第四章材料的光學(xué)性能課件

第四章材料的光學(xué)性能第四章材料的光學(xué)性能4.1概述4.1概述4.2光傳播的基本理論光的現(xiàn)象光的微粒說(shuō)光的波動(dòng)說(shuō)光的電磁說(shuō)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?4.2.1波粒二象性4.2光傳播的基本理論光的現(xiàn)象光的微粒說(shuō)光的波動(dòng)說(shuō)光的電磁說(shuō)介電常數(shù)磁導(dǎo)率介電常數(shù)磁導(dǎo)率（1）光是一種電磁波（2）光波是一種橫波(偏振性)（3）偏振性是橫波的特有性質(zhì)4.2.2光的電磁性（1）光是一種電磁波（2）光波是一種橫波(偏振性)（3）偏振電磁輻射

電磁輻射第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能課件由于人的視覺、植物的光合作用，以及絕大多數(shù)測(cè)量光波的儀器對(duì)光的反應(yīng)主要是光波中的電場(chǎng)所引起，磁場(chǎng)對(duì)介質(zhì)的作用遠(yuǎn)比電場(chǎng)弱，因此討論光波時(shí)往往只考慮電場(chǎng)的作用，所以電場(chǎng)強(qiáng)度矢量被直接作為光矢量。由于人的視覺、植物的光合作用，以及絕大多數(shù)測(cè)量光波的光波的電矢量的振動(dòng)只確定在某個(gè)確定方向稱為平面偏振光，亦稱線偏振光。光波的電矢量在垂直光傳播方向的平面內(nèi)隨時(shí)間規(guī)則變化的軌跡呈橢圓或圓，被分別稱為橢圓偏振光、圓偏振光。光波在垂直光傳播方向的平面內(nèi)電矢量振動(dòng)取向機(jī)會(huì)均等，稱為自然光。光波振動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：光波的電矢量的振動(dòng)只確定在某個(gè)確定方向稱為平面偏振光電磁波光譜?可見光(visiblelight)——能夠引起人的視覺的電磁波。電磁波光譜?可見光(visiblelight)——第四章材料的光學(xué)性能課件光的波動(dòng)性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。雙光束干涉就是指兩束光（同頻率、同振動(dòng)方向）相遇以后，在光的疊加區(qū)，光強(qiáng)重新分布，出現(xiàn)明暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋。4.2.3光的干涉和衍射光的波動(dòng)性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。4.當(dāng)光波傳播遇到障礙物時(shí)，在一定程度上繞過(guò)障礙物（尺寸與波長(zhǎng)相近）而進(jìn)入幾何陰影區(qū)，這種現(xiàn)象稱為衍射。第四章材料的光學(xué)性能課件愛因斯坦提出電磁場(chǎng)（或光場(chǎng)）的能量是不連續(xù)的，其數(shù)值為：式中，ν為光波電磁場(chǎng)的頻率；h為數(shù)值很小的普適常數(shù)，稱為普朗克常數(shù)?？傊?，光既可看成為光波又可看成光子流。光子是電磁場(chǎng)能量和動(dòng)量量子化的粒子，而電磁波是光子的概率波。光作為波的屬性可以用頻率和波長(zhǎng)來(lái)描述，而作為光子的屬性則可以用能量和動(dòng)量來(lái)表征。波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一就定量地反應(yīng)在愛因斯坦兩個(gè)等式之中4.2.4光子的能量和動(dòng)量愛因斯坦提出電磁場(chǎng)（或光場(chǎng)）的能量是不連續(xù)的，其數(shù)值為：4.光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后，如果不考慮吸收、散射等其它形式的能量損耗，則入射光的能量只在兩種介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射、折射。4.3光的反射和折射（1）光在均勻介質(zhì)中直線傳播，在不同的介質(zhì)中具有不同的傳播速度。

（2）光在兩種介質(zhì)的分界面時(shí)遵守反射、折射定律。

（3）光路可逆光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后，如果不考慮吸4.3.1反射定律和折射定律及其影響因素4.3光的反射和折射1.光通過(guò)固體現(xiàn)象

光從一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入到另一個(gè)介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生透射、反射、吸收和散射現(xiàn)象。入射光的能流率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。Φ0=Φτ+Φα+Φm+Φs透射、反射、吸收和散射能流率相對(duì)于入射光所占的比率分別被稱為透射系數(shù)τ、反射系數(shù)α、吸收系數(shù)m和散射系數(shù)s。

τ+α+m+s=1。4.3.1反射定律和折射定律及其影響因素4.3光的反2.反射定律和折射定律4.3光的反射和折射2.反射定律和折射定律4.3光的反射和折射第四章材料的光學(xué)性能課件（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其ε增大，因而n也增大。陶瓷等無(wú)機(jī)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率約等于13.材料折射率的影響因素（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑3.材料折射率的影響因素（3）材料所受的內(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(shí)的晶型折射率n較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率n較高。（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)

非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當(dāng)光通過(guò)時(shí)，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個(gè)折射率，稱為均質(zhì)介質(zhì)。但是除立方晶體以外的其他晶型，都是非均質(zhì)介質(zhì)（雙折射現(xiàn)象）。（3）材料所受的內(nèi)應(yīng)力（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)惠更斯原理：

光波波前（最前沿的波面）上的每一點(diǎn)都可以看做球面次波源。Δt時(shí)間后，無(wú)數(shù)個(gè)次波的包絡(luò)就是新的波前。4.3.2折射率與傳播速度的關(guān)系惠更斯原理：4.3.2折射率與傳播速度的關(guān)系

導(dǎo)出反射定律和折射定律。折射定律：光速與折射率成反比。導(dǎo)出反射定律和折射定律。4.3.2折射率與傳播速度的關(guān)系折射定律：材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對(duì)非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。4.3.2折射率與傳播速度的關(guān)系折射定律：4.3.3反射率和透射率4.3.3反射率和透射率反射率：反射光的功率與入射光的功率之比。透射率：透射光的功率與入射光的功率之比。光的反射率和透射率與光的偏振方向有關(guān)，并隨入射角度而變化。反射率：反射光的功率與入射光的功率之比。透射率：透射光的功率光是橫波，在垂直于傳播方向上，電矢量可以取任何方向。因此，可以分解成兩個(gè)相互垂直的線偏振分量。即振動(dòng)方向垂直于入射平面的s分量和振動(dòng)方向平行于入射平面的p分量。光是橫波，在垂直于傳播方向上，電矢量可以取任當(dāng)入射角和反射角之和為π/2時(shí)，反射光沒有平行入射面的矢量。此時(shí)的入射角稱為布儒斯特角。利用布儒斯特角可以產(chǎn)生偏光。反射率：當(dāng)入射角和反射角之和為π/2時(shí)，反射光沒有平第四章材料的光學(xué)性能課件垂直入射時(shí)：垂直入射時(shí)：第四章材料的光學(xué)性能課件4.3.4光的全反射和光導(dǎo)纖維當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入到光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角達(dá)到某一角度時(shí)，不再有折射光線，光線被全部反射的現(xiàn)象，稱為全反射。全反射臨界角：4.3.4光的全反射和光導(dǎo)纖維當(dāng)光從光密光纖結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層涂敷層護(hù)套光纖結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層涂敷層護(hù)套4.3.5棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡主要用于分光和偏轉(zhuǎn)光的方向；透鏡主要是兩個(gè)球面或曲面包圍而成的透明光學(xué)材料，主要用于聚光和成像；反射是指材料表面潔度非常高的情況下的反射，反射光線具有明確的方向性，一般稱之為鏡反射。漫反射是由于材料表面粗糙，在局部的入射角不同。4.3.5棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡主要用于分光和偏轉(zhuǎn)光的方第四章材料的光學(xué)性能課件一束平行光照射各向同性均質(zhì)的材料時(shí)，除了可能發(fā)生反射和折射而變其傳播方向之外，進(jìn)入材料之后還會(huì)發(fā)生兩種變化。一是光吸收二是光的色散4.4材料對(duì)光的吸收和色散一束平行光照射各向同性均質(zhì)的材料時(shí)，除了可能發(fā)生反射4.4.1光的吸收

1.吸收系數(shù)與吸收率4.4.1光的吸收

1.吸收系數(shù)與吸收率朗伯特（Lambert）定律：

在價(jià)質(zhì)中光強(qiáng)隨傳播距離呈指數(shù)衰減。當(dāng)光的傳播距離達(dá)到1/a時(shí)，強(qiáng)度衰減到入射時(shí)的1/e。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，透過(guò)光的強(qiáng)度越小。產(chǎn)生光吸收的原因：

光作為一種能量流，在穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，引起介質(zhì)的價(jià)電子躍遷，或使原子振動(dòng)而消耗能量。此外介質(zhì)中的價(jià)電子吸收光子能量而激發(fā)，當(dāng)尚未退激時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中與其它分子碰撞，電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥臒釀?dòng)能，從而造成光能的衰減。朗伯特（Lambert）定律：產(chǎn)生光吸收的原因：任何物質(zhì)都只對(duì)特定的波長(zhǎng)范圍表現(xiàn)為透明，而對(duì)另一些波長(zhǎng)范圍則不透明。一：金屬對(duì)光吸收較強(qiáng)----金屬的價(jià)電子處于未滿帶，吸收光子后即呈激發(fā)態(tài)，無(wú)需躍遷到導(dǎo)帶即能產(chǎn)生碰撞而發(fā)熱。二：電介質(zhì)材料，如玻璃、陶瓷等具有較好的透過(guò)性----電子質(zhì)材料的價(jià)電子所處的能帶是滿帶。它不能吸收光子而自由運(yùn)動(dòng)，而光子的能量又不足以使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，所以在一定波長(zhǎng)內(nèi)，吸收率數(shù)小。三：紫外光，能量大，半導(dǎo)體電子就會(huì)吸收能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，此時(shí)吸收系數(shù)大，禁帶寬度Eg為:2光吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系任何物質(zhì)都只對(duì)特定的波長(zhǎng)范圍表現(xiàn)為透明，而對(duì)另第四章材料的光學(xué)性能課件除了真空，沒有一種物質(zhì)對(duì)所有波長(zhǎng)的電磁波都是絕對(duì)透明的。在光學(xué)材料中，石英對(duì)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)象為均勻吸收；但在3.5—5.0μm的紅外光，石英表現(xiàn)為強(qiáng)烈吸收，且吸收率隨波長(zhǎng)的變化劇烈變化，這種同一物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收系數(shù)變化的現(xiàn)象為選擇吸收。均勻吸收和選擇吸收除了真空，沒有一種物質(zhì)對(duì)所有波長(zhǎng)的電磁波都是絕對(duì)透明的。均勻普通玻璃對(duì)可見光是透明的，但是對(duì)紅外線、紫外線都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。在紅外光譜儀中，棱鏡常用對(duì)紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對(duì)紫外線透明的石英制作。實(shí)際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一定的透光極限。任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收（一般吸收和選擇吸收）只是出現(xiàn)的波長(zhǎng)范圍不同而已。

普通玻璃對(duì)可見光是透明的，但是對(duì)紅外線、紫外線都有強(qiáng)烈的紅外吸收光譜：研究離子間的彈性振動(dòng)。紫外吸收光譜：研究半導(dǎo)體的禁帶寬度。吸收光譜紅外吸收光譜：研究離子間的彈性振動(dòng)。吸收光譜4.4.2光的色散材料的折射率隨入射光的頻率減?。ɑ虿ㄩL(zhǎng)的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。在給定入射波長(zhǎng)下，材料的色散：4.4.2光的色散材料的折射率隨入射光的頻率減?。ㄗ畛Ｓ玫臄?shù)值是倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)：描述光學(xué)玻璃的色散常用，平均色散：分別為以鈉的D譜線、氫的F譜線和C譜線為光源測(cè)得的折射率。最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)：第四章材料的光學(xué)性能課件經(jīng)典色散理論：（阻尼受迫振子模型）介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)被看成是正負(fù)電荷之間由一根無(wú)形的彈簧束縛在一起的彈性振子。在光波電磁場(chǎng)的作用下作受迫振動(dòng)，振動(dòng)的相位與振子的固有頻率和光波頻率有關(guān)。受迫振動(dòng)的振子作為次波源向外發(fā)射散射波，由于固體和液體中的這種散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原來(lái)入射光波方向前進(jìn)。次波和入射波疊加，使得合成波的在介質(zhì)中的傳播速度與入射光波的頻率有關(guān)，導(dǎo)致介質(zhì)對(duì)不同頻率的光有著不同的折射率。經(jīng)典色散理論：（阻尼受迫振子模型）由于折射率與原子緊密堆積有關(guān)，所以對(duì)于各向異性材料，在不同的方向上表現(xiàn)出不同的折射率值，因此，當(dāng)單色光束通過(guò)各向異性介質(zhì)的表面時(shí)，由于在各方向上的折射程度不同，折射光會(huì)分成兩束沿著不同的方向傳播。這種現(xiàn)象稱為雙折射。

4.5晶體的雙折射和二向色性4.5.1雙折射由于折射率與原子緊密堆積有關(guān)，所以對(duì)于各向異性材料，通過(guò)改變?nèi)肷涔饩€的方向，可以找到在晶體中存在一些特殊方向，沿這些方向傳播的光并不發(fā)生雙折射，這些特殊方向稱為晶體的光軸。主截面：

光軸和光的傳播方向構(gòu)成的平面。通過(guò)改變?nèi)肷涔饩€的方向，可以找到在晶體中存在一些特殊上述兩條折射光線，光矢量垂直于主截面的光線的折射率，稱為尋常光折射率n0，不論入射光的入射角如何變化，n0始終為一常數(shù)，因而尋常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。另一條光矢量平行于主截面的光線所構(gòu)成的折射率，則隨入射線方向的改變而變化，稱為非常光折射率ne

，它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時(shí)，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，ne達(dá)最大值，此值是材料的特性。上述兩條折射光線，光矢量垂直于主截面的光線的折射尋常光和非常光都是線偏振光，不過(guò)它們的電矢量振動(dòng)方向不同。尋常光的振動(dòng)方向垂直于主截面(光軸和傳播方向構(gòu)成的平面)，而非常光的振動(dòng)方向平行于主截面(不一定都平行于光軸)。

尋常光和非常光都是線偏振光，不過(guò)它們的電矢量振動(dòng)方向4.5.2雙折射現(xiàn)象的解釋

4.5.2雙折射現(xiàn)象的解釋4.5.3折射率橢球4.5.3折射率橢球4.5.4偏振元件偏振片，四分之一波片，二分之一波片等實(shí)現(xiàn)光束偏振狀態(tài)的改變。4.5.5二向色性偏振片晶體結(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，這一性質(zhì)被稱為二向色性。第四章材料的光學(xué)性能課件1、光吸收的物理機(jī)制？2、光色散的物理機(jī)制？3、雙折射的物理機(jī)制？1、光吸收的物理機(jī)制？4.6.1散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系

光通過(guò)含有煙塵、微粒、懸浮液滴或成分不均勻的介質(zhì)時(shí)，都會(huì)有一部分能量偏離原來(lái)的傳播方向而向四面八方彌散，這種現(xiàn)象為光的散射。

這比單一吸收衰減（朗伯特定律）更快。

4.6介質(zhì)的光散射光衰減規(guī)律：

光散射強(qiáng)度：

散射系數(shù)與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對(duì)折射率有關(guān)。

4.6.1散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系

光通過(guò)含有煙第四章材料的光學(xué)性能課件根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長(zhǎng)）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射。非彈性散射要比彈性散射低幾個(gè)數(shù)量級(jí)彈性散射：散射前后光的波長(zhǎng)（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(guò)介質(zhì)時(shí)，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長(zhǎng)（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?cè)陬l率坐標(biāo)上對(duì)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。4.6.1散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長(zhǎng)）變化與否，分為彈性散射與非一、彈性散射分類按照散射中心尺度a0與入射光波長(zhǎng)λ是大小，分為三類：廷德爾散射TyndallScattering

(J.Tyndall，1820-1893)當(dāng)a0?λ時(shí)，σ→0即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)如粉筆灰、白云呈白色例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射。一、彈性散射分類2.米氏散射MileScattering當(dāng)a0與λ相近時(shí)，σ=0～4即散射中心的尺度與光波波長(zhǎng)可以比擬時(shí)，σ在0～4之間,具體取值與散射中心有關(guān).米氏散射性質(zhì)比較復(fù)雜。2.米氏散射MileScattering3.瑞利散射Rayleighscattering當(dāng)a0?λ時(shí)，σ=4即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比通常我們把線度小于光的波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleighscattering）。瑞利散射不改變?cè)肷涔獾念l率。3.瑞利散射Rayleighscattering第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能課件按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時(shí)晨陽(yáng)與午陽(yáng)的顏色不同。入射波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射光強(qiáng)越小，即長(zhǎng)波散射要小于短波散射。因?yàn)榇髿饧皦m埃對(duì)光譜上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽(yáng)光透過(guò)大氣層越厚，其中藍(lán)紫色光成分損失越多，太陽(yáng)顯得越紅。Global早晨中午太陽(yáng)光Global早晨中午太陽(yáng)光彈性散射的原因：

均勻介質(zhì)中存在分布不均、且與其折射率相差較大的雜質(zhì)微粒。物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、分子等微觀粒子在光波電磁場(chǎng)的作用下受迫振動(dòng)，這些受迫振動(dòng)的粒子成為發(fā)光中心向各個(gè)方向發(fā)射球面次波，由于固態(tài)和液態(tài)粒子的結(jié)構(gòu)致密，微粒中每個(gè)分子發(fā)出的次波相位相關(guān)聯(lián)，合成發(fā)射一個(gè)大的次波。由于各個(gè)雜質(zhì)微粒之間空間位置排列毫無(wú)規(guī)律，這些大次波不會(huì)因?yàn)橄辔魂P(guān)系而相互干涉，因此微粒向各個(gè)方向散射光波。歸一散射：發(fā)生在光波前進(jìn)方向的散射。

彈性散射的原因：均勻介質(zhì)中存在分布不均、且與其折射率二、非彈性散射分類1.拉曼散射（Ramanscattering）是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子（即光學(xué)模）對(duì)光波的散射。在光譜圖上距離瑞利線較遠(yuǎn)，它們與瑞利線的頻差可因散射介質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu)不同而在100104cm-1之間變化。2.布里淵散射（Brillouinscattering）是點(diǎn)陣振動(dòng)引起的密度起伏或超聲波對(duì)光波的非彈性散射，即點(diǎn)陣振動(dòng)的聲學(xué)聲子（即聲學(xué)模）與光波之間的能量交換結(jié)果。由于聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子，所以布里淵散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來(lái)。二、非彈性散射分類第四章材料的光學(xué)性能課件波動(dòng)觀點(diǎn)：光的非彈性散射機(jī)制，是光波電磁場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固有振動(dòng)之間的耦合，可激發(fā)介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的振動(dòng)或?qū)е抡駝?dòng)的淬滅，以至于散射光波頻率相應(yīng)出現(xiàn)“紅移”（頻率降低）或“藍(lán)移”（頻率增高）。通常產(chǎn)生拉曼振動(dòng)的的介質(zhì)多由相互約束的正負(fù)離子所組成。正負(fù)離子的周期性振動(dòng)導(dǎo)致偶極矩的周期性變化，這種振動(dòng)偶極矩與光波電磁場(chǎng)的相互作用引起的能量交換，發(fā)生光波的非彈性散射。一般認(rèn)為拉曼散射是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子（光學(xué)模）對(duì)光波的散射。量子力學(xué)觀點(diǎn)：能級(jí)與虛能級(jí)之間的躍遷與回落。波動(dòng)觀點(diǎn)：光的非彈性散射機(jī)制，是光波電磁場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固第四章材料的光學(xué)性能課件虛能級(jí)：電磁場(chǎng)和介質(zhì)相互作用過(guò)程中形成的符合態(tài)。共振拉曼散射：當(dāng)入射光的頻率選擇到使虛能級(jí)正好與介質(zhì)的某個(gè)能級(jí)重合時(shí)，拉曼散射強(qiáng)度會(huì)大大加強(qiáng)。拉曼（Raman）光譜:主要研究點(diǎn)陣振動(dòng)（分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)）虛能級(jí)：電磁場(chǎng)和介質(zhì)相互作用過(guò)程中形成的符合態(tài)。4.7材料的光發(fā)射平衡輻射和非平衡輻射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(lái)的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。光發(fā)射的定義材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過(guò)程。4.7材料的光發(fā)射平衡輻射和非平衡輻射光發(fā)射的定義自然界中很多物質(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(wú)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，其次的半導(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(shí)間等。第四章材料的光學(xué)性能課件液晶顯示超薄電視等離子顯示器日光燈精密探頭手機(jī)發(fā)光材料筆記本陰極射線液晶相機(jī)液晶超薄等離子顯示器日光燈精密探頭手機(jī)發(fā)光材料筆記本陰極射線光源能夠發(fā)光的物體稱為光源=(E2-E1)/hE1E2?原子光波列(wavetrain)光源能夠發(fā)光的物體稱為光源=(E2-E1)/hE1（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（5）同步輻射光源（6）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發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量4.7.1激勵(lì)方式

（1）熱輻射（2）電致發(fā)光（3）光致發(fā)光（4）化學(xué)發(fā)光光激勵(lì)（光致發(fā)光）通過(guò)光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)光。激勵(lì)光源可以采用光頻波段、x-射線波段、γ-射線波段。如熒光燈：通過(guò)紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。光激勵(lì)（光致發(fā)光）電激勵(lì)（電致發(fā)光）通過(guò)對(duì)絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場(chǎng)而導(dǎo)致發(fā)光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（或價(jià)帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。如儀器指示燈的發(fā)光二極管：半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光。電激勵(lì)（電致發(fā)光）陰極射線發(fā)光利用高能量的電子來(lái)轟擊材料，通過(guò)電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過(guò)程。如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。陰極射線發(fā)光所用材料：主要是透明的無(wú)機(jī)化合物，包括禁帶寬度比較大的絕緣體和半導(dǎo)體材料。有機(jī)發(fā)光材料進(jìn)來(lái)也得到了較快發(fā)展。發(fā)光材料的構(gòu)成：基體（基質(zhì)）激活劑—發(fā)光中心。助溶劑—促進(jìn)材料的結(jié)晶或與激活劑匹配。4.7.2材料發(fā)光的基本性質(zhì)所用材料：主要是透明的無(wú)機(jī)化合物，包括禁帶寬度比較大的絕緣一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強(qiáng)發(fā)射光波長(zhǎng)指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長(zhǎng)的分布。其形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)。反映材料中從高能級(jí)始發(fā)的向下躍遷過(guò)程。一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強(qiáng)發(fā)射光波長(zhǎng)發(fā)射光譜發(fā)射光譜二、激發(fā)光譜：發(fā)光強(qiáng)度激發(fā)光波長(zhǎng)指材料發(fā)射某一特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光的波長(zhǎng)而變化的曲線能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長(zhǎng)也一定是材料可以吸收的波長(zhǎng)，但激發(fā)光譜≠吸收光譜（因?yàn)橛械牟牧衔展夂蟛灰欢〞?huì)發(fā)射光，其可能把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉對(duì)發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收是不會(huì)在激發(fā)光譜上反映的）。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過(guò)程。二、激發(fā)光譜：發(fā)光強(qiáng)度激發(fā)光波長(zhǎng)激發(fā)光譜激發(fā)光譜三、發(fā)光壽命：發(fā)光壽命指發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短。發(fā)光強(qiáng)度也以指數(shù)規(guī)律衰減：余輝時(shí)間：從激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度I0衰減到I0/10的時(shí)間，按余輝時(shí)間長(zhǎng)短分為：超長(zhǎng)余輝（＞1s）、長(zhǎng)余輝（0.11s）、中余輝（1100ms）、中短余輝（10-21ms）、短余輝（110μs）、超短余輝（＜1μs）n-初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)α-電子在單位時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率τ=1/α–發(fā)光壽命三、發(fā)光壽命：n-初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)四、發(fā)光效率量子效率ηq：指發(fā)射光子數(shù)nout與吸收光子數(shù)（或輸入的電子數(shù)）nin之比。功率效率ηp：表示發(fā)光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。光度效率ηl：表示發(fā)射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。功率效率與光度效率的關(guān)系：

Φ（λ）-人眼的視見函數(shù)I（λ）-發(fā)光功率的光譜分布函數(shù)D–光功當(dāng)量四、發(fā)光效率按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分：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3.特殊的復(fù)合發(fā)光BaF2型固體中局域中心內(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4.7.3發(fā)光的物理機(jī)制按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分：2.復(fù)合發(fā)光源于固體本征態(tài)的輻一、分立中心發(fā)光

—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光

其發(fā)光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(gè)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(zhǎng)，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，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而影響材料發(fā)光性能。一、分立中心發(fā)光—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光根據(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(chǎng)（或晶體場(chǎng)）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(gè)整體來(lái)分析。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：晶格場(chǎng)對(duì)發(fā)光離子的主要影響：（1）晶格場(chǎng)影響光譜結(jié)構(gòu)用于晶格場(chǎng)的擾動(dòng)會(huì)引起中心離子簡(jiǎn)并能級(jí)分裂，導(dǎo)致發(fā)光譜線分裂。（2）晶格場(chǎng)影響光譜的相對(duì)強(qiáng)度改變了躍遷選擇。（3）晶格場(chǎng)影響發(fā)光壽命改變了躍遷選擇。晶格場(chǎng)對(duì)發(fā)光離子的主要影響：（1）晶格場(chǎng)影響光譜結(jié)構(gòu)（2）晶Eu3+離子在不同基質(zhì)材料中的發(fā)射光譜Eu3+離子二、復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光與分立中心發(fā)光最根本的區(qū)別在于，復(fù)合發(fā)光時(shí)電子的躍遷涉及固體的能帶。由于電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時(shí)在價(jià)帶上留下一個(gè)空穴，因此當(dāng)導(dǎo)帶的電子回到價(jià)帶與空穴復(fù)合時(shí)，便以光的形式放出能量。復(fù)合發(fā)光的所發(fā)射光子的能量等于禁帶寬度。通常采用半導(dǎo)體材料，以摻雜的方式提高發(fā)光效率。二、復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光與分立中心發(fā)光最根本如果在P-N結(jié)上加正向電壓，內(nèi)電場(chǎng)勢(shì)壘的高度降低，勢(shì)壘區(qū)的寬度變窄。由于勢(shì)壘減弱，電子就源源不斷從N區(qū)流向P區(qū)，空穴反之，大量的電子和空穴相遇復(fù)合，并以光的形式釋放能量。如果在P-N結(jié)上加正向電壓，內(nèi)電場(chǎng)勢(shì)壘的高度降低，4.8材料的受激輻射和激光20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激光；輻射能量在空間和時(shí)間上高度集中，其亮度比太陽(yáng)強(qiáng)1010倍；用途：信息、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、能源和國(guó)防領(lǐng)域。4.8材料的受激輻射和激光20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激光；1917年愛因斯坦在研究“黑體輻射能量分布”問(wèn)題時(shí)，提出-光與物質(zhì)的相互作用除了光吸收、光發(fā)射著兩個(gè)基本過(guò)程之外，還存在第三個(gè)基本過(guò)程----受激輻射。問(wèn)題：光與物理相作用的三種過(guò)程以及它們之間的關(guān)系？1917年愛因斯坦在研究“黑體輻射能量分布”問(wèn)題時(shí)，提出-光4.8.1受激輻射光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)基本過(guò)程：

光的吸收、光發(fā)射、受激輻射自發(fā)輻射過(guò)程4.8.1受激輻射光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)基本過(guò)程：

光的吸注：從高能E2向低能E1自發(fā)、獨(dú)立地發(fā)射一個(gè)光子，除了能量（頻率）受上式制約之外，其發(fā)射方向和偏振態(tài)都是隨機(jī)和無(wú)規(guī)則的。單位體積、單位時(shí)間發(fā)生自發(fā)輻射原子數(shù)：N2代表高能E2的原子密度；A21代表自發(fā)輻射躍遷概率-自發(fā)輻射系數(shù)。與原子的性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)。負(fù)號(hào)表明自發(fā)輻射導(dǎo)致N2隨時(shí)間減少。自發(fā)輻射的光子數(shù)注：從高能E2向低能E1自發(fā)、獨(dú)立地發(fā)射一個(gè)光子，除了能量（如果原子處于低能級(jí)，當(dāng)有能量滿足hv=E2-E1的光子時(shí)，原子則可能吸收一個(gè)光子并躍遷到高能級(jí)E2。由于這個(gè)吸收過(guò)程只有存在適當(dāng)頻率的外來(lái)光子時(shí)才會(huì)發(fā)生，故稱為“受激吸收”。單位體積、單位時(shí)間發(fā)生受激吸收的原子數(shù)：其中系數(shù)B12稱為受激吸收系數(shù)，輻射場(chǎng)的能量密度，受激吸收幾率。吸收的結(jié)果導(dǎo)致高能級(jí)的原子數(shù)增加。如果原子處于低能級(jí)，當(dāng)有能量滿足hv=E2-E1的光子時(shí)，原受激輻射的過(guò)程：當(dāng)一個(gè)能量滿足hv=E2-E1的光子趨近高能級(jí)E2的原子時(shí)，有可能入射的光子非但不被吸收，反而誘導(dǎo)高能級(jí)原子發(fā)射一個(gè)和自已性質(zhì)完全相同的光子來(lái)。特點(diǎn)：受激輻射的光子和入射光子具有相同的頻率、方向和偏振狀態(tài)。受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程，它的發(fā)生使高能級(jí)的原子數(shù)減少。受激輻射的過(guò)程：當(dāng)一個(gè)能量滿足hv=E2-E1的光子趨近高能單位體積、單位時(shí)間發(fā)生受激輻射的原子數(shù)：其中系數(shù)B21稱為受激輻射系數(shù)，輻射場(chǎng)的能量密度，受激輻射幾率。單位體積、單位時(shí)間發(fā)生受激輻射的原子數(shù)：其中系數(shù)B21稱為受在熱平衡的條件下，只有當(dāng)輻射體發(fā)射的光子數(shù)（包括自發(fā)輻射和受激輻射）等于吸收的光子數(shù)時(shí)，才能保持輻射場(chǎng)能量密度不變。在熱平衡的條件下，只有當(dāng)輻射體發(fā)射的受激輻射的意義愛因斯坦的黑體輻射理論首次預(yù)言了受激輻射的存在，明確提出了光子和受激輻射概念，以更清晰的物理圖像解釋了黑體輻射的規(guī)律—近半個(gè)世紀(jì)后制造出了第一臺(tái)激光器。受激輻射的意義愛因斯坦的黑體輻射理論首次預(yù)言了受激輻射的存在4.8.2激活介質(zhì)1、受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)與受激吸收的光子數(shù)之比等于E2/E1能級(jí)上的粒子數(shù)之比；2、怎樣才能使受激輻射占主導(dǎo)地位呢？關(guān)鍵在于設(shè)法突破玻耳茲曼分布，使上能級(jí)的粒子數(shù)>下能級(jí)的粒子數(shù)---稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。3、熱平衡下，光波通過(guò)物質(zhì)體系時(shí)總是或多或少的被吸收，因而越來(lái)越弱；但是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系相反。4、激活介質(zhì)：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)，具有對(duì)光的放大作用。4.8.2激活介質(zhì)1、受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)與受激吸收的光子光波通過(guò)介質(zhì)時(shí)強(qiáng)度隨距離呈：由于一般介質(zhì)的吸收系數(shù)α為正數(shù)，所以I<I0。對(duì)于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)介質(zhì)，吸收系數(shù)為負(fù)數(shù)，如令g=-a，g為增益系數(shù)，則有：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱為“負(fù)吸收介質(zhì)”或“增益介質(zhì)”，即對(duì)光波有放大作用的介質(zhì)。光波通過(guò)介質(zhì)時(shí)強(qiáng)度隨距離呈：由于受激輻光子的性質(zhì)與入射光子完全一樣，激活介質(zhì)光放大的結(jié)果，就能使特定頻率、特定方向、特定偏振態(tài)的光得到增強(qiáng)，當(dāng)增益足以克服損耗時(shí)，即形成激光輻射。激勵(lì)的種類不同分：氣體激勵(lì)；核能激勵(lì)；激光激勵(lì)等。由于受激輻光子的性質(zhì)與入射光子完全一樣，激活介質(zhì)光放大的結(jié)果實(shí)例固體激光通過(guò)光激勵(lì)（稱為光泵），要求介質(zhì)有較寬的吸收譜帶，使得有較多發(fā)光中心離子被激發(fā)。被激發(fā)的離子一般通過(guò)無(wú)輻射躍遷過(guò)渡到激光作用的高能級(jí)。這個(gè)過(guò)程希望有高的量子效率，以達(dá)到高的熒光量子效率。發(fā)射激光的高能級(jí)應(yīng)具有較長(zhǎng)的壽命，以便可積累較多的粒子，利于形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。實(shí)例第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能課件4.8.3光學(xué)諧振腔和模式真正產(chǎn)生激光必須要求受激輻射在頻率、方向、偏振上集中。光學(xué)諧振腔是發(fā)揮這一作用的部件，諧振腔通常由放置在激活介質(zhì)兩端的兩面反射鏡所構(gòu)成，反射鏡的內(nèi)表面蒸鍍對(duì)特定波長(zhǎng)具有高反射率的介質(zhì)膜或金屬膜。4.8.3光學(xué)諧振腔和模式真正產(chǎn)生激光必須要求受激輻射在頻諧振腔主要作用：1、提供光的正反饋為了使光強(qiáng)不斷放大，讓一定波長(zhǎng)的自發(fā)輻射光在兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射并反復(fù)通過(guò)激活介質(zhì)，以誘發(fā)受激輻射。2、限制或選擇光束的方向因?yàn)橹挥心切┗旧涎刂R面法線方面運(yùn)行的光束，才會(huì)被鏡面反射回來(lái)而經(jīng)激活介質(zhì)反復(fù)放大形成強(qiáng)光束，而其他方向的光波都會(huì)很快逸出腔外，不可能積累到很高的強(qiáng)度，所以，諧振腔限制了激光束的方向。諧振腔主要作用：3、選擇光的模式或振蕩頻率被諧振腔來(lái)回反射的光束彼此疊加起來(lái)，將形成光強(qiáng)在空間的穩(wěn)定分布。不同的模式分布對(duì)應(yīng)于不同的頻率。這種駐波的頻率滿足：4、將腔內(nèi)激光束的一部分耦合到腔外作為輸出光束，提供人們使用3、選擇光的模式或振蕩頻率4.8.4激光振蕩條件激勵(lì)過(guò)程中對(duì)光強(qiáng)的增益和損耗兩個(gè)因素：1、激活介質(zhì)的光放大作用對(duì)一定的波長(zhǎng)有增益。2、介質(zhì)的散射和吸收會(huì)造成光的損耗。反射鏡的反射率不足100%（有一定透射）對(duì)腔內(nèi)光波也是一種損耗。顯然，僅光增益超過(guò)損耗時(shí)才會(huì)實(shí)現(xiàn)激光振蕩。---“閾值條件”。4.8.4激光振蕩條件激勵(lì)過(guò)程中對(duì)光強(qiáng)的增益和損耗兩個(gè)第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能第四章材料的光學(xué)性能4.1概述4.1概述4.2光傳播的基本理論光的現(xiàn)象光的微粒說(shuō)光的波動(dòng)說(shuō)光的電磁說(shuō)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?4.2.1波粒二象性4.2光傳播的基本理論光的現(xiàn)象光的微粒說(shuō)光的波動(dòng)說(shuō)光的電磁說(shuō)介電常數(shù)磁導(dǎo)率介電常數(shù)磁導(dǎo)率（1）光是一種電磁波（2）光波是一種橫波(偏振性)（3）偏振性是橫波的特有性質(zhì)4.2.2光的電磁性（1）光是一種電磁波（2）光波是一種橫波(偏振性)（3）偏振電磁輻射

電磁輻射第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能課件由于人的視覺、植物的光合作用，以及絕大多數(shù)測(cè)量光波的儀器對(duì)光的反應(yīng)主要是光波中的電場(chǎng)所引起，磁場(chǎng)對(duì)介質(zhì)的作用遠(yuǎn)比電場(chǎng)弱，因此討論光波時(shí)往往只考慮電場(chǎng)的作用，所以電場(chǎng)強(qiáng)度矢量被直接作為光矢量。由于人的視覺、植物的光合作用，以及絕大多數(shù)測(cè)量光波的光波的電矢量的振動(dòng)只確定在某個(gè)確定方向稱為平面偏振光，亦稱線偏振光。光波的電矢量在垂直光傳播方向的平面內(nèi)隨時(shí)間規(guī)則變化的軌跡呈橢圓或圓，被分別稱為橢圓偏振光、圓偏振光。光波在垂直光傳播方向的平面內(nèi)電矢量振動(dòng)取向機(jī)會(huì)均等，稱為自然光。光波振動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：光波的電矢量的振動(dòng)只確定在某個(gè)確定方向稱為平面偏振光電磁波光譜?可見光(visiblelight)——能夠引起人的視覺的電磁波。電磁波光譜?可見光(visiblelight)——第四章材料的光學(xué)性能課件光的波動(dòng)性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。雙光束干涉就是指兩束光（同頻率、同振動(dòng)方向）相遇以后，在光的疊加區(qū)，光強(qiáng)重新分布，出現(xiàn)明暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋。4.2.3光的干涉和衍射光的波動(dòng)性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。4.當(dāng)光波傳播遇到障礙物時(shí)，在一定程度上繞過(guò)障礙物（尺寸與波長(zhǎng)相近）而進(jìn)入幾何陰影區(qū)，這種現(xiàn)象稱為衍射。第四章材料的光學(xué)性能課件愛因斯坦提出電磁場(chǎng)（或光場(chǎng)）的能量是不連續(xù)的，其數(shù)值為：式中，ν為光波電磁場(chǎng)的頻率；h為數(shù)值很小的普適常數(shù)，稱為普朗克常數(shù)?？傊?，光既可看成為光波又可看成光子流。光子是電磁場(chǎng)能量和動(dòng)量量子化的粒子，而電磁波是光子的概率波。光作為波的屬性可以用頻率和波長(zhǎng)來(lái)描述，而作為光子的屬性則可以用能量和動(dòng)量來(lái)表征。波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一就定量地反應(yīng)在愛因斯坦兩個(gè)等式之中4.2.4光子的能量和動(dòng)量愛因斯坦提出電磁場(chǎng)（或光場(chǎng)）的能量是不連續(xù)的，其數(shù)值為：4.光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后，如果不考慮吸收、散射等其它形式的能量損耗，則入射光的能量只在兩種介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射、折射。4.3光的反射和折射（1）光在均勻介質(zhì)中直線傳播，在不同的介質(zhì)中具有不同的傳播速度。

（2）光在兩種介質(zhì)的分界面時(shí)遵守反射、折射定律。

（3）光路可逆光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后，如果不考慮吸4.3.1反射定律和折射定律及其影響因素4.3光的反射和折射1.光通過(guò)固體現(xiàn)象

光從一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入到另一個(gè)介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生透射、反射、吸收和散射現(xiàn)象。入射光的能流率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。Φ0=Φτ+Φα+Φm+Φs透射、反射、吸收和散射能流率相對(duì)于入射光所占的比率分別被稱為透射系數(shù)τ、反射系數(shù)α、吸收系數(shù)m和散射系數(shù)s。

τ+α+m+s=1。4.3.1反射定律和折射定律及其影響因素4.3光的反2.反射定律和折射定律4.3光的反射和折射2.反射定律和折射定律4.3光的反射和折射第四章材料的光學(xué)性能課件（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其ε增大，因而n也增大。陶瓷等無(wú)機(jī)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率約等于13.材料折射率的影響因素（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑3.材料折射率的影響因素（3）材料所受的內(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(shí)的晶型折射率n較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率n較高。（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)

非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當(dāng)光通過(guò)時(shí)，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個(gè)折射率，稱為均質(zhì)介質(zhì)。但是除立方晶體以外的其他晶型，都是非均質(zhì)介質(zhì)（雙折射現(xiàn)象）。（3）材料所受的內(nèi)應(yīng)力（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)惠更斯原理：

光波波前（最前沿的波面）上的每一點(diǎn)都可以看做球面次波源。Δt時(shí)間后，無(wú)數(shù)個(gè)次波的包絡(luò)就是新的波前。4.3.2折射率與傳播速度的關(guān)系惠更斯原理：4.3.2折射率與傳播速度的關(guān)系

導(dǎo)出反射定律和折射定律。折射定律：光速與折射率成反比。導(dǎo)出反射定律和折射定律。4.3.2折射率與傳播速度的關(guān)系折射定律：材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對(duì)非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。4.3.2折射率與傳播速度的關(guān)系折射定律：4.3.3反射率和透射率4.3.3反射率和透射率反射率：反射光的功率與入射光的功率之比。透射率：透射光的功率與入射光的功率之比。光的反射率和透射率與光的偏振方向有關(guān)，并隨入射角度而變化。反射率：反射光的功率與入射光的功率之比。透射率：透射光的功率光是橫波，在垂直于傳播方向上，電矢量可以取任何方向。因此，可以分解成兩個(gè)相互垂直的線偏振分量。即振動(dòng)方向垂直于入射平面的s分量和振動(dòng)方向平行于入射平面的p分量。光是橫波，在垂直于傳播方向上，電矢量可以取任當(dāng)入射角和反射角之和為π/2時(shí)，反射光沒有平行入射面的矢量。此時(shí)的入射角稱為布儒斯特角。利用布儒斯特角可以產(chǎn)生偏光。反射率：當(dāng)入射角和反射角之和為π/2時(shí)，反射光沒有平第四章材料的光學(xué)性能課件垂直入射時(shí)：垂直入射時(shí)：第四章材料的光學(xué)性能課件4.3.4光的全反射和光導(dǎo)纖維當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入到光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角達(dá)到某一角度時(shí)，不再有折射光線，光線被全部反射的現(xiàn)象，稱為全反射。全反射臨界角：4.3.4光的全反射和光導(dǎo)纖維當(dāng)光從光密光纖結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層涂敷層護(hù)套光纖結(jié)構(gòu)示意圖纖芯包層涂敷層護(hù)套4.3.5棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡主要用于分光和偏轉(zhuǎn)光的方向；透鏡主要是兩個(gè)球面或曲面包圍而成的透明光學(xué)材料，主要用于聚光和成像；反射是指材料表面潔度非常高的情況下的反射，反射光線具有明確的方向性，一般稱之為鏡反射。漫反射是由于材料表面粗糙，在局部的入射角不同。4.3.5棱鏡、透鏡和反射鏡棱鏡主要用于分光和偏轉(zhuǎn)光的方第四章材料的光學(xué)性能課件一束平行光照射各向同性均質(zhì)的材料時(shí)，除了可能發(fā)生反射和折射而變其傳播方向之外，進(jìn)入材料之后還會(huì)發(fā)生兩種變化。一是光吸收二是光的色散4.4材料對(duì)光的吸收和色散一束平行光照射各向同性均質(zhì)的材料時(shí)，除了可能發(fā)生反射4.4.1光的吸收

1.吸收系數(shù)與吸收率4.4.1光的吸收

1.吸收系數(shù)與吸收率朗伯特（Lambert）定律：

在價(jià)質(zhì)中光強(qiáng)隨傳播距離呈指數(shù)衰減。當(dāng)光的傳播距離達(dá)到1/a時(shí)，強(qiáng)度衰減到入射時(shí)的1/e。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，透過(guò)光的強(qiáng)度越小。產(chǎn)生光吸收的原因：

光作為一種能量流，在穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，引起介質(zhì)的價(jià)電子躍遷，或使原子振動(dòng)而消耗能量。此外介質(zhì)中的價(jià)電子吸收光子能量而激發(fā)，當(dāng)尚未退激時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中與其它分子碰撞，電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥臒釀?dòng)能，從而造成光能的衰減。朗伯特（Lambert）定律：產(chǎn)生光吸收的原因：任何物質(zhì)都只對(duì)特定的波長(zhǎng)范圍表現(xiàn)為透明，而對(duì)另一些波長(zhǎng)范圍則不透明。一：金屬對(duì)光吸收較強(qiáng)----金屬的價(jià)電子處于未滿帶，吸收光子后即呈激發(fā)態(tài)，無(wú)需躍遷到導(dǎo)帶即能產(chǎn)生碰撞而發(fā)熱。二：電介質(zhì)材料，如玻璃、陶瓷等具有較好的透過(guò)性----電子質(zhì)材料的價(jià)電子所處的能帶是滿帶。它不能吸收光子而自由運(yùn)動(dòng)，而光子的能量又不足以使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，所以在一定波長(zhǎng)內(nèi)，吸收率數(shù)小。三：紫外光，能量大，半導(dǎo)體電子就會(huì)吸收能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶，此時(shí)吸收系數(shù)大，禁帶寬度Eg為:2光吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系任何物質(zhì)都只對(duì)特定的波長(zhǎng)范圍表現(xiàn)為透明，而對(duì)另第四章材料的光學(xué)性能課件除了真空，沒有一種物質(zhì)對(duì)所有波長(zhǎng)的電磁波都是絕對(duì)透明的。在光學(xué)材料中，石英對(duì)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)象為均勻吸收；但在3.5—5.0μm的紅外光，石英表現(xiàn)為強(qiáng)烈吸收，且吸收率隨波長(zhǎng)的變化劇烈變化，這種同一物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收系數(shù)變化的現(xiàn)象為選擇吸收。均勻吸收和選擇吸收除了真空，沒有一種物質(zhì)對(duì)所有波長(zhǎng)的電磁波都是絕對(duì)透明的。均勻普通玻璃對(duì)可見光是透明的，但是對(duì)紅外線、紫外線都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。在紅外光譜儀中，棱鏡常用對(duì)紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對(duì)紫外線透明的石英制作。實(shí)際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一定的透光極限。任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收（一般吸收和選擇吸收）只是出現(xiàn)的波長(zhǎng)范圍不同而已。

普通玻璃對(duì)可見光是透明的，但是對(duì)紅外線、紫外線都有強(qiáng)烈的紅外吸收光譜：研究離子間的彈性振動(dòng)。紫外吸收光譜：研究半導(dǎo)體的禁帶寬度。吸收光譜紅外吸收光譜：研究離子間的彈性振動(dòng)。吸收光譜4.4.2光的色散材料的折射率隨入射光的頻率減小（或波長(zhǎng)的增加）而減小的性質(zhì)，稱為折射率的色散。在給定入射波長(zhǎng)下，材料的色散：4.4.2光的色散材料的折射率隨入射光的頻率減?。ㄗ畛Ｓ玫臄?shù)值是倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)：描述光學(xué)玻璃的色散常用，平均色散：分別為以鈉的D譜線、氫的F譜線和C譜線為光源測(cè)得的折射率。最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)：第四章材料的光學(xué)性能課件經(jīng)典色散理論：（阻尼受迫振子模型）介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)被看成是正負(fù)電荷之間由一根無(wú)形的彈簧束縛在一起的彈性振子。在光波電磁場(chǎng)的作用下作受迫振動(dòng)，振動(dòng)的相位與振子的固有頻率和光波頻率有關(guān)。受迫振動(dòng)的振子作為次波源向外發(fā)射散射波，由于固體和液體中的這種散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原來(lái)入射光波方向前進(jìn)。次波和入射波疊加，使得合成波的在介質(zhì)中的傳播速度與入射光波的頻率有關(guān)，導(dǎo)致介質(zhì)對(duì)不同頻率的光有著不同的折射率。經(jīng)典色散理論：（阻尼受迫振子模型）由于折射率與原子緊密堆積有關(guān)，所以對(duì)于各向異性材料，在不同的方向上表現(xiàn)出不同的折射率值，因此，當(dāng)單色光束通過(guò)各向異性介質(zhì)的表面時(shí)，由于在各方向上的折射程度不同，折射光會(huì)分成兩束沿著不同的方向傳播。這種現(xiàn)象稱為雙折射。

4.5晶體的雙折射和二向色性4.5.1雙折射由于折射率與原子緊密堆積有關(guān)，所以對(duì)于各向異性材料，通過(guò)改變?nèi)肷涔饩€的方向，可以找到在晶體中存在一些特殊方向，沿這些方向傳播的光并不發(fā)生雙折射，這些特殊方向稱為晶體的光軸。主截面：

光軸和光的傳播方向構(gòu)成的平面。通過(guò)改變?nèi)肷涔饩€的方向，可以找到在晶體中存在一些特殊上述兩條折射光線，光矢量垂直于主截面的光線的折射率，稱為尋常光折射率n0，不論入射光的入射角如何變化，n0始終為一常數(shù)，因而尋常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。另一條光矢量平行于主截面的光線所構(gòu)成的折射率，則隨入射線方向的改變而變化，稱為非常光折射率ne

，它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時(shí)，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，ne達(dá)最大值，此值是材料的特性。上述兩條折射光線，光矢量垂直于主截面的光線的折射尋常光和非常光都是線偏振光，不過(guò)它們的電矢量振動(dòng)方向不同。尋常光的振動(dòng)方向垂直于主截面(光軸和傳播方向構(gòu)成的平面)，而非常光的振動(dòng)方向平行于主截面(不一定都平行于光軸)。

尋常光和非常光都是線偏振光，不過(guò)它們的電矢量振動(dòng)方向4.5.2雙折射現(xiàn)象的解釋

4.5.2雙折射現(xiàn)象的解釋4.5.3折射率橢球4.5.3折射率橢球4.5.4偏振元件偏振片，四分之一波片，二分之一波片等實(shí)現(xiàn)光束偏振狀態(tài)的改變。4.5.5二向色性偏振片晶體結(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，這一性質(zhì)被稱為二向色性。第四章材料的光學(xué)性能課件1、光吸收的物理機(jī)制？2、光色散的物理機(jī)制？3、雙折射的物理機(jī)制？1、光吸收的物理機(jī)制？4.6.1散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系

光通過(guò)含有煙塵、微粒、懸浮液滴或成分不均勻的介質(zhì)時(shí)，都會(huì)有一部分能量偏離原來(lái)的傳播方向而向四面八方彌散，這種現(xiàn)象為光的散射。

這比單一吸收衰減（朗伯特定律）更快。

4.6介質(zhì)的光散射光衰減規(guī)律：

光散射強(qiáng)度：

散射系數(shù)與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對(duì)折射率有關(guān)。

4.6.1散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系

光通過(guò)含有煙第四章材料的光學(xué)性能課件根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長(zhǎng)）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射。非彈性散射要比彈性散射低幾個(gè)數(shù)量級(jí)彈性散射：散射前后光的波長(zhǎng)（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(guò)介質(zhì)時(shí)，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長(zhǎng)（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?cè)陬l率坐標(biāo)上對(duì)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。4.6.1散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長(zhǎng)）變化與否，分為彈性散射與非一、彈性散射分類按照散射中心尺度a0與入射光波長(zhǎng)λ是大小，分為三類：廷德爾散射TyndallScattering

(J.Tyndall，1820-1893)當(dāng)a0?λ時(shí)，σ→0即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān)如粉筆灰、白云呈白色例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射。一、彈性散射分類2.米氏散射MileScattering當(dāng)a0與λ相近時(shí)，σ=0～4即散射中心的尺度與光波波長(zhǎng)可以比擬時(shí)，σ在0～4之間,具體取值與散射中心有關(guān).米氏散射性質(zhì)比較復(fù)雜。2.米氏散射MileScattering3.瑞利散射Rayleighscattering當(dāng)a0?λ時(shí)，σ=4即當(dāng)散射中心的線度遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比通常我們把線度小于光的波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleighscattering）。瑞利散射不改變?cè)肷涔獾念l率。3.瑞利散射Rayleighscattering第四章材料的光學(xué)性能課件第四章材料的光學(xué)性能課件按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時(shí)晨陽(yáng)與午陽(yáng)的顏色不同。入射波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射光強(qiáng)越小，即長(zhǎng)波散射要小于短波散射。因?yàn)榇髿饧皦m埃對(duì)光譜上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽(yáng)光透過(guò)大氣層越厚，其中藍(lán)紫色光成分損失越多，太陽(yáng)顯得越紅。Global早晨中午太陽(yáng)光Global早晨中午太陽(yáng)光彈性散射的原因：

均勻介質(zhì)中存在分布不均、且與其折射率相差較大的雜質(zhì)微粒。物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、分子等微觀粒子在光波電磁場(chǎng)的作用下受迫振動(dòng)，這些受迫振動(dòng)的粒子成為發(fā)光中心向各個(gè)方向發(fā)射球面次波，由于固態(tài)和液態(tài)粒子的結(jié)構(gòu)致密，微粒中每個(gè)分子發(fā)出的次波相位相關(guān)聯(lián)，合成發(fā)射一個(gè)大的次波。由于各個(gè)雜質(zhì)微粒之間空間位置排列毫無(wú)規(guī)律，這些大次波不會(huì)因?yàn)橄辔魂P(guān)系而相互干涉，因此微粒向各個(gè)方向散射光波。歸一散射：發(fā)生在光波前進(jìn)方向的散射。

彈性散射的原因：均勻介質(zhì)中存在分布不均、且與其折射率二、非彈性散射分類1.拉曼散射（Ramanscattering）是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子（即光學(xué)模）對(duì)光波的散射。在光譜圖上距離瑞利線較遠(yuǎn)，它們與瑞利線的頻差可因散射介質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu)不同而在100104cm-1之間變化。2.布里淵散射（Brillouinscattering）是點(diǎn)陣振動(dòng)引起的密度起伏或超聲波對(duì)光波的非彈性散射，即點(diǎn)陣振動(dòng)的聲學(xué)聲子（即聲學(xué)模）與光波之間的能量交換結(jié)果。由于聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子，所以布里淵散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來(lái)。二、非彈性散射分類第四章材料的光學(xué)性能課件波動(dòng)觀點(diǎn)：光的非彈性散射機(jī)制，是光波電磁場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固有振動(dòng)之間的耦合，可激發(fā)介質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的振動(dòng)或?qū)е抡駝?dòng)的淬滅，以至于散射光波頻率相應(yīng)出現(xiàn)“紅移”（頻率降低）或“藍(lán)移”（頻率增高）。通常產(chǎn)生拉曼振動(dòng)的的介質(zhì)多由相互約束的正負(fù)離子所組成。正負(fù)離子的周期性振動(dòng)導(dǎo)致偶極矩的周期性變化，這種振動(dòng)偶極矩與光波電磁場(chǎng)的相互作用引起的能量交換，發(fā)生光波的非彈性散射。一般認(rèn)為拉曼散射是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子（光學(xué)模）對(duì)光波的散射。量子力學(xué)觀點(diǎn)：能級(jí)與虛能級(jí)之間的躍遷與回落。波動(dòng)觀點(diǎn)：光的非彈性散射機(jī)制，是光波電磁場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)微觀粒子固第四章材料的光學(xué)性能課件虛能級(jí)：電磁場(chǎng)和介質(zhì)相互作用過(guò)程中形成的符合態(tài)。共振拉曼散射：當(dāng)入射光的頻率選擇到使虛能級(jí)正好與介質(zhì)的某個(gè)能級(jí)重合時(shí)，拉曼散射強(qiáng)度會(huì)大大加強(qiáng)。拉曼（Raman）光譜:主要研究點(diǎn)陣振動(dòng)（分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)）虛能級(jí)：電磁場(chǎng)和介質(zhì)相互作用過(guò)程中形成的符合態(tài)。4.7材料的光發(fā)射平衡輻射和非平衡輻射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(lái)的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。光發(fā)射的定義材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過(guò)程。4.7材料的光發(fā)射平衡輻射和非平衡輻射光發(fā)射的定義自然界中很多物質(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(wú)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，其次的半導(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(shí)間等。第四章材料的光學(xué)性能課件液晶顯示超薄電視等離子顯示器日光燈精密探頭手機(jī)發(fā)光材料筆記本陰極射線液晶相機(jī)液晶超薄等離子顯示器日光燈精密探頭手機(jī)發(fā)光材料筆記本陰極射線光源能夠發(fā)光的物體稱為光源=(E2-E1)/hE1E2?原子光波列(wavetrain)光源能夠發(fā)光的物體稱為光源=(E2-E1)/hE1（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（5）同步輻射光源（6）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發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量4.7.1激勵(lì)方式

（1）熱輻射（2）電致發(fā)光（3）光致發(fā)光（4）化學(xué)發(fā)光光激勵(lì)（光致發(fā)光）通過(guò)光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)光。激勵(lì)光源可以采用光頻波段、x-射線波段、γ-射線波段。如熒光燈：通過(guò)紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。光激勵(lì)（光致發(fā)光）電激勵(lì)（電致發(fā)光）通過(guò)對(duì)絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場(chǎng)而導(dǎo)致發(fā)光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（或價(jià)帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。如儀器指示燈的發(fā)光二極管：半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光。電激勵(lì)（電致發(fā)光）陰極射線發(fā)光利用高能量的電子來(lái)轟擊材料，通過(guò)電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過(guò)程。如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。陰極射線發(fā)光所用材料：主要是透明的無(wú)機(jī)化合物，包括禁帶寬度比較大的絕緣體和半導(dǎo)體材料。有機(jī)發(fā)光材料進(jìn)來(lái)也得到了較快發(fā)展。發(fā)光材料的構(gòu)成：基體（基質(zhì)）激活劑—發(fā)光中心。助溶劑—促進(jìn)材料的結(jié)晶或與激活劑匹配。4.7.2材料發(fā)光的基本性質(zhì)所用材料：主要是透明的無(wú)機(jī)化合物，包括禁帶寬度比較大的絕緣一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強(qiáng)發(fā)射光波長(zhǎng)指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長(zhǎng)的分布。其形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)。反映材料中從高能級(jí)始發(fā)的向下躍遷過(guò)程。一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強(qiáng)發(fā)射光波長(zhǎng)發(fā)射光譜發(fā)射光譜二、激發(fā)光譜：發(fā)光強(qiáng)度激發(fā)光波長(zhǎng)指材料發(fā)射某一特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光的波長(zhǎng)而變化的曲線能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長(zhǎng)也一定是材料可以吸收的波長(zhǎng)，但激發(fā)光譜≠吸收光譜（因?yàn)橛械牟牧衔展夂蟛灰欢〞?huì)發(fā)射光，其可能把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉對(duì)發(fā)光沒有貢獻(xiàn)的吸收是不會(huì)在激發(fā)光譜上反映的）。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過(guò)程。二、激發(fā)光譜：發(fā)光強(qiáng)度激發(fā)光波長(zhǎng)激發(fā)光譜激發(fā)光譜三、發(fā)光壽命：發(fā)光壽命指發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短。發(fā)光強(qiáng)度也以指數(shù)規(guī)律衰減：余輝時(shí)間：從激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度I0衰減到I0/10的時(shí)間，按余輝時(shí)間長(zhǎng)短分為：超長(zhǎng)余輝（＞1s）、長(zhǎng)余輝（0.11s）、中余輝（1100ms）、中短余輝（10-21ms）、短余輝（110μs）、超短余輝（＜1μs）n-初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)α-電子在單位時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率τ=1/α–發(fā)光壽命三、發(fā)光壽命：n-初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)四、發(fā)光效率量子效率ηq：指發(fā)射光子數(shù)nout與吸收光子數(shù)（或輸入的電子數(shù)）nin之比。功率效率ηp：表示發(fā)光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。光度效率ηl：表示發(fā)射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。功率效率與光度效率的關(guān)系：

Φ（λ）-人眼的視見函數(shù)I（λ）-發(fā)光功率的光譜分布函數(shù)D–光功當(dāng)量四、發(fā)光效率按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分：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3.特殊的復(fù)合發(fā)光BaF2型固體中局域中心內(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4.7.3發(fā)光的物理機(jī)制按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分：2.復(fù)合發(fā)光源于固體本征態(tài)的輻一、分立中心發(fā)光

—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光

其發(fā)光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(gè)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(zhǎng)，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，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而影響材料發(fā)光性能。一、分立中心發(fā)光—RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光根據(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(chǎng)（或晶體場(chǎng)）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(gè)整體來(lái)分析。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：晶格場(chǎng)對(duì)發(fā)光離子的主要影響：（1）晶格場(chǎng)影響光譜結(jié)構(gòu)用于晶格場(chǎng)的擾動(dòng)會(huì)引起中心離子簡(jiǎn)并能級(jí)分裂，導(dǎo)致發(fā)光譜線分裂。（2）晶格場(chǎng)影響光譜的相對(duì)強(qiáng)度改變了躍遷選擇。（3）晶格場(chǎng)影響發(fā)光壽命改變了躍遷選擇。晶格場(chǎng)對(duì)發(fā)光離子的主要影響：（1）晶格場(chǎng)影響光譜結(jié)構(gòu)（2）晶Eu3+離子在不同基質(zhì)材料中的發(fā)射光譜Eu3+離子二、復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光與分立中心發(fā)光最根本的區(qū)別在于，復(fù)合發(fā)光時(shí)電子的躍遷涉及固體的能帶。由于電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時(shí)在價(jià)帶上留下一個(gè)空穴，因此當(dāng)導(dǎo)帶的電子回到價(jià)帶與空穴復(fù)合時(shí)，便以光的形式放出能量。復(fù)合發(fā)光的所發(fā)射光子的能量等于禁帶寬度。通常采用半導(dǎo)體材料，以摻雜的方式提高發(fā)光效率。二、復(fù)合發(fā)光復(fù)合發(fā)光與分立中心發(fā)光最根本如果