材物章材料的光學(xué)

材物章材料的光學(xué)第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五4.7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。第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五4.7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(diǎn)：1間歇性；2隨機(jī)性。第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五（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(lì)方式材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五4.7材料的光發(fā)射

4.7.1激勵(lì)方式一、光激勵(lì)（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(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：通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五4.7材料的光發(fā)射

4.7.1

激勵(lì)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(shí)現(xiàn)發(fā)光。第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五4.7材料的光發(fā)射

4.7.2

激勵(lì)方式三、電激勵(lì)（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(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。第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五一、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)第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五二、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?yàn)橛械牟牧衔展夂蟛灰欢〞?huì)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(huì)在激發(fā)光譜上反映的）。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。4.7材料的光發(fā)射

4.7.3

材料發(fā)光的基本性質(zhì)第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五三、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(shí)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)第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五四、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)第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五按照發(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)制第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五一、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，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)制第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五根據(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(gè)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)制第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五稀土離子發(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。4.7材料的光發(fā)射

4.7.4

發(fā)光的物理機(jī)制第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

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)制第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五1.固體“導(dǎo)帶電子—價(jià)帶空穴”間的復(fù)合2.“導(dǎo)帶電子—受主A（空穴）”或“價(jià)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)制第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五固體中可能的躍遷（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)制第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五復(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(shí)參與的電子躍遷）帶間躍遷中要保持能量守衡和動(dòng)量守衡4.7材料的光發(fā)射

4.7.4

發(fā)光的物理機(jī)制第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

發(fā)光體被激發(fā)后，電子、空穴如何運(yùn)動(dòng)，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(shí)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)制第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五一、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(shí)，Mn不發(fā)光，

Ca3(PO4)2:Ce，250nm激發(fā)時(shí)，Ce發(fā)光，

Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發(fā)時(shí)，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)制第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

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)制第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五

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(dòng)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第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五全息照相全息術(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全息照相第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五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(shí)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(gè)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(huì)的各個(gè)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全息照相第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五全息照片的獲得——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(shí)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全息照相第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五全息照片的再現(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(gè)“衍射光柵”，一般是用相同于拍攝時(shí)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全息照相第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五全息照片的主要特點(diǎn)立體感強(qiáng)。具有分割性。同一張全息干版可重疊多個(gè)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(shí)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全息照相第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五傅立葉光學(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(shí)驗(yàn)證實(shí)了阿貝成象原理。§7其它光學(xué)性質(zhì)

7.3傅立葉光學(xué)第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五1、光電效應(yīng)的基本概念當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，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(shí)驗(yàn)規(guī)律第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五2、實(shí)驗(yàn)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(shí)，從K逸出的動(dòng)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(shí)驗(yàn)規(guī)律第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五§8光電效應(yīng)

8.1光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律3、實(shí)驗(yàn)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(shí)，電子才能從金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個(gè)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第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五(3)線性性：用不同頻率的光照射金屬K的表面時(shí)，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(shí)驗(yàn)規(guī)律第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五(4)瞬時(shí)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(shí)，幾乎立即就有光電流逸出（延遲時(shí)間越為10-9s）§8光電效應(yīng)

8.1光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期五(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(dòng)能也該大。但實(shí)驗(yàn)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(dòng)能