功能材料PPT系列：光學(xué)材料.ppt

光學(xué)材料,主講：劉守華課件制作：劉守華,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(duì)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,定義,根據(jù)光與材料的相互作用時(shí)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(qiáng)度和位相，使光線按預(yù)定的要求傳輸，也可以吸收或透過(guò)一定波長(zhǎng)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(chǎng)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。,固體的光吸收,基礎(chǔ)吸收或固有吸收：絕緣體和半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)如圖所示，價(jià)帶為滿帶導(dǎo)帶為空帶導(dǎo)帶和價(jià)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(shí)，如果輻射光子的能量太小，不足以使電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，那么晶體就不被激發(fā)，也不會(huì)發(fā)生對(duì)光的吸收。,例：離子晶體的禁帶寬度一般為幾個(gè)電子伏，相當(dāng)于紫外光的能量。純凈的理想離子晶體對(duì)可見(jiàn)光以至紅外區(qū)的光輻射，都不會(huì)發(fā)生光吸收，都是透明的。堿金屬鹵化物晶體對(duì)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(qiáng)的輻射(如紫光)照射離子晶體時(shí)，價(jià)帶中的電子就有可能被激發(fā)跨過(guò)能隙，進(jìn)入導(dǎo)帶，這樣就發(fā)生了光吸收，晶體就會(huì)失透。這種與電子由價(jià)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。,缺陷存在時(shí)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。,這些缺陷的能級(jí)定域在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙之中。當(dāng)材料受到光照時(shí)，受主缺陷能級(jí)接受價(jià)帶遷移來(lái)的電子，而施主能級(jí)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。,無(wú)機(jī)離子固體的光吸收無(wú)機(jī)離子固體的禁帶寬度較大，一般為幾個(gè)電子伏特，相當(dāng)于紫外光區(qū)的能量，故對(duì)可見(jiàn)光到紅外光，能量不足以使其電子越過(guò)能隙，由價(jià)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(shí)，就會(huì)發(fā)生光的吸收，晶體變得不透明。禁帶寬度Eg和吸收波長(zhǎng)的關(guān)系為Eg=h=hc/h普朗克常數(shù)6.6310-34Js，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(jí)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(jiàn)光區(qū)，結(jié)果發(fā)生固體的雜質(zhì)光吸收。,例：Al2O3晶體中Al3+和O2-離子的基態(tài)能級(jí)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(jiàn)光，所以是透明的。若0.1%的Cr3+時(shí)，晶體呈粉紅色，摻入1%的Cr3+時(shí)，晶體呈深紅色，即紅寶石，均可以吸收可見(jiàn)光。晶體呈紅色，表示什么意思？吸收紅光？還是吸收其他波長(zhǎng)的光波？,1.發(fā)光材料,發(fā)光：一般用來(lái)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(guò)熱的階段，直接轉(zhuǎn)換為特征輻射的現(xiàn)象。發(fā)光機(jī)理：?jiǎn)畏肿舆^(guò)程、雙分子過(guò)程,單分子過(guò)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(jí)A，吸收外界能量；當(dāng)電子由回到態(tài)時(shí)對(duì)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(chǎng)，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)。,受迫發(fā)光,特征：發(fā)射過(guò)程分為兩個(gè)階段(如圖)。受激電子MG;且M上的電子也不是直接有上躍遷而來(lái)，而是先由G躍遷到，再到。即：第一階段：熱起伏，即第二階段：由,雙分子過(guò)程發(fā)光,材料吸收能量發(fā)生躍遷，產(chǎn)生電子空穴對(duì)；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(gè)發(fā)光中心上直接進(jìn)行，即原位復(fù)合，這叫做單分子過(guò)程；如果電子在脫離原來(lái)的發(fā)光中心后，在導(dǎo)帶中移動(dòng)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(guò)程。,激發(fā),原位復(fù)合發(fā)光,雙分子復(fù)合發(fā)光,發(fā)光材料的特性,一般而言，對(duì)發(fā)光材料的特性有三個(gè)要求：.發(fā)光顏色：可用發(fā)射光譜進(jìn)行表征，對(duì)應(yīng)譜峰的波長(zhǎng)就是發(fā)光的顏色。一般說(shuō)來(lái)其波長(zhǎng)大于吸收光譜的波長(zhǎng)。,圖5.9發(fā)光材料的發(fā)射光譜和吸收光譜,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(shí)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+；,三基色原理,單一波長(zhǎng)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(zhǎng)成分的光稱為復(fù)合光，復(fù)合光使人眼產(chǎn)生混合色。三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(dú)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(gè)相應(yīng)的補(bǔ)色。即：它與某一顏色以適當(dāng)比例混合時(shí)，可產(chǎn)生白色。例：紅、綠、藍(lán)的補(bǔ)色分別是青、紫、黃。,顏色坐標(biāo)圖,.發(fā)光效率發(fā)光材料的另一重要特性是發(fā)光強(qiáng)度，它隨激發(fā)強(qiáng)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,.發(fā)光持續(xù)時(shí)間依發(fā)光持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(gè)過(guò)程之間的間隙極短，約為1s,現(xiàn)實(shí)中的發(fā)光現(xiàn)象,夜明珠通?！霸诤诎抵邪l(fā)光”的材料都是磷光性材料，屬于長(zhǎng)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(chǎng)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(yáng)放射出的無(wú)數(shù)帶電微粒進(jìn)入地球磁場(chǎng)的范圍時(shí)，受后者的影響，沿地球磁力線高速進(jìn)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(diǎn)碰撞，使它們激發(fā)，由此產(chǎn)生極光。,白熾燈和日光燈,白熾燈發(fā)光：利用熱效應(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(shí)便發(fā)出波長(zhǎng)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。,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(shí)。日光燈壁上的熒光粉為中長(zhǎng)余輝材料，所以在電源切斷后，仍會(huì)發(fā)一短時(shí)間的光。,Laser“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”首寫字母的縮寫，意為受激發(fā)射光放大。,2.激光材料,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,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,激光產(chǎn)生過(guò)程（以紅寶石激光器為例）,紅寶石中Cr3的能級(jí)屬三能級(jí)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(jí)分布服從玻爾茲漫分布，幾乎全部處于基態(tài)E1上(N1N2N3)。泵浦源燈點(diǎn)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(wú)輻射躍遷轉(zhuǎn)移到E2上。E2上的電子壽命較長(zhǎng)，只要脈沖氙燈的光能密度足夠強(qiáng)，就會(huì)出現(xiàn)E2和E1能級(jí)上的電子數(shù)反轉(zhuǎn)，即N2N1。引入一個(gè)v(E2-E1)/h的光子，E2上的一個(gè)電子就會(huì)受其感應(yīng)而向E1躍遷，同時(shí)向外輻射一個(gè)與入射光子相同的光子，這就是所謂的受激輻射。這對(duì)光子在紅寶石中傳播會(huì)激發(fā)出另外兩個(gè)相同的光子，實(shí)現(xiàn)一次光放大。當(dāng)這些光子向紅寶石外傳播時(shí)，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(lái)再次通過(guò)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(qiáng)的相干光(激光)。,紅寶石激光器的主體是一根長(zhǎng)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(gè)側(cè)端裝有1個(gè)鏡子，使得發(fā)出光又返回棒中。另一側(cè)端裝有Q閥。實(shí)際上是個(gè)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(qiáng)度達(dá)到最佳要求時(shí)才被發(fā)射出來(lái)。,激光束在棒中往返通過(guò)，形成了更多的活化中心，就使初始相干輻射脈沖強(qiáng)度變大。,激光的特點(diǎn)：,相干性好方向性好光亮度高單色性純,3.紅外材料,紅外輻射材料理論上只要T0K，物體均可對(duì)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。,常溫遠(yuǎn)紅外線的輻射機(jī)理,T0K(-273)，物體中的電子振動(dòng)或激發(fā)，就會(huì)向外放出輻射能。振動(dòng)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(shí)有回復(fù)原位的趨勢(shì)。電子每往回跳一次就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)量子能，向外輻射出能量。對(duì)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。,這說(shuō)明，常溫（內(nèi)能不變）遠(yuǎn)紅外材料從外界吸收能量，而后以紅外線形式對(duì)外輸出能量，保持能量守恒。,透紅外材料性質(zhì)要求:對(duì)紅外線有較高的透過(guò)率，一般;透過(guò)的短波限要低，透過(guò)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(hào)轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)夜視功能。但若使可見(jiàn)光也能透過(guò)，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(wú)法成像。,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？,光纖的結(jié)構(gòu),纖：細(xì)，可我們看到的光纖都是粗管子？?jī)?nèi)層材料（芯料）+包層材料（涂層）為保護(hù)其不受損壞，最外面再加一層塑料套管。,1).光在光纖中傳播的基本原理,折射定律：由上式得，入射角，折射角。折射角=90時(shí)，這時(shí)入射光線全部返回到原來(lái)的介質(zhì)中去，稱為光的全反射。,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(shuō)當(dāng)入射角還小于90時(shí)，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(jìn)入光疏介質(zhì),光在光纖內(nèi)傳播示意圖,n1,n2,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(bǔ)角？；,光線傳播中的損耗,折射損耗0；所以光纖通訊可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離，高保真的傳輸。其他損耗有沒(méi)有？若：無(wú)，為什么還要在光纖傳輸時(shí)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(qiáng)