《無(wú)機(jī)材料光學(xué)》PPT課件.ppt

無(wú)機(jī)材料光學(xué)性能 無(wú)機(jī)材料2007教師 李享成同學(xué) 2 無(wú)機(jī)材料的光學(xué)性能 無(wú)機(jī)材料的主要用途 器件 窗口 透鏡 激光器 光導(dǎo)纖維等除了大量使用玻璃 還有部分需要使用透明陶瓷 如高壓鈉燈的外殼用透明陶瓷 激光陶瓷日用陶瓷的顏色 光澤等也和陶瓷的光學(xué)性能有關(guān) 3 光速 真空 折射率 折射定律 三線共面 1 兩媒質(zhì)界面上光的折射和反射 4 折射 光在不同材料中速度不同 材料對(duì)光有折射 折射率為 n c v材料 n 1N的影響因素 構(gòu)成材料元素的離子半徑 離子半徑越大 材料極化 折射率增加 5 材料的結(jié)構(gòu) 晶型和非晶態(tài) 材料的各向同性 材料一個(gè)折射率 各向異性 材料有雙折射率材料的內(nèi)應(yīng)力 應(yīng)力將改變材料的折射率同質(zhì)異構(gòu)體 高溫型的折射率低 低溫型較高 6 2 光的反射與折射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 7 正是因?yàn)榻橘|(zhì)的極化 拖住 了電磁波的步伐 才使得其傳播速度變得比真空中慢 鐵磁性材料非鐵磁性材料 8 在真空中 光以恒定的速度傳播 與光的頻率無(wú)關(guān) 然而 在通過(guò)任何物質(zhì)時(shí) 光的傳播速度要發(fā)生變化 而且不同頻率的光在同物質(zhì)中的傳播速度也不同 這一事實(shí)在折射現(xiàn)象中最明顯地反映了了出來(lái) 即物質(zhì)的折射率與光的頻率有關(guān) 折射率n取決于真空中光速c和物質(zhì)中光速u(mài)之比 即這種光在介質(zhì)中的傳播速度 或介質(zhì)的折射率 隨其頻率 或波長(zhǎng) 的減小而減小的現(xiàn)象 稱(chēng)為光的色散現(xiàn)象 6 4 3介質(zhì)對(duì)光的色散色散的一般現(xiàn)象 9 1672年牛頓首先利用棱鏡的色散現(xiàn)象 把日光分解成了彩色光帶 棱鏡的折射率為在棱鏡頂角A已知的條件下 通過(guò)最小偏向角 m的測(cè)量 利用上式可以得到棱鏡材料對(duì)該波長(zhǎng)的光的折射率n 用各種波長(zhǎng) 的光入射 即可得到 m和n隨波長(zhǎng) 的變化關(guān)系 10 4反射 反射率R 透射系數(shù) 1 R 11 光疏介質(zhì)和光密介質(zhì)全反射 當(dāng)光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì) 且入射角大于臨界角時(shí) 光線被100 反射的現(xiàn)象 此時(shí)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 光纖導(dǎo)光原理 全反射 光的全反射 12 光纖結(jié)構(gòu)示意圖 纖芯 5 75 m摻雜了的SiO2 n一定或隨半徑增加而減小 包層 總直徑為100 200 m 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 光的全反射 13 5介質(zhì)對(duì)光的吸收 在光束通過(guò)物質(zhì)時(shí) 它的傳播情況將要發(fā)生變化 首先光束越深入物質(zhì) 它的光強(qiáng)將越減弱 這是由于一部分光的能量被物質(zhì)所吸收 而另一部分光向各個(gè)方向散射所造成的 這就是光的吸收和散射現(xiàn)象 其次 光在物質(zhì)中的速度將小于光在真空中的速度 并將隨頻率而改變 這就是光的色散現(xiàn)象 光的吸收 散射和色散這三種現(xiàn)象 都是由于光與物質(zhì)的相互作用引起的 實(shí)質(zhì)上是由光與原子中的電子相互作用引起的 14 換言之 若入射光強(qiáng)為I0 則通過(guò)l的物質(zhì)后的光強(qiáng)為稱(chēng)為布格定律 Bouguerlaw 或朗伯定律 式中 是與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的比例系數(shù) 稱(chēng)為該物質(zhì)的吸收系數(shù)該定律是布格 P Bouguer 1698 1758 在1729年發(fā)現(xiàn)的 后來(lái)朗伯 J H Lambert 1728 1777 在1760年又重新作了表述 吸收定律 15 可見(jiàn)光中波長(zhǎng)最短的是紫光 波長(zhǎng)最長(zhǎng)的是紅光 所以 Eg 1 8eV的半導(dǎo)體材料 是不透明的 因?yàn)樗锌梢?jiàn)光都可以通過(guò)激發(fā)價(jià)帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被吸收 Eg 1 8 3 1的非金屬材料 是帶色透明的 因?yàn)橹挥胁糠挚梢?jiàn)光通過(guò)激發(fā)價(jià)帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被材料吸收 吸收的物理機(jī)制 16 除了真空 沒(méi)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 任何一種物質(zhì) 它對(duì)某些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光可以是透明的 而對(duì)另一些波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光卻可以是不透明的 例如 在光學(xué)材料中 石英對(duì)所有可見(jiàn)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(duì)于波長(zhǎng)范圍為3 5 5 0 m的紅外光卻是不透明的 且吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)劇烈變化 這種現(xiàn)象為選擇吸收 換言之 石英對(duì)可見(jiàn)光和紫外線的吸收甚微 而對(duì)上述紅外光有強(qiáng)烈的吸收 一般吸收和選擇吸收 17 又例如 普通玻璃對(duì)可見(jiàn)光是透明的 但是對(duì)紅外線主紫外線都有強(qiáng)烈的吸收 是不透明的 因此在紅外光譜儀中 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只是出現(xiàn)的波長(zhǎng)范圍不同而已 6 3 18 光的散射導(dǎo)致原來(lái)傳播方向上光強(qiáng)的減弱如果只計(jì)及各種散射因素 光強(qiáng)隨傳播距離的散射減弱仍符合指數(shù)衰減規(guī)律 對(duì)于一般介質(zhì)中光強(qiáng)的減弱 來(lái)自兩個(gè)方面 吸收和散射 因此光強(qiáng)衰減為 6介質(zhì)對(duì)光的散射光散射現(xiàn)象 19 一 彈性散射分類(lèi)按照散射中心尺度a0與入射光波長(zhǎng) 是大小 分為三類(lèi) 1 廷德?tīng)柹⑸銽yndallScattering J Tyndall 1820 1893 當(dāng)a0 時(shí) 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 20 2 米氏散射MieScattering當(dāng)a0與 相近時(shí) 0 4即散射中心的尺度與光波波長(zhǎng)可以比擬時(shí) 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 21 3 瑞利散射Rayleighscattering當(dāng)a0 時(shí) 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(chēng)為瑞利散射 Rayleighscattering 瑞利散射不改變?cè)肷涔獾念l率 22 為了解釋天空為什么呈蔚藍(lán)色 瑞利 J W S Rayleigh 1842 1919 研究了線度比光的波長(zhǎng)小的微粒的散射問(wèn)題 在1871年提出了散射光強(qiáng)與波長(zhǎng)的四次方成反比的關(guān)系 即這就是瑞利散射定律 瑞利散射定律 23 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 24 7無(wú)機(jī)材料的透光性 介質(zhì)對(duì)光的吸收光在介質(zhì)內(nèi)部因?yàn)榕鲎布盁嵝?yīng)使得光的能量衰減 既光被介質(zhì)吸收郎伯特定律 光強(qiáng)度隨著厚度的變化符合指數(shù)衰減規(guī)律半導(dǎo)體對(duì)光的波長(zhǎng)有選擇性吸收 因?yàn)榘雽?dǎo)體的Eg關(guān)系 半導(dǎo)體對(duì)滿足其電子躍遷的能量有選擇 這樣材料有透光性 25 無(wú)機(jī)材料的透光性 無(wú)機(jī)材料是多晶多相體系 除了晶體外 還有氣孔 雜質(zhì) 晶界 微裂紋等 它們將對(duì)光波產(chǎn)生散射 一般地 無(wú)機(jī)材料是不透明的透光度 綜合指標(biāo) 光能通過(guò)陶瓷材料后 剩余光能所占的百分比 如教材第185頁(yè)圖4 6影響因素多 具體有如下原因 26 吸收系數(shù) 材料對(duì)光的吸收 不是主要原因反射系數(shù) 反射越大 材料的透光性越差散射系數(shù) 影響材料透光性的主要原因 有材料的宏觀及顯微缺陷 晶粒的排列方向 氣孔引起的散射 這將非常影響材料的透光性能 27 提高無(wú)機(jī)材料透光性的措施 提高原料的純度添加外加劑 一方面這些質(zhì)點(diǎn)將降低材料的透光率 但由于添加這些外加劑將可以降低材料的氣孔 從而提高材料的透光率工藝措施 采用熱壓法比普通燒結(jié)法更容易排除氣孔 即降低氣孔 將晶粒定向排列將可以提高材料的透光率 28 8激光 圖4 1原子的三種激發(fā)方式 29 三種激發(fā)方式 受激吸收 入射光的能量hv被吸收 原子從E1躍遷到E2 hv E2 E1 自發(fā)輻射 原子從高能級(jí)自發(fā)躍遷到低能級(jí) 輻射光子hv E2 E1 光的方向的隨機(jī)的 受激輻射 受入射光hv激發(fā) 原子從E2躍遷到E1 輻射出二個(gè)與入射光同方向同相位的光 二個(gè)光又去誘發(fā)更多的發(fā)光粒子 30 激光原理 圖4 25激光原理 a 原子在入射光hv3的激發(fā)下 從基態(tài)躍遷到最高能帶E3 b 在E3上的原子迅速躍遷到亞穩(wěn)帶E2 輻射出hv32 c E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 粒子在其上作較長(zhǎng)時(shí)間停留 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) d 在任一入射光的輻射下 產(chǎn)生受激輻射出激光 31 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) E2上的原子比E1上的多 激光工作物質(zhì) 二能級(jí)系統(tǒng) E1 E2 既使有光的激勵(lì) 也不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 需有一個(gè)能級(jí) 粒子能在該能級(jí)上具有較長(zhǎng)的停留時(shí)間或較小的自發(fā)輻射機(jī)率 此能級(jí)稱(chēng)為亞穩(wěn)態(tài)能級(jí) 圖4 2 32 泵浦 粒子從低能級(jí)進(jìn)入高能級(jí)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的過(guò)程 泵浦源 實(shí)現(xiàn)泵浦的裝置 如自發(fā)輻射的強(qiáng)光或激光束 輝光或高壓放電 電子空穴復(fù)合 化學(xué)反應(yīng)等 工作 激活 物質(zhì) 能夠?qū)崿F(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì) 處于亞穩(wěn)態(tài) 激活態(tài) 諧振腔 把激光介質(zhì)放在一對(duì)反向鏡之間 R1 1 R2 1 只在諧振腔軸線方向及其附件能夠得到激光輸出 33 光纖放大器示意圖 激光二極管發(fā)出種子光 經(jīng)耦合器 進(jìn)入到摻鉺光纖中 將光纖泵浦 34 激光特點(diǎn) 極好的方向性 單色性 極小的線寬 相干性強(qiáng) 極高的亮度 35 激光種類(lèi) 按工作物質(zhì)分 氣體LaserHe Ne 1 10 小功率 離子氣體 Ar 染料激光器泵浦源 CO2大功率Laser KrF準(zhǔn)分子 液體Laser染料Laser固體LaserNd YAG半導(dǎo)體Laser輸入能量低 效率高 體積小 重量輕 GaAs AlGaAs GaAs AlGaAs 36 37 Example Calculatetherangeofmagnitudeofenergytransitionsthatareinvolvedintheabsorptionofvisiblelightbytransitionmetalions 38 Solution Ineachcase theabsorptionmechanisminvolvesaphotonbeingconsumedbygivingitsenergyasgivenbythefollowedequationtoanelectronthatispromotedtoahigherenergylevel Th