nm200nm

~380nm10nm~200nm780nm~2.5m2.5m

~50m50m

~300m1.5eV3eV2.5eV2eV800nm300nm3.5eV4eV7遠(yuǎn)紫外近紫外可見近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外（真空紫外）380紫外-可見-紅外光譜分區(qū)表8紫外-可見-紅外光譜分區(qū)表8光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：（1）電子極化（2）電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電磁輻射的電場分量，在可見光頻率范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中的每個原子都發(fā)生作用，引起電子極化，造成電子云和原子核電荷重心發(fā)生相對位移。所以，當(dāng)光線通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時光波速度被減小，導(dǎo)致折射產(chǎn)生。光子被吸收和發(fā)射，涉及到固體材料中電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變。材料的原子吸收了光子能量之后將較低能級上的電子激發(fā)到較高能量上去，電子發(fā)生的能級變化與電磁波頻率有關(guān)：△E=hv受激電子不可能無限長時間地保持在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后又衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射。光與固體的相互作用9光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：（1）電子極化（2）電子能媒質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波面。也就是說，光波波前（最前沿的波面）上的每一點(diǎn)都可看作球面次波源，每一次波源發(fā)射的球面波以光波的速度v傳播，經(jīng)過時間?t之后形成球面半徑為v?t的球面次波。如此產(chǎn)生的無數(shù)個次波的包絡(luò)就是?t時間后的新波前。垂直于波前（或等相面）的直線代表光波的傳播方向，也就是光線。該原理適用于機(jī)械波和電磁波惠更斯-菲涅耳原理：說明光的傳播定律球面波平面波10媒質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的材料對光的反射和折射材料折射率及其影響因素1、構(gòu)成材料元素的離子半徑介電常數(shù)與介質(zhì)的極化有關(guān)。光的電磁波作用到介質(zhì)上，介質(zhì)的原子受電場作用而極化，正負(fù)電荷重心發(fā)生相對位移，使光子速度減弱。當(dāng)離子半徑增大時，ε增大，因而n隨之增大。如PbS=3.912，SiCl4=1.41211材料對光的反射和折射材料折射率及其影響因素1、構(gòu)成材料元素的2、材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)根據(jù)光通過材料的表現(xiàn)，介質(zhì)分為均質(zhì)介質(zhì)和非均質(zhì)介質(zhì)。均質(zhì)介質(zhì)，材料只有一個折射率，如非晶態(tài)（無定型體）和立方晶體。非均質(zhì)介質(zhì)，光通過時構(gòu)成兩條折射光線。3、材料存在的內(nèi)應(yīng)力有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。4、同質(zhì)異構(gòu)體在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時的晶型折射率低，低溫時存在的晶型折射率高。122、材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)根據(jù)光通過材料的表現(xiàn)，介質(zhì)分為均材料的折射率隨入射光頻率的減小（或波長的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。色散對于光學(xué)玻璃是重要參量，因?yàn)樯?yán)重造成單色片透鏡成像不夠清晰。用不同牌號的光學(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡復(fù)合鏡頭，以消除色差，稱為消色差鏡頭。光的色散13材料的折射率隨入射光頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增加）而減小的性質(zhì)，當(dāng)光束從折射率n1較大的光密介質(zhì)進(jìn)入折射率n2較小的光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時，光線被100％反射的現(xiàn)象。這時不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。臨界角全反射應(yīng)用：光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維通常用來傳送無線電、電話、電視和電子計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)。光的全反射折射光14當(dāng)光束從折射率n1較大的光密介質(zhì)進(jìn)入折射率n2較小的光疏介質(zhì)光纖結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層涂敷層護(hù)套纖芯：575μm摻雜了的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小。包層:總直徑為100200μm,折射率稍小于纖芯的摻雜了的SiO2。涂敷層：硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光。護(hù)套：尼龍或有機(jī)材料，增加強(qiáng)度，保護(hù)光纖。15光纖結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層涂敷層護(hù)套纖芯：575μm摻雜了的S光作為一種能量流，在光通過材料傳播時，會引起材料的電子躍遷或使原子振動而消耗能量，使光能的一部分變成熱能，導(dǎo)致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)對光的吸收。。材料對光的吸收吸收系數(shù)（消光系數(shù)），單位cm-1介質(zhì)厚度吸收系數(shù)與吸收率：朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律c溶液的摩爾濃度（mol/L）16光作為一種能量流，在光通過材料傳播時，會引起材料的電材料對光光吸收的物理機(jī)制光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程。當(dāng)光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處在同一個數(shù)量級時，由此引起的吸收才變得比較重要；電子受激吸收光子而越過禁帶；電子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級上而吸收光；只有當(dāng)入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相等時，光量子才可能被吸收。同時，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。

禁帶較寬的介電固體材料也可以吸收光波，但吸收機(jī)理不是激發(fā)電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，而是因其雜質(zhì)在禁帶中引進(jìn)了附加能級，使電子能夠吸收光子后實(shí)現(xiàn)從價帶到受主能級或從施主能級到導(dǎo)帶的躍遷。17光吸收的物理機(jī)制光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程a)金屬：吸收，不透明；b)絕緣體：不吸收，透明；c)半導(dǎo)體：取決于入射光波長與施主和受主能級Ed,Ea大小。各種類型材料的光吸收行為18a)金屬：吸收，不透明；各種類型材料的光吸收行為18除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的。任何一種物質(zhì)，它對特定波長范圍內(nèi)的光是透明的，而對另一些波長范圍內(nèi)的光卻是不透明的。例如，在光學(xué)材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為一般吸收；但是對于波長范圍為3.5-5.0μm的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇烈變化，這種現(xiàn)象為選擇吸收。換言之，石英對可見光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強(qiáng)烈的吸收。一般吸收和選擇吸收19除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的。一般吸收光譜用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質(zhì)，然后利用攝譜儀或分光光度計(jì)，可以觀測到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶，這表明某些波長或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光譜（absorptionspectrum）大致說來，原子氣體的光譜是線狀譜，而分子氣體、液體和固體的光譜是帶狀譜，吸收光譜的情況也是如此。物質(zhì)的發(fā)射譜（emissionspectrum）有：線狀譜（linespectrum），帶狀譜（bandspectrum）和連續(xù)譜等。值得注意的是，同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長的光，它就強(qiáng)烈吸收這些波長的光。20吸收光譜用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質(zhì)，吸收光譜圖Na吸收光譜葉綠素分子吸收光譜21吸收光譜圖Na吸收光譜葉綠素分子吸收光譜21當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)時，光在晶體內(nèi)分成兩束，它們的折射程度不同，沿著不同的方向傳播，這種現(xiàn)象稱為雙折射。如果讓一束平行的自然光正入射到一塊方解石晶體的一個表面上，將發(fā)現(xiàn)該束光在通過方解石后被分解成了兩束。尋常光（o光）：晶體內(nèi)符合普通折射定律的折射光線；非常光（e光）：晶體內(nèi)違背普通折射定律的折射光線。利用檢偏器可以看出，從雙折射晶體射出的這兩束光都是線偏振光，不過它們的電矢量振動方向不同，其振動方向相互垂直。晶體的雙折射和二向色性22當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)時，光在晶體內(nèi)分成兩束，它們的折射程度晶體結(jié)構(gòu)的各向異性不僅能產(chǎn)生折射率的各向異性（雙折射），而且能產(chǎn)生吸收率的各向異性，這種選擇吸收的性能稱作二向色性。天然的電氣石晶體呈六角型的片狀，長對角線的方向?yàn)槠涔廨S。當(dāng)光線照射在這種晶體表面時，振動的電矢量與光軸平行時被吸收得較少，光可以較多地通過；電矢量與光軸垂直時被吸收得較多，光通過得很少。23晶體結(jié)構(gòu)的各向異性不僅能產(chǎn)生折射率的各向異性（雙折射），而且當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通過不均勻的透明介質(zhì)時，則從各個方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。光的散射過程中，光與分子的作用幾乎是瞬時的，改變了其光強(qiáng)的空間分布、偏振狀態(tài)或頻率的過程。例如，當(dāng)一束太陽光從窗外射進(jìn)室外內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到光線的徑跡，就是因?yàn)樘柟獗豢諝庵械幕覊m散射的緣故。介質(zhì)的光散射24當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射彈性散射：散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。非彈性散射：當(dāng)光通過介質(zhì)時，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當(dāng)使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們在頻率坐標(biāo)上對稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，稱為非彈性散射。光散射分類25根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射分類廷德爾（Tyndall）散射米氏（Mie）散射瑞利（Rayleidl）散射按照散射中心尺度a0與入射光波長λ的大小，分為三類：瑞利散射按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時晨陽與午陽的顏色不同。入射波長越長，散射光強(qiáng)越小，即長波散射要小于短波散射。因?yàn)榇髿饧皦m埃對光譜上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽光透過大氣層越厚，其中藍(lán)紫色光成分損失越多，太陽顯得越紅。Global早晨中午太陽光26彈性散射分類廷德爾（Tyndall）散射按照散射中心尺度a0材料的光發(fā)射1、概述材料的光發(fā)射：是材料以某種方式吸收能量后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程。這種性質(zhì)與材料的能量結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術(shù)所用的發(fā)光材料主要是無機(jī)化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次是半導(dǎo)體，它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應(yīng)用。從應(yīng)用的角度，主要關(guān)注材料的光學(xué)性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度及延續(xù)時間等。27材料的光發(fā)射1、概述材料的光發(fā)射：是材料以某種方式吸收1.平衡輻射只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān)，如白熾燈的發(fā)光。2.非平衡輻射在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。物體發(fā)光可分為平衡輻射和非平衡輻射兩大類固體發(fā)光的微觀過程可以分為兩步：對材料進(jìn)行激勵，即以各種方式輸入能量，將固體中的電子的能量提高到一個非平衡態(tài)，稱為“激發(fā)態(tài)”；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。多數(shù)情況下發(fā)射光子和激發(fā)光子的能量不相等，通常前者小于后者。若發(fā)射光子與激發(fā)光子的能量相等，發(fā)出的輻射就稱為“共振熒光”。向下躍遷未必都發(fā)光，也可能存在激發(fā)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒o輻射躍遷過程。281.平衡輻射物體發(fā)光可分為平衡輻射和非平衡輻射兩大類固體發(fā)材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量（1）熱輻射（2）電致發(fā)光

（3）光致發(fā)光

（4）化學(xué)發(fā)光

自發(fā)輻射（6）同步輻射光源

（7）激光光源

受激輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射

=(E2-E1)/hE1E2激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射

材料的光發(fā)射2、激勵方式（5）陰極射線發(fā)光

29材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量（1）熱輻射（2）電致材料的光發(fā)射陰極射線發(fā)光光致發(fā)光電致發(fā)光通過光（光頻波段、X射線或γ射線波段）的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而發(fā)光。光致發(fā)光經(jīng)過吸收、能量傳遞及光發(fā)射三個階段。光的吸收及發(fā)射都發(fā)生于能級之間的躍遷，能量傳遞則是激發(fā)態(tài)的運(yùn)動。如熒光燈，就是紫外線激發(fā)熒光粉而發(fā)光。利用高能量的電子轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光。如彩電的顏色就是采用電子束掃描、激發(fā)不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基色光波。對絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場導(dǎo)致發(fā)光，或從外電路將電子（空穴）注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（價帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。由于是在電場作用下的發(fā)光，所以也叫場致發(fā)光。如儀器指示燈的發(fā)光二極管。30材料的光發(fā)射陰極射線發(fā)光光致發(fā)光電致發(fā)光通過光（光頻波段、X材料的光發(fā)射3、材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料的發(fā)光特性主要從發(fā)射光譜、激發(fā)光譜、發(fā)光壽命和發(fā)光效率進(jìn)行評價。發(fā)射光譜在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長的分布。其形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)藍(lán)光綠光發(fā)射光譜反映材料從高能級始發(fā)的向下躍遷過程。由此得到發(fā)光的顏色和強(qiáng)度等信息。31材料的光發(fā)射3、材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料的發(fā)光特性主要從發(fā)射光激發(fā)光譜材料發(fā)射某一種特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光波長而變化的曲線。激發(fā)光譜反映材料從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。由此給出有關(guān)材料能級和能帶結(jié)構(gòu)信息，也可找出使材料發(fā)光的最有效的光激勵波長。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，但激發(fā)光譜≠吸收光譜（因?yàn)橛械牟牧衔展夂蟛灰欢〞l(fā)射光，它可把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉，對發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收是不會在激發(fā)光譜上反映的）。32激發(fā)光譜材料發(fā)射某一種特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光波發(fā)光壽命發(fā)光體在激發(fā)停止后持續(xù)發(fā)光時間的長短稱為發(fā)光壽命（熒光壽命或余輝時間）。發(fā)光壽命定義為光強(qiáng)I衰減到初始值I0的1/e所經(jīng)歷的時間。余輝時間約定為為光強(qiáng)I衰減到初始值I0的1/10的時間。α表示電子在單位時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率。根據(jù)余輝時間的長短把發(fā)光材料分為：超短余輝（<1μs）、短余輝（1~10μs）、中短余輝（10-2~10μs）、中余輝（1~100ms）、長余輝（0.1~1s）、超長余輝（>1s）六個范圍。不同應(yīng)用目的對材料的發(fā)光壽命有不同的要求。33發(fā)光壽命發(fā)光體在激發(fā)停止后持續(xù)發(fā)光時間的長短稱為發(fā)光壽命（熒發(fā)光效率－三種表示方法ηq

、ηp、ηl分別為量子效率、功率效率和光度效率；nout、nin、pout、pin、L分別為發(fā)射光子數(shù)、入射光子數(shù)、發(fā)光功率、吸收光的功率（或輸入的電功率）和發(fā)射的光通量。Φ(λ)為人眼的視見函數(shù)，I(λ)為發(fā)光功率的光譜分布函數(shù)，D為光功當(dāng)量。34發(fā)光效率－三種表示方法ηq、ηp、ηl分別為量子效率、2.復(fù)合發(fā)光

源于固體本征態(tài)的輻射躍遷固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內(nèi)）如II-VI、III-V族半導(dǎo)體發(fā)光1.分立中心發(fā)光

固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷位形坐標(biāo)描述如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）發(fā)光分類固體材料的發(fā)光有兩種微觀物理過程：分立中心發(fā)光和復(fù)合發(fā)光材料的光發(fā)射4、發(fā)光的物理機(jī)制352.復(fù)合發(fā)光源于固體本征態(tài)的輻射躍遷1.分立中心發(fā)光

其發(fā)光中心通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，或基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個基團(tuán)。

選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長，調(diào)節(jié)其光色。

發(fā)光中心分布在晶體點(diǎn)陣中，受晶體點(diǎn)陣作用，其能量狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的發(fā)光性能。分立中心發(fā)光—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光36分立中心發(fā)光—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光36根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為兩種情況：發(fā)光中心基本上是孤立的，它的發(fā)光光譜與自由離子相似；發(fā)光中心受基質(zhì)點(diǎn)陣電場（或晶體場）影響較大，其發(fā)光特性與自由離子不同，必須把中心和基質(zhì)作為一個整體來分析。稀土離子發(fā)光：“4f4f”電子組態(tài)間的躍遷如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+…線譜，禁戒部分解除“4f5d”電子組態(tài)間的躍遷

如Ce3+帶譜，允許躍遷

特點(diǎn)：及其豐富的能級，具有光譜的可調(diào)性。在＋3價鑭系離子的4fn組態(tài)中共有1639個能級，能級之間可能的躍遷數(shù)目高達(dá)199177個。37根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為兩種情況：稀土3838復(fù)合發(fā)光1.

固體“導(dǎo)帶電子-價帶空穴”間的復(fù)合2.“導(dǎo)帶電子-受主A（空穴）”或“價帶空穴-施主D（電子）”或“D-A”復(fù)合3.激子（“e-h”）或束縛激子的復(fù)合復(fù)合發(fā)光時電子躍遷涉及固體的能帶。電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時價帶上留下一個空穴，因此當(dāng)導(dǎo)帶的電子回到價帶與空穴復(fù)合時，便以光的形式放出能量，這種發(fā)光過程叫復(fù)合發(fā)光。復(fù)合發(fā)光效率：帶間躍遷直接—高（僅有光子參與的電子躍遷）間接—低（有光子和聲子同時參與的電子躍遷）39復(fù)合發(fā)光1.固體“導(dǎo)帶電子-價帶空穴”間的復(fù)合復(fù)合發(fā)光時電發(fā)光二極管原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是在半導(dǎo)體P-N結(jié)或類似的結(jié)構(gòu)中通以正向電流，以高效率發(fā)出可見光或紅外輻射的器件。N型：自由電子導(dǎo)電P型：空穴導(dǎo)電載流子的擴(kuò)散材料的交界處現(xiàn)成空間電荷N區(qū)一側(cè)帶正電，P區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，形成PN結(jié)PN結(jié)內(nèi)的電場方向阻止電子和空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散PN結(jié)上施加正向電壓，勢壘減弱，大量電子和空穴流動相遇而產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光。40發(fā)光二極管原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是在半導(dǎo)體P-N結(jié)或LED護(hù)欄管LED路牌LED41LED護(hù)欄管LED路牌LED41熒光與磷光一些陶瓷和半導(dǎo)體材料受激發(fā)光，當(dāng)外界激發(fā)源去除，發(fā)光現(xiàn)象隨即很快消失(<10-8s)，稱為熒光。以輻射躍遷形式回到基態(tài)，S1S0。另一類含有雜質(zhì)和缺陷的材料，這些雜質(zhì)在能隙中引入了施主能級，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子在返回價帶之前，先落入施主能級并被俘獲停留一段較長時間，電子在逃脫這個陷阱之后再返回價帶中的低能級，這時相應(yīng)地放出光子。這種發(fā)光能持續(xù)一段較長的時間(10-3s～10s)

，便稱為磷光。體系間竄躍S1T1，后T1S0禁阻躍遷發(fā)出磷光。材料的光發(fā)射4、材料的發(fā)光性能42熒光與磷光一些陶瓷和半導(dǎo)體材料受激發(fā)光，當(dāng)外界激發(fā)源去除，發(fā)熒光發(fā)光是被激發(fā)的電子跳回價帶時，同時發(fā)射光子。發(fā)磷光的材料往往含有雜質(zhì)并在能隙附近建立了施主能級，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。在它跳回價帶時電子必須先從捕獲陷阱內(nèi)逸出，延遲了光子發(fā)射時間。43熒光發(fā)光是被激發(fā)的電發(fā)磷光的材料往往含有43發(fā)光材料最常用的有以下各類化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化物）；含氧酸鹽（磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、釩酸鹽、鎢酸鹽）；氧化物、硫氧化物、鹵氧化物等。發(fā)光材料的兩類基本原料為基質(zhì)和激活劑?；瘜W(xué)表示式中一般都寫出基質(zhì)和激活劑，如Zn2SiO4:Mn。發(fā)光材料中常常還含有敏化劑，共激活劑。44發(fā)光材料最常用的有以下各類化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化4545光致發(fā)光實(shí)例主要用于各類不同用途的光源，如照明、復(fù)印機(jī)光源、光化學(xué)電源等excitedbysunlight

CdSe

46光致發(fā)光實(shí)例主要用于各類不同用途的光源，如照明、復(fù)印機(jī)光源、Y2O3:Tb陰極射線發(fā)光實(shí)例主要用于電視機(jī)、示波器、雷達(dá)和計(jì)算機(jī)等各類熒光屏和顯示器等發(fā)光前Y2O3:Eu47Y2O3:Tb陰極射線發(fā)光實(shí)例主要用于電視機(jī)、示波器、雷達(dá)SEMimageofY2O3:EunanoparticlesPhotoluminescenceofY2O3:EunanoparticlesunderexcitationofUVlightJ.

ColloidandInterfaceScience273(2004),p.191.48SEMimageofY2O3:EuPhotolumi電致發(fā)光實(shí)例為實(shí)現(xiàn)彩色電致發(fā)光平板顯示，大力開發(fā)摻雜稀土的電致發(fā)光薄膜材料－等離子顯示板（PlasmaDisplayPanel，PDP）43"49電致發(fā)光實(shí)例為實(shí)現(xiàn)彩色電致發(fā)光平板顯示，大力開發(fā)摻雜稀土的電5050有機(jī)電致發(fā)光顯示（organic

electroluminesence

Display）技術(shù)被譽(yù)為具有夢幻般顯示特征的平面顯示技術(shù)，因其發(fā)光機(jī)理與發(fā)光二極管（LED）相似，所以又稱之為OLED（organic

light

emitting

diode）。2000年以來，OLED受到了業(yè)界的極大關(guān)注，開始步入產(chǎn)業(yè)化階段。

按照載流子傳輸層和發(fā)光層有機(jī)薄膜材料的不同，OLED分為兩種技術(shù)類型：一是以有機(jī)染料和顏料等為發(fā)光材料的小分子基OLED，典型的小分子發(fā)光材料為Alq3（8-羥基喹啉鋁）；另一種是以共軛高分子為發(fā)光材料的高分子基OLED，簡稱為PLED，典型的高分子發(fā)光材料為PPV（聚對苯乙炔）。51有機(jī)電致發(fā)光顯示（organic

electrolumine

1990年多孔硅的室溫強(qiáng)可見光發(fā)射被發(fā)現(xiàn)，使人們看到了硅被應(yīng)用于光子學(xué)光源的可能性~2ev52

1990年Adv.Mater.

2003,15,323激發(fā)、發(fā)射光譜實(shí)例375nm534.5nm441.5nm438nm53Adv.Mater.2003,15,323激發(fā)、發(fā)射材料的受激輻射與激光激光又名鐳射（Laser）是受激輻射光放大的簡稱，（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。是一種單色性好,亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代后發(fā)展起來的一門技術(shù)，它帶動了傅立葉光學(xué)、全息術(shù)、光學(xué)信息處理、光纖通信、非線性光學(xué)和激光光譜學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，形成了現(xiàn)代光學(xué)。大大推動了信息、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、能源和國防領(lǐng)域的現(xiàn)代化進(jìn)程。激光之所以具有傳統(tǒng)光源無與倫比的優(yōu)越性，其根本關(guān)鍵在于它利用了材料的受激輻射。

波長：極紫外──可見光──亞毫米

(100nm）（1.222mm）54材料的受激輻射與激光激光又名鐳射（Laser）是受激輻射光放受激輻射：光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應(yīng)于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子。單位體積單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射的光子數(shù)：N2：高能級原子數(shù)B21：受激輻射系數(shù)B21ρ(ν,T)：受激輻射幾率材料的受激輻射與激光1、受激輻射自發(fā)吸收自發(fā)輻射受激輻射55受激輻射：光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光單位體積單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的光子數(shù)：單位體積單位時間內(nèi)發(fā)生受激吸收的光子數(shù)：N2：高能級原子數(shù)A21：自發(fā)輻射系數(shù)(g2,g1分別為高、低能級的簡并度)N1：低能級原子數(shù)B12：受激吸收系數(shù)B12ρ(ν,T)：受激吸收幾率56單位體積單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的光子數(shù)：單位體積單位時間內(nèi)發(fā)熱平衡時，不同能級的原子數(shù)服從玻爾茲曼分布受激輻射與吸收同時存在，要產(chǎn)生激光必須N2>N1<1熱平衡不會產(chǎn)生激光！N2>>N1屬非平衡態(tài)原子布局，亦稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)材料的受激輻射與激光2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與激活介質(zhì)一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是突破玻耳茲曼分布，使高能級的粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)，這個條件稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如何從技術(shù)上實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則是產(chǎn)生激光的必要條件。57熱平衡時，不同能級的原子數(shù)服從玻爾茲曼分布受激輻射與吸收同時在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)），光波通過物質(zhì)體系時總是或多或少地被吸收，因而越來越弱。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系，由于受激輻射放出的光子數(shù)多于被吸收的光子數(shù)。輻射場將越來越強(qiáng)。換言之，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)具有對光的放大作用，稱為激活介質(zhì)。材料的受激輻射與激光2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與激活介質(zhì)原子能量壽命壽命基態(tài)受激態(tài)亞穩(wěn)態(tài)材料的受激輻射與激光2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與激活介質(zhì)激活介質(zhì)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級。58在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)），光波通過物質(zhì)激活物質(zhì)能級結(jié)構(gòu)E1（基）E2（亞）10-3sE310-8sE1（基）E3（亞）10-3sE410-8sE210-8s激勵激勵自發(fā)自發(fā)自發(fā)紅寶石激光器（三能級系統(tǒng)）氦氖激光器（四能級系統(tǒng)）694.3nm543nm59激活物質(zhì)能級結(jié)構(gòu)E1（基）E2（亞）10-3sE310-8s光學(xué)諧振腔是指光波在其中來回反射從而提供光能反饋的空腔。通常由兩塊與工作介質(zhì)垂直的平面或凹球面反射鏡構(gòu)成。諧振腔的作用是提供反饋能量；選擇光波的方向和頻率。諧振腔內(nèi)可能存在的頻率和方向稱為本征模。反射鏡的曲率半徑和間距（腔長）決定了諧振腔對本征模的限制情況。材料的受激輻射與激光3、光學(xué)諧振腔閃光燈輸出激光紅寶石介質(zhì)反射鏡(反射率100％)反射鏡(部分透射)60光學(xué)諧振腔是指光波在其中來回反射從而提供光能反饋的空腔。通常固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器連續(xù)激光器（功率可達(dá)104W）脈沖激光器（瞬時功率可達(dá)1017W/cm2）激光輸出方式工作介質(zhì)不同通常在晶體或玻璃基質(zhì)中摻雜發(fā)光中心離子作為工作物質(zhì)。以各種原子、分子、離子氣體或蒸氣作為工作物質(zhì)。以有機(jī)染料或無機(jī)稀土離子溶液為工作物質(zhì)。利用半導(dǎo)體能帶躍遷的復(fù)合發(fā)光引發(fā)受激輻射而形成激光。材料的受激輻射與激光4、激光器分類61固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器連續(xù)激光器（固體激光器一般講，固體激光器具有器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大的特點(diǎn)。這種激光器的工作介質(zhì)除紅寶石和玻璃外，常用的有釔鋁石榴石（YAG）晶體中摻入三價釹離子的激光器，它發(fā)射1060nm的近紅外激光。固體激光器一般連續(xù)功率可達(dá)100W以上，脈沖峰值功率可達(dá)109W固體激光在工業(yè)加工、醫(yī)科手術(shù)、跟蹤測距、光纖通信等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。62固體激光器固體激光在工業(yè)加工、醫(yī)科手術(shù)、跟蹤測距、光纖通信等氣體激光器氣體激光器具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低；操作方便；工作介質(zhì)均勻，光束質(zhì)量好；以及能長時間較穩(wěn)定地連續(xù)工作的特點(diǎn)。這也是目前品種最多、應(yīng)用廣泛的一類激光器，占有市場達(dá)60％左右。典型的有He-Ne原子激光器、CO2分子激光器、Ar+離子激光器、KrF準(zhǔn)分子激光器等，氦氖激光器是最常用的一種。氣體激光在精密計(jì)量、彩色激光電視、條形碼掃描儀、大氣檢測、激光手術(shù)、工業(yè)加工和科學(xué)研究中有廣泛的應(yīng)用。633nm63氣體激光器氣體激光在精密計(jì)量、彩色激光電視、條形碼掃描儀、大半導(dǎo)體激光器目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。另有摻鋁的砷化鎵、硫化鉻、硫化鋅等激光器。激勵方式有光泵浦、電激勵等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅(jiān)固，容易集成且可以直接調(diào)制，特別適于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上用。半導(dǎo)體激光器在光纖通訊、光盤讀寫、激光印刷、激光雷達(dá)等信息領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。64半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器在光纖通訊、光盤讀寫、激光印刷、激光染料激光器利用不同染料可獲得不同波長激光（在可見光范圍），激光染料主要有若丹明、香豆素、花菁族染料等。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氬離子激光器等。它的優(yōu)點(diǎn)為輸出波長連續(xù)可調(diào)，且覆蓋面寬因此也得到廣泛應(yīng)用。

染料激光對于高分辨率的光譜學(xué)研究和物質(zhì)瞬態(tài)變化的測量和分析尤其有用。準(zhǔn)分子泵浦染料激光器氬離子泵浦染料激光器65染料激光器染料激光對于高分辨率的光譜學(xué)研究和物質(zhì)瞬態(tài)變化的測6666全息照相激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機(jī)構(gòu)接計(jì)算機(jī)微芯片壓電換能器壓電控制裝置67全息照相激光-原子力顯微鏡激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋Science8June2001292:1897-1899

發(fā)展中的納米激光器納米激光器的微小尺寸使光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上，從而使激光器達(dá)到極高的工作效率，能量閾很低。ZnO納米激光器－世界上最小的激光器

Nd:YAG激光泵浦385nm激光

68Science8June2001292:1897-200nmZnO納米線1um69200nmZnO納米線1um69不用Nd:YAG激光器做泵浦用電流激活納米線更理想！將CdS納米線安裝在涂有硅材料的基底上，制成回路，在一定電壓下，電流通過硅材料流向CdS納米線，納米線的另一端發(fā)出藍(lán)綠色光。使用不同的半導(dǎo)體材料，由此制成的激光器發(fā)出的激光顏色各不相同，例如GaN納米線發(fā)出藍(lán)色到紫外的光，InP納米線發(fā)出紅外光，實(shí)際上這樣構(gòu)成的納米激光器所發(fā)出的激光可覆蓋從紫外線到紅外線整個波段。納米激光器實(shí)際上是一根彎曲的極薄的光子導(dǎo)體，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米激光器的大小和形狀能夠有效控制發(fā)射出的光子的量子行為，從而影響激光器的工作。70不用Nd:YAG激光器做泵浦用電流激活納米線更理想！將CdS200uACdS納米線末端5umCdS納米線末端發(fā)光室溫，80uA發(fā)射強(qiáng)度與注入電流的關(guān)系CdS納米線發(fā)射光譜280uANature2003421:241-245

注入100nm71200uACdS納米線末端5umCdS納米線室溫，80u納米線的化學(xué)彈性和一維特性使它們成為理想的超小型激光光源，在一系列領(lǐng)域有著非常豐富的應(yīng)用前景。例如納米激光器在光計(jì)算、信息存儲和納米分析等領(lǐng)域，用于電路，可自動調(diào)控開關(guān)，把激光器安裝到芯片上可提高信息存儲量，加速信息技術(shù)的集成化發(fā)展。72納米線的化學(xué)彈性和一維特性使它們成為理想的超小型激光光源，在材料對光的反射和折射材料對光的吸收材料的光發(fā)射材料的受激輻射和激光概述光與固體材料的相互作用光的色散和全反射73材料對光的反射和折射材料對光的吸收材料的光發(fā)射材料的受激輻射材料的光學(xué)性質(zhì)——基礎(chǔ)篇光的本質(zhì)光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜光的波動說光的波動說74材料的光學(xué)性質(zhì)——基礎(chǔ)篇光的本質(zhì)光光光光光光的直線傳播光的干753光的波粒二象性材料的光學(xué)性質(zhì)——基礎(chǔ)篇76光的波粒二象性材料的光學(xué)性質(zhì)——基礎(chǔ)篇4光的電磁性光是一種電磁波，它是電磁場周期性振動的傳播所形成的。光波是一種橫波，電場強(qiáng)度E、磁場強(qiáng)度H的振動方向和光波的傳播方向（即光的能量流動方向）構(gòu)成右手螺旋關(guān)系。光波的偏振性。E、H分別在各自的平面內(nèi)振動。振動方向?qū)鞑シ较虿痪哂袑ΨQ性，旋光現(xiàn)象。光波的能流密度。光波的傳播伴隨著光能量的流動，光強(qiáng)與其振幅成正比。77光的電磁性光是一種電磁波，它是電磁場周期性振動的傳播所形成的電磁波譜圖78電磁波譜圖6遠(yuǎn)紫外近紫外可見近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外（真空紫外）380nm

~780nm200nm

~380nm10nm~200nm780nm~2.5m2.5m

~50m50m

~300m1.5eV3eV2.5eV2eV800nm300nm3.5eV4eV79遠(yuǎn)紫外近紫外可見近紅外中紅外遠(yuǎn)紅外（真空紫外）380紫外-可見-紅外光譜分區(qū)表80紫外-可見-紅外光譜分區(qū)表8光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：（1）電子極化（2）電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電磁輻射的電場分量，在可見光頻率范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中的每個原子都發(fā)生作用，引起電子極化，造成電子云和原子核電荷重心發(fā)生相對位移。所以，當(dāng)光線通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時光波速度被減小，導(dǎo)致折射產(chǎn)生。光子被吸收和發(fā)射，涉及到固體材料中電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變。材料的原子吸收了光子能量之后將較低能級上的電子激發(fā)到較高能量上去，電子發(fā)生的能級變化與電磁波頻率有關(guān)：△E=hv受激電子不可能無限長時間地保持在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后又衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射。光與固體的相互作用81光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：（1）電子極化（2）電子能媒質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時刻，這些子波的包絡(luò)面就是新的波面。也就是說，光波波前（最前沿的波面）上的每一點(diǎn)都可看作球面次波源，每一次波源發(fā)射的球面波以光波的速度v傳播，經(jīng)過時間?t之后形成球面半徑為v?t的球面次波。如此產(chǎn)生的無數(shù)個次波的包絡(luò)就是?t時間后的新波前。垂直于波前（或等相面）的直線代表光波的傳播方向，也就是光線。該原理適用于機(jī)械波和電磁波惠更斯-菲涅耳原理：說明光的傳播定律球面波平面波82媒質(zhì)中波動傳到的各點(diǎn)，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的材料對光的反射和折射材料折射率及其影響因素1、構(gòu)成材料元素的離子半徑介電常數(shù)與介質(zhì)的極化有關(guān)。光的電磁波作用到介質(zhì)上，介質(zhì)的原子受電場作用而極化，正負(fù)電荷重心發(fā)生相對位移，使光子速度減弱。當(dāng)離子半徑增大時，ε增大，因而n隨之增大。如PbS=3.912，SiCl4=1.41283材料對光的反射和折射材料折射率及其影響因素1、構(gòu)成材料元素的2、材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)根據(jù)光通過材料的表現(xiàn)，介質(zhì)分為均質(zhì)介質(zhì)和非均質(zhì)介質(zhì)。均質(zhì)介質(zhì)，材料只有一個折射率，如非晶態(tài)（無定型體）和立方晶體。非均質(zhì)介質(zhì)，光通過時構(gòu)成兩條折射光線。3、材料存在的內(nèi)應(yīng)力有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。4、同質(zhì)異構(gòu)體在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時的晶型折射率低，低溫時存在的晶型折射率高。842、材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)根據(jù)光通過材料的表現(xiàn)，介質(zhì)分為均材料的折射率隨入射光頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。色散對于光學(xué)玻璃是重要參量，因?yàn)樯?yán)重造成單色片透鏡成像不夠清晰。用不同牌號的光學(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡復(fù)合鏡頭，以消除色差，稱為消色差鏡頭。光的色散85材料的折射率隨入射光頻率的減小（或波長的增加）而減小的性質(zhì)，當(dāng)光束從折射率n1較大的光密介質(zhì)進(jìn)入折射率n2較小的光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時，光線被100％反射的現(xiàn)象。這時不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。臨界角全反射應(yīng)用：光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維通常用來傳送無線電、電話、電視和電子計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)。光的全反射折射光86當(dāng)光束從折射率n1較大的光密介質(zhì)進(jìn)入折射率n2較小的光疏介質(zhì)光纖結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層涂敷層護(hù)套纖芯：575μm摻雜了的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小。包層:總直徑為100200μm,折射率稍小于纖芯的摻雜了的SiO2。涂敷層：硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光。護(hù)套：尼龍或有機(jī)材料，增加強(qiáng)度，保護(hù)光纖。87光纖結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層涂敷層護(hù)套纖芯：575μm摻雜了的S光作為一種能量流，在光通過材料傳播時，會引起材料的電子躍遷或使原子振動而消耗能量，使光能的一部分變成熱能，導(dǎo)致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為介質(zhì)對光的吸收。。材料對光的吸收吸收系數(shù)（消光系數(shù)），單位cm-1介質(zhì)厚度吸收系數(shù)與吸收率：朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律c溶液的摩爾濃度（mol/L）88光作為一種能量流，在光通過材料傳播時，會引起材料的電材料對光光吸收的物理機(jī)制光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程。當(dāng)光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處在同一個數(shù)量級時，由此引起的吸收才變得比較重要；電子受激吸收光子而越過禁帶；電子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級上而吸收光；只有當(dāng)入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相等時，光量子才可能被吸收。同時，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。

禁帶較寬的介電固體材料也可以吸收光波，但吸收機(jī)理不是激發(fā)電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，而是因其雜質(zhì)在禁帶中引進(jìn)了附加能級，使電子能夠吸收光子后實(shí)現(xiàn)從價帶到受主能級或從施主能級到導(dǎo)帶的躍遷。89光吸收的物理機(jī)制光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程a)金屬：吸收，不透明；b)絕緣體：不吸收，透明；c)半導(dǎo)體：取決于入射光波長與施主和受主能級Ed,Ea大小。各種類型材料的光吸收行為90a)金屬：吸收，不透明；各種類型材料的光吸收行為18除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的。任何一種物質(zhì)，它對特定波長范圍內(nèi)的光是透明的，而對另一些波長范圍內(nèi)的光卻是不透明的。例如，在光學(xué)材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為一般吸收；但是對于波長范圍為3.5-5.0μm的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇烈變化，這種現(xiàn)象為選擇吸收。換言之，石英對可見光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強(qiáng)烈的吸收。一般吸收和選擇吸收91除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的。一般吸收光譜用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質(zhì)，然后利用攝譜儀或分光光度計(jì)，可以觀測到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶，這表明某些波長或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光譜（absorptionspectrum）大致說來，原子氣體的光譜是線狀譜，而分子氣體、液體和固體的光譜是帶狀譜，吸收光譜的情況也是如此。物質(zhì)的發(fā)射譜（emissionspectrum）有：線狀譜（linespectrum），帶狀譜（bandspectrum）和連續(xù)譜等。值得注意的是，同一物質(zhì)的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，即物質(zhì)自身發(fā)射哪些波長的光，它就強(qiáng)烈吸收這些波長的光。92吸收光譜用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質(zhì)，吸收光譜圖Na吸收光譜葉綠素分子吸收光譜93吸收光譜圖Na吸收光譜葉綠素分子吸收光譜21當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)時，光在晶體內(nèi)分成兩束，它們的折射程度不同，沿著不同的方向傳播，這種現(xiàn)象稱為雙折射。如果讓一束平行的自然光正入射到一塊方解石晶體的一個表面上，將發(fā)現(xiàn)該束光在通過方解石后被分解成了兩束。尋常光（o光）：晶體內(nèi)符合普通折射定律的折射光線；非常光（e光）：晶體內(nèi)違背普通折射定律的折射光線。利用檢偏器可以看出，從雙折射晶體射出的這兩束光都是線偏振光，不過它們的電矢量振動方向不同，其振動方向相互垂直。晶體的雙折射和二向色性94當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)時，光在晶體內(nèi)分成兩束，它們的折射程度晶體結(jié)構(gòu)的各向異性不僅能產(chǎn)生折射率的各向異性（雙折射），而且能產(chǎn)生吸收率的各向異性，這種選擇吸收的性能稱作二向色性。天然的電氣石晶體呈六角型的片狀，長對角線的方向?yàn)槠涔廨S。當(dāng)光線照射在這種晶體表面時，振動的電矢量與光軸平行時被吸收得較少，光可以較多地通過；電矢量與光軸垂直時被吸收得較多，光通過得很少。95晶體結(jié)構(gòu)的各向異性不僅能產(chǎn)生折射率的各向異性（雙折射），而且當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通過不均勻的透明介質(zhì)時，則從各個方向都可以看到光，這是介質(zhì)中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結(jié)果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。光的散射過程中，光與分子的作用幾乎是瞬時的，改變了其光強(qiáng)的空間分布、偏振狀態(tài)或頻率的過程。例如，當(dāng)一束太陽光從窗外射進(jìn)室外內(nèi)時，我們從側(cè)面可以看到光線的徑跡，就是因?yàn)樘柟獗豢諝庵械幕覊m散射的緣故。介質(zhì)的光散射96當(dāng)光束通過均勻的透明介質(zhì)時，從側(cè)面是難以看到光的。但當(dāng)光束通根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射彈性散射：散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。非彈性散射：當(dāng)光通過介質(zhì)時，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當(dāng)使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們在頻率坐標(biāo)上對稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，稱為非彈性散射。光散射分類97根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射分類廷德爾（Tyndall）散射米氏（Mie）散射瑞利（Rayleidl）散射按照散射中心尺度a0與入射光波長λ的大小，分為三類：瑞利散射按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時晨陽與午陽的顏色不同。入射波長越長，散射光強(qiáng)越小，即長波散射要小于短波散射。因?yàn)榇髿饧皦m埃對光譜上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽光透過大氣層越厚，其中藍(lán)紫色光成分損失越多，太陽顯得越紅。Global早晨中午太陽光98彈性散射分類廷德爾（Tyndall）散射按照散射中心尺度a0材料的光發(fā)射1、概述材料的光發(fā)射：是材料以某種方式吸收能量后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程。這種性質(zhì)與材料的能量結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術(shù)所用的發(fā)光材料主要是無機(jī)化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次是半導(dǎo)體，它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應(yīng)用。從應(yīng)用的角度，主要關(guān)注材料的光學(xué)性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度及延續(xù)時間等。99材料的光發(fā)射1、概述材料的光發(fā)射：是材料以某種方式吸收1.平衡輻射只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān)，如白熾燈的發(fā)光。2.非平衡輻射在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。物體發(fā)光可分為平衡輻射和非平衡輻射兩大類固體發(fā)光的微觀過程可以分為兩步：對材料進(jìn)行激勵，即以各種方式輸入能量，將固體中的電子的能量提高到一個非平衡態(tài)，稱為“激發(fā)態(tài)”；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。多數(shù)情況下發(fā)射光子和激發(fā)光子的能量不相等，通常前者小于后者。若發(fā)射光子與激發(fā)光子的能量相等，發(fā)出的輻射就稱為“共振熒光”。向下躍遷未必都發(fā)光，也可能存在激發(fā)的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿臒o輻射躍遷過程。1001.平衡輻射物體發(fā)光可分為平衡輻射和非平衡輻射兩大類固體發(fā)材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量（1）熱輻射（2）電致發(fā)光

（3）光致發(fā)光

（4）化學(xué)發(fā)光

自發(fā)輻射（6）同步輻射光源

（7）激光光源

受激輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射

=(E2-E1)/hE1E2激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射

材料的光發(fā)射2、激勵方式（5）陰極射線發(fā)光

101材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量（1）熱輻射（2）電致材料的光發(fā)射陰極射線發(fā)光光致發(fā)光電致發(fā)光通過光（光頻波段、X射線或γ射線波段）的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而發(fā)光。光致發(fā)光經(jīng)過吸收、能量傳遞及光發(fā)射三個階段。光的吸收及發(fā)射都發(fā)生于能級之間的躍遷，能量傳遞則是激發(fā)態(tài)的運(yùn)動。如熒光燈，就是紫外線激發(fā)熒光粉而發(fā)光。利用高能量的電子轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光。如彩電的顏色就是采用電子束掃描、激發(fā)不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基色光波。對絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場導(dǎo)致發(fā)光，或從外電路將電子（空穴）注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（價帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。由于是在電場作用下的發(fā)光，所以也叫場致發(fā)光。如儀器指示燈的發(fā)光二極管。102材料的光發(fā)射陰極射線發(fā)光光致發(fā)光電致發(fā)光通過光（光頻波段、X材料的光發(fā)射3、材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料的發(fā)光特性主要從發(fā)射光譜、激發(fā)光譜、發(fā)光壽命和發(fā)光效率進(jìn)行評價。發(fā)射光譜在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長的分布。其形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)藍(lán)光綠光發(fā)射光譜反映材料從高能級始發(fā)的向下躍遷過程。由此得到發(fā)光的顏色和強(qiáng)度等信息。103材料的光發(fā)射3、材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料的發(fā)光特性主要從發(fā)射光激發(fā)光譜材料發(fā)射某一種特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光波長而變化的曲線。激發(fā)光譜反映材料從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。由此給出有關(guān)材料能級和能帶結(jié)構(gòu)信息，也可找出使材料發(fā)光的最有效的光激勵波長。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，但激發(fā)光譜≠吸收光譜（因?yàn)橛械牟牧衔展夂蟛灰欢〞l(fā)射光，它可把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉，對發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收是不會在激發(fā)光譜上反映的）。104激發(fā)光譜材料發(fā)射某一種特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光波發(fā)光壽命發(fā)光體在激發(fā)停止后持續(xù)發(fā)光時間的長短稱為發(fā)光壽命（熒光壽命或余輝時間）。發(fā)光壽命定義為光強(qiáng)I衰減到初始值I0的1/e所經(jīng)歷的時間。余輝時間約定為為光強(qiáng)I衰減到初始值I0的1/10的時間。α表示電子在單位時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率。根據(jù)余輝時間的長短把發(fā)光材料分為：超短余輝（<1μs）、短余輝（1~10μs）、中短余輝（10-2~10μs）、中余輝（1~100ms）、長余輝（0.1~1s）、超長余輝（>1s）六個范圍。不同應(yīng)用目的對材料的發(fā)光壽命有不同的要求。105發(fā)光壽命發(fā)光體在激發(fā)停止后持續(xù)發(fā)光時間的長短稱為發(fā)光壽命（熒發(fā)光效率－三種表示方法ηq

、ηp、ηl分別為量子效率、功率效率和光度效率；nout、nin、pout、pin、L分別為發(fā)射光子數(shù)、入射光子數(shù)、發(fā)光功率、吸收光的功率（或輸入的電功率）和發(fā)射的光通量。Φ(λ)為人眼的視見函數(shù)，I(λ)為發(fā)光功率的光譜分布函數(shù)，D為光功當(dāng)量。106發(fā)光效率－三種表示方法ηq、ηp、ηl分別為量子效率、2.復(fù)合發(fā)光

源于固體本征態(tài)的輻射躍遷固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內(nèi)）如II-VI、III-V族半導(dǎo)體發(fā)光1.分立中心發(fā)光

固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷位形坐標(biāo)描述如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）發(fā)光分類固體材料的發(fā)光有兩種微觀物理過程：分立中心發(fā)光和復(fù)合發(fā)光材料的光發(fā)射4、發(fā)光的物理機(jī)制1072.復(fù)合發(fā)光源于固體本征態(tài)的輻射躍遷1.分立中心發(fā)光

其發(fā)光中心通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，或基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個基團(tuán)。

選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長，調(diào)節(jié)其光色。

發(fā)光中心分布在晶體點(diǎn)陣中，受晶體點(diǎn)陣作用，其能量狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響材料的發(fā)光性能。分立中心發(fā)光—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光108分立中心發(fā)光—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光36根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為兩種情況：發(fā)光中心基本上是孤立的，它的發(fā)光光譜與自由離子相似；發(fā)光中心受基質(zhì)點(diǎn)陣電場（或晶體場）影響較大，其發(fā)光特性與自由離子不同，必須把中心和基質(zhì)作為一個整體來分析。稀土離子發(fā)光：“4f4f”電子組態(tài)間的躍遷如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+…線譜，禁戒部分解除“4f5d”電子組態(tài)間的躍遷

如Ce3+帶譜，允許躍遷

特點(diǎn)：及其豐富的能級，具有光譜的可調(diào)性。在＋3價鑭系離子的4fn組態(tài)中共有1639個能級，能級之間可能的躍遷數(shù)目高達(dá)199177個。109根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為兩種情況：稀土11038復(fù)合發(fā)光1.

固體“導(dǎo)帶電子-價帶空穴”間的復(fù)合2.“導(dǎo)帶電子-受主A（空穴）”或“價帶空穴-施主D（電子）”或“D-A”復(fù)合3.激子（“e-h”）或束縛激子的復(fù)合復(fù)合發(fā)光時電子躍遷涉及固體的能帶。電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時價帶上留下一個空穴，因此當(dāng)導(dǎo)帶的電子回到價帶與空穴復(fù)合時，便以光的形式放出能量，這種發(fā)光過程叫復(fù)合發(fā)光。復(fù)合發(fā)光效率：帶間躍遷直接—高（僅有光子參與的電子躍遷）間接—低（有光子和聲子同時參與的電子躍遷）111復(fù)合發(fā)光1.固體“導(dǎo)帶電子-價帶空穴”間的復(fù)合復(fù)合發(fā)光時電發(fā)光二極管原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是在半導(dǎo)體P-N結(jié)或類似的結(jié)構(gòu)中通以正向電流，以高效率發(fā)出可見光或紅外輻射的器件。N型：自由電子導(dǎo)電P型：空穴導(dǎo)電載流子的擴(kuò)散材料的交界處現(xiàn)成空間電荷N區(qū)一側(cè)帶正電，P區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，形成PN結(jié)PN結(jié)內(nèi)的電場方向阻止電子和空穴的進(jìn)一步擴(kuò)散PN結(jié)上施加正向電壓，勢壘減弱，大量電子和空穴流動相遇而產(chǎn)生復(fù)合發(fā)光。112發(fā)光二極管原理半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）是在半導(dǎo)體P-N結(jié)或LED護(hù)欄管LED路牌LED113LED護(hù)欄管LED路牌LED41熒光與磷光一些陶瓷和半導(dǎo)體材料受激發(fā)光，當(dāng)外界激發(fā)源去除，發(fā)光現(xiàn)象隨即很快消失(<10-8s)，稱為熒光。以輻射躍遷形式回到基態(tài)，S1S0。另一類含有雜質(zhì)和缺陷的材料，這些雜質(zhì)在能隙中引入了施主能級，被激發(fā)到導(dǎo)帶中的電子在返回價帶之前，先落入施主能級并被俘獲停留一段較長時間，電子在逃脫這個陷阱之后再返回價帶中的低能級，這時相應(yīng)地放出光子。這種發(fā)光能持續(xù)一段較長的時間(10-3s～10s)

，便稱為磷光。體系間竄躍S1T1，后T1S0禁阻躍遷發(fā)出磷光。材料的光發(fā)射4、材料的發(fā)光性能114熒光與磷光一些陶瓷和半導(dǎo)體材料受激發(fā)光，當(dāng)外界激發(fā)源去除，發(fā)熒光發(fā)光是被激發(fā)的電子跳回價帶時，同時發(fā)射光子。發(fā)磷光的材料往往含有雜質(zhì)并在能隙附近建立了施主能級，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。在它跳回價帶時電子必須先從捕獲陷阱內(nèi)逸出，延遲了光子發(fā)射時間。115熒光發(fā)光是被激發(fā)的電發(fā)磷光的材料往往含有43發(fā)光材料最常用的有以下各類化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化物）；含氧酸鹽（磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、釩酸鹽、鎢酸鹽）；氧化物、硫氧化物、鹵氧化物等。發(fā)光材料的兩類基本原料為基質(zhì)和激活劑?；瘜W(xué)表示式中一般都寫出基質(zhì)和激活劑，如Zn2SiO4:Mn。發(fā)光材料中常常還含有敏化劑，共激活劑。116發(fā)光材料最常用的有以下各類化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化11745光致發(fā)光實(shí)例主要用于各類不同用途的光源，如照明、復(fù)印機(jī)光源、光化學(xué)電源等excitedbysunlight

CdSe

118光致發(fā)光實(shí)例主要用于各類不同用途的光源，如照明、復(fù)印機(jī)光源、Y2O3:Tb陰極射線發(fā)光實(shí)例主要用于電視機(jī)、示波器、雷達(dá)和計(jì)算機(jī)等各類熒光屏和顯示器等發(fā)光前Y2O3:Eu119Y2O3:Tb陰極射線發(fā)光實(shí)例主要用于電視機(jī)、示波器、雷達(dá)SEMimageofY2O3:EunanoparticlesPhotoluminescenceofY2O3:EunanoparticlesunderexcitationofUVlightJ.

ColloidandInterfaceScience273(2004),p.191.120SEMimageofY2O3:EuPhotolumi電致發(fā)光實(shí)例為實(shí)現(xiàn)彩色電致發(fā)光平板顯示，大力開發(fā)摻雜稀土的電致發(fā)光薄膜材料－等離子顯示板（PlasmaDisplayPanel，PDP）43"121電致發(fā)光實(shí)例為實(shí)現(xiàn)彩色電致發(fā)光平板顯示，大力開發(fā)摻雜稀土的電12250有機(jī)電致發(fā)光顯示（organic

electroluminesence

Display）技術(shù)被譽(yù)為具有夢幻般顯示特征的平面顯示技術(shù)，因其發(fā)光機(jī)理與發(fā)光二極管（LED）相似，所以又稱之為OLED（organic

light

emitting

diode）。2000年以來，OLED受到了業(yè)界的極大關(guān)注，開始步入產(chǎn)業(yè)化階段。

按照載流子傳輸層和發(fā)光層有機(jī)薄膜材料的不同，OLED分為兩種技術(shù)類型：一是以有機(jī)染料和顏料等為發(fā)光材料的小分子基OLED，典型的小分子發(fā)光材料為Alq3（8-羥基喹啉鋁）；另一種是以共軛高分子為發(fā)光材料的高分子基OLED，簡稱為PLED，典型的高分子發(fā)光材料為PPV（聚對苯乙炔）。123有機(jī)電致發(fā)光顯示（organic

electrolumine

1990年多孔硅的室溫強(qiáng)可見光發(fā)射被發(fā)現(xiàn)，使人們看到了硅被應(yīng)用于光子學(xué)光源的可能性~2ev124

1990年Adv.Mater.

2003,15,323激發(fā)、發(fā)射光譜實(shí)例375nm534.5nm441.5nm438nm125Adv.Mater.2003,15,323激發(fā)、發(fā)射材料的受激輻射與激光激光又名鐳射（Laser）是受激輻射光放大的簡稱，（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。是一種單色性好,亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的相干光束。激光技術(shù)是20世紀(jì)60年代后發(fā)展起來的一門技術(shù)，它帶動了傅立葉光學(xué)、全息術(shù)、光學(xué)信息處理、光纖通信、非線性光學(xué)和激光光譜學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，形成了現(xiàn)代光學(xué)。大大推動了信息、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、能源和國防領(lǐng)域的現(xiàn)代化進(jìn)程。激光之所以具有傳統(tǒng)光源無與倫比的優(yōu)越性，其根本關(guān)鍵在于它利用了材料的受激輻射。

波長：極紫外──可見光──亞毫米

(100nm）（1.222mm）126材料的受激輻射與激光激光又名鐳射（Laser）是受激輻射光放受激輻射：光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應(yīng)于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子。單位體積單位時間內(nèi)發(fā)生受激輻射的光子數(shù)：N2：高能級原子數(shù)B21：受激輻射系數(shù)B21ρ(ν,T)：受激輻射幾率材料的受激輻射與激光1、受激輻射自發(fā)吸收自發(fā)輻射受激輻射127受激輻射：光子射入物質(zhì)誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光單位體積單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的光子數(shù)：單位體積單位時間內(nèi)發(fā)生受激吸收的光子數(shù)：N2：高能級原子數(shù)A21：自發(fā)輻射系數(shù)(g2,g1分別為高、低能級的簡并度)N1：低能級原子數(shù)B12：受激吸收系數(shù)B12ρ(ν,T)：受激吸收幾率128單位體積單位時間內(nèi)發(fā)生自發(fā)輻射的光子數(shù)：單位體積單位時間內(nèi)發(fā)熱平衡時，不同能級的原子數(shù)服從玻爾茲曼分布受激輻射與吸收同時存在，要產(chǎn)生激光必須N2>N1<1熱平衡不會產(chǎn)生激光！N2>>N1屬非平衡態(tài)原子布局，亦稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)材料的受激輻射與激光2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與激活介質(zhì)一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當(dāng)處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關(guān)鍵是突破玻耳茲曼分布，使高能級的粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)，這個條件稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。如何從技