材物4章材料的光學(xué)

4.7材料的光發(fā)射一、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)射光子的過程，這就是光發(fā)射。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)時間等。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)下物體偏離了原來的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。4.7材料的光發(fā)射光源能夠發(fā)光的物體稱為光源=(E2-E1)/hE1E2?原子光波列(wavetrain)?一般光源的發(fā)光特點：1間歇性；2隨機(jī)性。（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4.7材料的光發(fā)射

4.7.1激勵方式材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量4.7材料的光發(fā)射

4.7.1激勵方式一、光激勵（光致發(fā)光）通過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：通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。4.7材料的光發(fā)射

4.7.1激勵方式二、陰極射線發(fā)光利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程。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)三種基本光波而實現(xiàn)發(fā)光。4.7材料的光發(fā)射

4.7.2激勵方式三、電激勵（電致發(fā)光）通過對絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場而導(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。一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強(qiáng)發(fā)射光波長指在一定的激發(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)。反映材料中從高能級始發(fā)的向下躍遷過程。4.7材料的光發(fā)射

4.7.3材料發(fā)光的基本性質(zhì)二、激發(fā)光譜：發(fā)光強(qiáng)度激發(fā)光波長指材料發(fā)射某一特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光的波長而變化的曲線能夠引起材料發(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（因為有的材料吸收光后不一定會發(fā)射光困難把吸收的光能轉(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）。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。4.7材料的光發(fā)射

4.7.3材料發(fā)光的基本性質(zhì)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)光時間的長短。發(fā)光強(qiáng)度也以指數(shù)規(guī)律衰減：余輝時間：從激發(fā)停止時的發(fā)光強(qiáng)度I0衰減到I0

/10的時間，按余輝時間長短分為：超長余輝（＞1s）、長余輝（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-電子在單位時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率τ=1/α–發(fā)光壽命4.7材料的光發(fā)射

4.7.3材料發(fā)光的基本性質(zhì)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4.7材料的光發(fā)射

4.7.3材料發(fā)光的基本性質(zhì)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材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制一、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陣中，受晶體點陣作用，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而影響材料餓發(fā)光性能。4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制根據(jù)發(fā)光中心與晶體點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。4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制稀土離子發(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：及其豐富的能級，具有光譜的可調(diào)性。4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制缺陷發(fā)光—F心，PWO的綠光、紅光中心，

ZnO的綠光，ZrO2的發(fā)光氧化物、氟化物、堿鹵化物，負(fù)離子缺位（電子陷阱）+eF心4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制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)合二、復(fù)合發(fā)光4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制固體中可能的躍遷（1）帶間吸收；（21）帶間發(fā)射或自由激子發(fā)射（因有一定結(jié)合能，略<Eg,圖上未顯示）；（22）有一定聲子參與的光發(fā)射；（3）—（5）與雜質(zhì)、缺陷有關(guān)的輻射復(fù)合；（6）分立中心內(nèi)部的發(fā)射；（7）無輻射（多聲子）弛豫；（8）俄歇Auger過程4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制復(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）帶間躍遷中要保持能量守衡和動量守衡4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制發(fā)光體被激發(fā)后，電子、空穴如何運動，激發(fā)態(tài)如何去激發(fā)激發(fā)能量傳遞發(fā)光研究方法：發(fā)光衰減（），激發(fā)光譜，時間分辨譜，發(fā)光的濃度依賴，溫度依賴，熱釋光。4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制一、能量傳遞現(xiàn)象：激發(fā)于某處（某中心），發(fā)光在另一處（另一中心）如Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發(fā)時，Mn不發(fā)光，Ca3(PO4)2:Ce，250nm激發(fā)時，Ce發(fā)光，Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發(fā)時，可見Mn，Ce發(fā)光，CeMn激發(fā)CdS10-5cm發(fā)射4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制

二、能量傳遞方式：載流子傳遞再吸收光子傳遞共振傳遞激子傳遞VBCB發(fā)光激發(fā)CuZnS:Cu4.7材料的光發(fā)射

4.7.4發(fā)光的物理機(jī)制激光（Laser）是受激輻射光放大的簡稱，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)，它帶動了傅里葉光學(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)。僅就全息照相和傅里葉光學(xué)中的一些最基礎(chǔ)的內(nèi)容作扼要的介紹。7-1激光（Laser）4.8材料的受激輻射和激光全息照相全息術(shù)（holography）是利用光的干涉和衍射原理，將攜帶物質(zhì)信息的光波以干涉圖的形式記錄下來，并且在一定的條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的立體象。由于記錄了物體的全部信息，包括振幅和相位因此稱為全息術(shù)?！?其它光學(xué)性質(zhì)

7.2全息照相為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)，伽伯（D.Gabor，1900—1979）在1948年提出了全息術(shù)原理，并開始了全息照相（holography）的早期研究工作。那時的主要問題是再現(xiàn)的原始象與其共軛象不能分離，以及沒有好的相干光源。1960年出現(xiàn)了激光以后，1962年萊特（E.Leith）和烏帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息術(shù)中利用了激光，并提出了離軸全息術(shù)，使全息技術(shù)迅速發(fā)展成為科學(xué)技術(shù)的一個新領(lǐng)域。激光記錄和白光再現(xiàn)的全息術(shù)，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息術(shù)在顯示方面展現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，并逐步深入到了社會的各個領(lǐng)域中。而且，聲全息術(shù)和微波全息術(shù)等也已經(jīng)開始發(fā)展，但進(jìn)展遠(yuǎn)不如光學(xué)全息術(shù)。§7其它光學(xué)性質(zhì)

7.2全息照相全息照片的獲得——光的干涉由激光器發(fā)出的激光束，通過分光鏡分成兩束。一束稱物光，它是經(jīng)過透鏡擴(kuò)束后射向物體，再由物體反射后投向全息干版；另一束光經(jīng)反射鏡反射和透鏡擴(kuò)束后直接照到全息干版上，稱為參考光。在干版上相遇后，發(fā)生干涉，形成干涉條紋。它是無數(shù)組干涉條紋的集合，最終形成一肉眼不能識別的全息圖。干涉條紋的間距：d=λ/2sin(θ/2)§7其它光學(xué)性質(zhì)

7.2全息照相全息照片的再現(xiàn)——光的衍射感光以后的全息底片經(jīng)顯影、定影等處理得到的全息照片上，記錄了無數(shù)干涉條紋，相當(dāng)于一個“衍射光柵”，一般是用相同于拍攝時的激光作為照明光，照明光經(jīng)全息照片（即“光柵”）便發(fā)生衍射，得到一列沿照射方向傳播的零級衍射光波和二列一級衍射波。透鏡物體透鏡全息干板全反鏡全反鏡分光鏡電快門He--Ne激光器全息照片的拍攝§7其它光學(xué)性質(zhì)

7.2全息照相全息照片的主要特點立體感強(qiáng)。具有分割性。同一張全息干版可重疊多個全息圖。有視差效應(yīng)。改變?nèi)⒄掌恢没蚋淖児獠úㄩL可使再現(xiàn)圖像放大或縮小。7-2共軛實像三維虛像全息照片激光全息照片的再現(xiàn)§7其它光學(xué)性質(zhì)

7.2全息照相傅立葉光學(xué)光學(xué)信息處理20世紀(jì)30年代以來，光學(xué)與電通訊和電信息理論相互結(jié)合，逐漸形成了傅立葉光學(xué)。傅立葉光學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是傅立葉變換，它的物理基礎(chǔ)是光的衍射理論。阿貝成象原理：1873年，阿貝（E.Abbe，1840—1905）在顯微鏡成象原理的論述中，首次提出了空間頻率和空間頻譜以及兩次衍射成象的概念，并用傅立葉變換來闡明顯微鏡成象的物理機(jī)制。1906年，波特（A.B.Porter）以一系列實驗證實了阿貝成象原理。§7其它光學(xué)性質(zhì)

7.3傅立葉光學(xué)1、光電效應(yīng)的基本概念當(dāng)光照射到金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象叫光電效應(yīng)，所逸出的電子叫光電子，由光電子形成的電流叫光電流，使電子逸出某種金屬表面所需的功稱為該種金屬的逸出功?！?光電效應(yīng)

8.1光電效應(yīng)的實驗規(guī)律2、實驗裝置單色光通過石英窗照射金屬板陰極上有光電子產(chǎn)生。UGKA如將K接正極、A接負(fù)極，則光電子離開K后，將受到電場的阻礙作用。當(dāng)K、A之間的反向電勢差等于U0時，從K逸出的動能最大的電子剛好不能到達(dá)A，電路中沒有電流，U0叫遏止電壓?！?光電效應(yīng)

8.1光電效應(yīng)的實驗規(guī)律§8光電效應(yīng)

8.1光電效應(yīng)的實驗規(guī)律3、實驗現(xiàn)象(2)存在截止頻率：對某一種金屬來說，只有當(dāng)入射光的頻率大于某一頻率n0時，電子才能從金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個頻率n0叫做截止頻率——紅限.紅限頻率(1)飽和光電流：飽和光電流強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度成正比。U0312UIIS0(3)線性性：用不同頻率的光照射金屬K的表面時，只要入射光的頻率大于截止頻率，遏止電勢差與入射光頻率具有線性關(guān)系。NaCaO2.01.06.08.010.00102|US|§8光電效應(yīng)

8.1光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(4)瞬時性：無論入射光的強(qiáng)度如何，只要其頻率大于截止頻率，則當(dāng)光照射到金屬表面時，幾乎立即就有光電流逸出（延遲時間越為10-9s）§8光電效應(yīng)

8.1光電效應(yīng)的實驗規(guī)律(1)經(jīng)典認(rèn)為光強(qiáng)越大，飽和電流應(yīng)該大，光電子的初動能也該大。但實驗上飽和電流不僅與光強(qiáng)有關(guān)而且與頻率有關(guān)，光電子初動能也與頻率有關(guān)。4、經(jīng)典理論的困難(2)只要頻率高于紅限，既使光強(qiáng)很弱也有光電流；頻率低于紅限時，無論光強(qiáng)再大也沒有光電流。而經(jīng)典認(rèn)為有無光電效應(yīng)不應(yīng)與頻率有關(guān)。(3)瞬時性。經(jīng)典認(rèn)為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。§8光電效應(yīng)

8.1光電效應(yīng)的實驗規(guī)律1、愛因斯坦光子假說1905年，愛因斯坦對光的本性提出了新的理論，認(rèn)為光束可以看成是由微粒構(gòu)成的粒子流，這些粒子流叫做光量子，簡稱光子。在真空中，光子以光速c運動。一個頻率為n的光子具有能量e=hn2、光電效應(yīng)的愛因斯坦方程§8光電效應(yīng)

8.2光子愛因斯坦方程3、光電效應(yīng)解釋(1)飽和光電流強(qiáng)度與光強(qiáng)成正比：對于給定頻率的光束來說，光的強(qiáng)度越大，表示光子的數(shù)目越多，光電子越多，光電流越大。(2)

紅限頻率的存在：當(dāng)入射光頻率低于紅限頻率n0，hn<W不會有光電子逸出，只有當(dāng)入射光頻率足夠高（n>W/h），以致每個光子的能量足夠大，電子才能克服逸出功而逸出金屬表面。所以紅限頻率n=W/h；§8光電效應(yīng)

8.2光子愛因斯坦方程(3)

截止電壓