功能材料光學材料

功能材料光學材料第1頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日第七章光學材料材料的光學性質(zhì)是光(自X射線至毫米波的電磁波，波長為10-4~l02μm)與材料的相互作用而使材料所表現(xiàn)出的特性。如果光與材料相互作用的光強較弱，場強的線性項起作用，光與材料的相互作用就產(chǎn)生各種線性光學效應。如吸收、反射、全反射、透射、折射、色散、散射以及各種現(xiàn)象中有關光偏振態(tài)改變的效應等。這種利用線性光學效應傳輸光線的材料為光學介質(zhì)材料(OpticalmedMediumMaterials)。7.1光學材料概述第2頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日光學材料主要是光介質(zhì)材料。光學介質(zhì)材料可以以折射、反射和透射的方式改變光線的方向、強度和位相，使光線按預定的要求傳輸；也可以吸收或透過一定波長范圍的光線而改變光線的光譜成分。其主要性能參數(shù)有兩個：光譜通過率和光學色散，即不同波長下的透過率和折射率。光學介質(zhì)材料從形態(tài)及組成上可分為5類：光學玻璃、光學晶體、光學塑料、光學薄膜和光學纖維。第3頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.2激光材料激光，又名鐳射(LASER)，來源于經(jīng)受激輻射引起光頻放大的英文（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiatton的縮寫)。原意表示光的放大及其放大的方式，現(xiàn)在用作由特殊振蕩器發(fā)出的品質(zhì)好、具有特定頻率的光波之意。第4頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.2.1激光的產(chǎn)生光的產(chǎn)生總是和原于中電子的躍遷有關。假如原子處于高能態(tài)E2，然后躍遷到低能態(tài)E1，則它以輻射形式發(fā)出能量，其輻射頻率為第5頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日能量發(fā)射可以有兩種途徑：一是原子無規(guī)則地轉(zhuǎn)變到低能態(tài)，稱為自發(fā)發(fā)射；二是一個具有能量等于兩能級間能量差的光子與處于高能態(tài)的原子作用，使原子轉(zhuǎn)變到低能態(tài)同時產(chǎn)生第二個光子，這一過程稱為受激發(fā)射，見圖7-1。受激發(fā)射產(chǎn)生的光就是激光。圖7-1受激發(fā)射第6頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日當光入射到由大量粒子所組成的系統(tǒng)時，光的吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個基本過程是同時存在的。在熱平衡狀態(tài)，粒子在各能級上的分布服從玻耳茲曼分布律：Ni＝Nee-Ki/kT，其中Ni從為處在能級Ei的粒子數(shù)；Ne為總粒子數(shù)；k為玻耳茲曼常數(shù)；T為體系的絕對溫度。因為E2>El，所以高能級上的粒子數(shù)N2總是小于低能級上的粒子數(shù)N1，產(chǎn)生激光作用的必要條件是使原子或分子系統(tǒng)的兩個能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。第7頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.2.2固體激光器材料激光材料應具有良好的物理化學性能，即要求熱膨脹系數(shù)小、彈性模量大、熱導率高、光照穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性要好。1．激話離子晶體激光工作物質(zhì)要在基質(zhì)晶體中摻入適量的激活離子。激活離子的作用在于在團體中提供亞穩(wěn)態(tài)能級，由光泵作用激發(fā)振蕩出一定波長的激光。第8頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日對激活離子的要求總是希望是四能級的，即被光泵激發(fā)到高能級上的粒子，由感應激發(fā)躍遷到低能級發(fā)生激光振蕩時，不直接降到基態(tài)，而是降到中間的能級，這比直接降到基態(tài)的三能級工作的激活離子效率高，振蕩的閾值也低。目前激活離子來自三價和二價的鐵系、鑭系和錒系元素。激光的波長是由激活離子的種類決定的。第9頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日

2．基質(zhì)晶體基質(zhì)晶體須有良好的機械強度、良好的導熱性和較小的光彈性。為降低熱損耗和輸入，基質(zhì)對產(chǎn)生激光的吸收應接近零。用作基質(zhì)的晶體應能制成較大尺寸，且光學性能均勻?；|(zhì)晶體基本上有三類：1)氟化物晶體這類晶體熔點較低，易于生長單晶，是早期研究的激光晶體材料，如CaF2，BaF2，SrF2，LaF3，MgF2等。但是，它們大多要在低溫下才能工作。所以現(xiàn)在較少應用。第10頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日2)含氧金屬酸化物晶體這類材料是較早研究的激光晶體材料之一，均以三價稀土離子為激活離子，如CaWO4，CaMnO4，LiNbO4，Ca(PO4)3F等。3)金屬氧化物晶體這類晶體如Al2O3，Y3Al5O12，Er2O3，Y2O3等，摻入三價過渡族金屬離子或三價稀土離子構成激光晶體，應用較廣，研制最多。摻雜時不需電荷補嘗，但它們的熔點均高，制取優(yōu)質(zhì)單晶都較困難。第11頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日3．紅寶石激光晶體(Al2O3:Cr3+)紅寶石是世界上第一臺固體激光器的工作物質(zhì)，它是由剛玉單晶(α-Al2O3)為基質(zhì)，摻入Cr3+激活離子所組成的。α-Al2O3為六方晶系，鉻原子的外層電子為3d54s1。將鉻原子摻雜至α-Al2O3晶格中去后，鉻原子失去3d24s1三個電子，只剩下3d3三個外層電子，成為Cr3+。從激光器對工作物質(zhì)的物化性能和光譜性能要求來看，紅寶石激光器堪稱一種較為理想的材料。第12頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日

紅寶石晶體的主要優(yōu)點是：晶體的物化性能很好，材料堅硬、穩(wěn)定、導熱性好、抗破壞能力高，對泵浦光的吸收特性好，可在室溫條件下獲得0.6943μm的可見激光振蕩。主要缺點是屬三能級結構，產(chǎn)生激光的閾值較高。紅寶石的激光發(fā)射波長為可見光~紅光的波長，這一波長的光，不但為人眼可見，而且對于絕大多數(shù)的各種光敏材料和光電探測元件來說，都是易于進行探測和定量測量的。因此紅寶石激光器在激光器基礎研究、強光(非線性)光學研究、激光光譜學研究、激光照相和全息技術、激光雷達與測距技術等方面都有廣泛的應用。第13頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日4．釹釔鋁石榴石激光晶體(YAG:Nd3+)激光工作物質(zhì)是Y3Al5O12作為基質(zhì)，Nd3+作為激光離子。紀鋁石榴石(YAG)屬立方晶系，YAG:Nd3+激光躍遷能級屬于四能級系統(tǒng)，具有良好的力學、熱學和光學性能。與紅寶石相比，YAG:Nd3+晶體的熒光壽命較短，熒光譜線較窄，工作粒子在激光躍遷高能級上不易得到大量積累，激光儲能較低，以脈沖方式運轉(zhuǎn)時，輸出激光脈沖的能量和峰值功率都受到限制。第14頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日鑒于上述原因，YAG:Nd3+器件一般不用來作單次脈沖運轉(zhuǎn)。但由于其閾值比紅寶石低，增益系數(shù)比紅寶石大，適合于作重復脈沖輸出運轉(zhuǎn)。重復率可高達每秒幾百次，每次輸出功率達百兆瓦以上。軍用激光測距儀和制導用激光照明器都采用釹釔鋁石榴石激光器。這種激光器也是唯一能在常溫下連續(xù)工作，且有較大功率的固體激光器。第15頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日5．半導體激光材料半導體激光器是固體激光器中重要的一類。這類激光器的特點是體積小、效率高、運行簡單、便宜。半導體激光器的基本結構極為簡單，見圖7-2，從圖中可知，半導體激光器是半導體器件p-n結二極管，在電流正向流動時會引起激光振蕩。第16頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日圖7-2半導體激光器的基本結構

第17頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日但是，在普通電路用的二極管中，即使有電流流動也不會產(chǎn)生激光振蕩。引起激光振蕩的第一個條件是，利用電流注入的少數(shù)載流子復合時放出的能量必須以高效率變換為光。因此，在進行復合的區(qū)域(在p-n結附近，稱此區(qū)域為活性區(qū))，一般必須是具有直接遷移型能帶結構的材料。在這一方面，最常用的半導體材料Si與Ge已失去作為激光材料的資格。以GaAs為代表的許多IIIA-VA族化合物由于具有直接遷移型能帶結構，可作為激光材料，大部分IIA-VIA族半導體也有可能作為激光材料。第18頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日半導體激光器的第二個條件是，在引起反轉(zhuǎn)分布時要注入足夠濃度的載流子。某閾值以下的電流，在普通的發(fā)光二極管中會引起注入發(fā)光，但不會發(fā)生激光。第三個條件是有諧振器(空腔)。激光器的諧振器一般是由二片反射鏡組成的法布里-珀羅結構構成。半導體激光器由于增益極高，不一定要求具有高反射率的反射鏡，可利用垂直于結面而且平行的二極管兩個側面作為反射鏡。第19頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日目前大部分半導體激光器具有雙異質(zhì)結結構，該結構可減小閾值電流密度，可在室溫下連續(xù)工作。雙異質(zhì)結激光器的p-n結是用帶隙和折射率不同的兩種材料在適當?shù)幕贤庋由L形成的。不同種類的材料所形成的結(異質(zhì)結)，由于晶格常數(shù)不同而易于產(chǎn)生晶格缺陷。結面的晶格缺陷作為注入載流子的非發(fā)光中心而使發(fā)光效率下降，器件壽命縮短。因此，作為雙異質(zhì)結激光器材料，要求采用晶格常數(shù)大致相同的兩種材料來組合。在室溫下GaAs和AlAs的晶格常數(shù)分別為0.5653nm和0.5661nm，兩者僅差0.14％。第20頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日目前，制作半導體激光器的材料很多，有短波也有長波，它的激發(fā)方式可以是電注入式，也有電子束激勵及光激勵等方式。表7-1為各種半導體激光器材料和它的發(fā)光波長。第21頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日表7-1各種半導體激光器材料和發(fā)光波長

第22頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.3光纖材料60年代發(fā)現(xiàn)了激光，這是人們期待已久的信號載體。要實現(xiàn)光通訊，還必須有光元件、組件及信號加工技術和光信號的傳輸介質(zhì)。1958年，英國科學家提出了利用光纖的設想，1966年，在英國標準電訊研究所工作的英籍華人工程師高琨，論證了把光纖的光學損耗降低到20dB／km以下的可能性(當時光纖的傳輸損耗約為1000dB/km)，并指出其對未來光通信的作用后，作為光通信媒質(zhì)用的光纖引起了世界工業(yè)發(fā)達國家的科學界、實業(yè)界人士以及政府部門的普遍重視。第23頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日許多大學、研究所、公司以及工廠開始探索這一工作，對多組分玻璃系和高二氧化硅玻璃系光纖進行開發(fā)研究。隨著理論研究和制造技術的提高，降低光纖傳輸損耗的工作進展很快。1970年，美國康寧玻璃公司拉制出世界第一根低損耗光纖，這是一根高二氧化硅玻璃光纖，長數(shù)百米，損耗低于20dB/km(降低為1966年光纖損耗的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纖的損耗又降低了兩個數(shù)量級，約為0.2dB/km，幾乎達到了材料的本征光學損耗。第24頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日然而，多組分玻璃光纖因其材料難以提純，以及此類玻璃的均勻性差，而使光纖的最低損耗仍相當大，約為4dB/km。近20年，各種各樣的光纖層出不窮，除了通信用多模、單模光纖外，近年來又出現(xiàn)各種結構不同高雙折射偏振保持光纖、單偏振光纖，以及各種光纖傳感器用的功能光纖、塑料光纖等。光纖的最初應用是制作醫(yī)用內(nèi)窺鏡，但其大量地應用仍在通信方面。許多國家建造了光纖通信系統(tǒng)，橫跨大西洋、太平洋的海底光纜已投人使用，使全世界進人信息時代。第25頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.3.1光纖的結構及分類光纖是用高透明電介質(zhì)材料制成的非常細(外徑約為125~200μm)的低損耗導光纖維，它不僅具有束縛和傳輸從紅外到可見光區(qū)域內(nèi)的光的功能，而且也具有傳感功能。一般通信用光纖的橫截面的結構如圖7-3所示。第26頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日圖7-3光纖橫裁面結構示意圖(a)光纖(b)三層結構芯線

第27頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日光纖本身由纖芯和包層構成，見圖7-3(a)，纖芯是由高透明固體材料(如高二氧化硅玻璃，多組分玻璃、塑料等)制成，纖芯的外面是包層，用折射率較低(相對于纖芯材料而言)的有損耗(每公里幾百分貝)的石英玻璃、多組分玻璃或塑料制成。這樣就構成了能導光的玻璃纖維—光纖，光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。第28頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日上述光纖是很脆的，還不能付諸實際應用。要使它具有實用性，還必須使它具有一定的強度和柔性，采用圖7-3(b)所示的三層芯線結構。在光纖的外面是一次被覆層，主要目的是防止玻璃光纖的玻璃表面受損傷，并保持光纖的強度。因此，在選用材料和制造技術上，必須防止光纖產(chǎn)生微彎或受損傷。通常采用連續(xù)擠壓法把熱可塑硅樹脂被覆在光纖外而制成，此層的厚度約為100~150μm。第29頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在一次被覆層之外是緩沖層，外徑為400μm，目的在于防止光纖因一次被覆層不均勻或受側壓力作用而產(chǎn)生微彎，帶來額外損耗。因此，必須用緩沖效果良好的低楊氏系數(shù)材料作緩沖層，為了保護一次被覆層和緩沖層，在緩沖層之外加上二次被覆層。二次被覆層材料的楊氏系數(shù)應比一次被覆層的大，而且要求具有小的溫度系數(shù)，常采用尼龍，這一層外徑常為0.9mm。按光纖芯折射率分布不同可分為：階躍型光纖和梯度型光纖兩大類，見圖7-4。第30頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日圖7-4光纖的種類和光的傳播(a)階躍型多模光纖；(b)梯度型多模光纖；(c)單模光纖第31頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日階躍型多模光纖和單模光纖的折射率分布都是突變的，纖芯折射率均勻分布具有恒定值n1，而包層折射率則為稍小于n1的常數(shù)n2，n(r)可表示為其中r為離纖芯縱軸的徑向坐標，a為纖芯半徑。第32頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日階躍型多模光纖和單模光纖的區(qū)別僅在于，后考的芯徑和折射率差都比前者小。設計時，適當?shù)剡x取這兩個參數(shù)，以使得光纖中只能傳播最低模式的光，這就構成了單模光纖。階躍型光導纖維的芯子與包層間折射率是階梯狀的改變，入射光線在纖芯和包層的界面產(chǎn)生全反射，呈鋸齒狀曲折前進。

第33頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在梯度光纖中，纖芯折射率的分布是徑向坐標的遞減函數(shù)，而包層折射率分布則是均勻的，可用下式表示其中g為冪指數(shù)，一般取2。第34頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日梯度型光導纖維的纖芯折射率從中心軸線開始向徑向逐漸減小(約以半徑的二次方的反比例遞減)，因此入射光線進入光纖后，偏離中心軸線的光將呈曲線路徑向中心集束傳輸。由于光束在梯度型光纖中傳播時，形成周期性的會聚和發(fā)散，呈波浪式曲線前進，故梯度型光纖又稱聚焦型光纖。第35頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日按材料組分不同，光纖可分為：高二氧化硅(石英)玻璃光纖、多組分玻璃光纖和塑料光纖等。目前，通信用光纖都是高二氧化硅玻璃光纖。按光纖傳播光波的模數(shù)來分，則有多模光纖、單模光纖兩大類。從傳感的角度來分，可以分為傳輸光纖和功能光纖。第36頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.3.2光在光纖中傳輸?shù)幕驹砣绻幸皇馔渡涞秸凵渎史謩e為n1和n2的兩種媒質(zhì)界面上時，(設n1>n2)，入射光將分為反射光和折射光。入射角θ1與折射角θ2之間服從光的折射定律由上式可知，當入射角θ1逐漸增大時，折射角θ2也相應增大。當θ1=sin–1n2/n1時，折射角θ=π/2，這時入射光線全部返回到原來的介質(zhì)中去，這種現(xiàn)象叫光的全反射。此時的入射角θ1=sin–1n2/n1叫做臨界角。第37頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在光纖中，光的傳送就是利用光的全反射原理，當入射進光纖芯子中的光與光纖軸線的交角小于一定值時，光線在界面上發(fā)生全反射。這時，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進，但不會穿出包層，這樣就完全避免了光在傳輸過程中的折射損耗，如圖7-5所示。第38頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日圖7-5光在光學纖維中的傳播路徑

第39頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日傳輸模式是光學纖維最基本的傳輸特性之一。若一種光纖只允許傳輸一個模式的光波、則稱它為單模光纖。如果一種光纖允許同時傳輸多個模式的光波，這種光纖為多模光纖。光學上把具有一定頻率，一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式，或稱光的一種波型。第40頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日多模光纖直徑為幾十至上百微米，與光波長相比大很多，因此，許多模式的光波進入光纖后都能滿足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。在光纖的輸出端可以看到光強度分布的不同花樣，即在輸出端出現(xiàn)多個亮斑，一個亮斑代表多模光纖所傳輸?shù)囊环N模式的光波。第41頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日單模光纖的直徑非常細，只有3~10μm，同光波的波長相近。在這樣細的光纖中，只有沿著光纖軸線方向傳播的一種模式的光波滿足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。其余模式的光波由于不滿足全反射條件，在光纖中傳送一段距離后很快就被淘汰。第42頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日多模光纖的傳輸頻率主要受到模式色散的限制，所以傳輸?shù)男畔⒘坎豢赡芎芨?。單模光纖不存在模式色散，所以傳輸頻帶比多模光纖寬，傳輸?shù)男畔⑷萘看蟆Ｔ诖笕萘?、長距離光纖通信中單模光纖具有美好的應用前景。但單模光纖直徑太細，制造工藝要求高，所以目前使用還不普通。多模光纖由于直徑較組，制造工藝比單模光纖簡單些，在使用中光纖的連接與耦合也比單模光纖容易得多。目前光通信所使用的光纖，大多是多模光纖。第43頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.3.3光纖材料及制造1．石英玻璃光纖目前，國內(nèi)外所制造的光纖絕大部分都是高二氧化硅玻璃光纖。為降低石英光纖的內(nèi)部損耗，現(xiàn)都采用化學氣相反應淀積法制取高純度的石英預制棒，再拉絲，制成低損耗石英光纖。第44頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日CVD法是根據(jù)半導體氣相生長法發(fā)展起來的，這種方法是用超純氧氣作載氣，把超純原料氣體四氯化硅(SiCl4)和摻雜劑四氯化鍺(GeCl4)、三溴化硼(BBr3)、三氯氧磷(POCl3)等氣體輸送到以氫氧焰作熱源的加熱區(qū)?；旌蠚怏w在加熱區(qū)發(fā)生氣相反應，生成粉末狀二氧化硅及添加氧化物。繼續(xù)升溫加熱，使混合粉料熔融成玻璃態(tài)，制成超純玻璃頂制棒。然后，把預制棒從一端開始加熱至1600℃左右(加熱方式可采用高頻感應加熱、電阻加熱、氫氧焰加熱等)使料棒熔化，同時進行拉絲。纖維的外徑由牽引機自動調(diào)節(jié)控制，折射率可通過添加氧化物的濃度加以調(diào)節(jié)。第45頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日2．多組分玻璃光纖多組分玻璃光纖的成分除石英(SiO2)外，還含有氧化鈉(Na2O)、氧化鉀(K2O)、氧化鈣(CaO)、三氧化二硼(B2O3)等其他氧化物。多組分光纖采用雙坩堝法制造。坩堝是尾部帶漏管的內(nèi)外兩層鉑坩堝同軸套在一起所組成。第46頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日多組分玻璃料經(jīng)過仔細提純，芯料玻璃放在內(nèi)層坩堝里，包層玻璃放在外層坩堝里。玻璃料經(jīng)加熱熔化后從漏管中流出。在坩堝下方有一個高速旋轉(zhuǎn)的鼓輪，將熔融狀態(tài)的玻璃拉成一定直徑的細絲。漏孔的直徑大小和漏管的長度，決定著芯子的直徑與包層厚度的比值。如果把漏管加長，使芯子與包層材料在高溫下接觸，通過離子交換，形成折射率成梯度分布的結構。通過調(diào)節(jié)加熱爐爐溫及拉絲速度，可控制纖維的總直徑。第47頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日3．晶體光纖晶體光纖可分為單晶與多晶兩類。單晶光纖的制造方法主要有導模法和浮區(qū)溶融法。導模法是把一支毛細管插入盛有較多熔體的坩堝中，在毛細管里的液體因表面張力作用而上升，將定向籽晶引入毛細管上端的熔體層中，并向上提拉籽晶，使附著的熔體緩慢地通過一個溫度梯度區(qū)域，單晶纖維便在毛細管的上端不斷生長，見圖7-6。第48頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日圖7-6導模法生長晶體光纖示意圖第49頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日浮區(qū)熔融法是先將高純原料做成預制棒，然后使用激光束在預制的一端加熱，待其局部熔融后把籽晶引入熔體并按一定速率向上提拉便得到一根單晶纖維，見圖7-7。圖7-7激光區(qū)熔法生長紅寶石單晶示意圖第50頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日4．紅外光纖近年來，隨著高功率激光器的出現(xiàn)，需要與之相配的紅外光纖。目前正在研究的有重金屬氧化物玻璃、鹵化物玻璃、硫系玻璃和鹵化物晶體等。第51頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日重金屬氧化物玻璃主要指比重較石英玻璃大的氧化物玻璃如GeO2，GeO2-SbO3，CaO-Al2O3等。鹵化物玻璃主要有BeF2，BaF2-CaF2-YF3-AlF3，GdF3-BaF2-ZrF4等。硫系玻璃主要指以S，Se，Te等元素為主體的單元或多元玻璃化合物。第52頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.4紅外材料7.4.1紅外線的基本性質(zhì)1800年，英國物理學家赫舍爾發(fā)現(xiàn)太陽光經(jīng)棱鏡分光后所得到光譜中還包含一種不可見光。它通過棱鏡后的偏折程度比紅光還小，位于紅光譜帶的外側，所以叫紅外線。第53頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日紅外線同可見光一樣在本質(zhì)上都是電磁波。它的波長范圍很寬，從0.7μm到1000μm。紅外線按波長可分為三個光譜區(qū)：近紅外(0.7~15μm)，中紅外(15~50μm)和遠紅外(50~1000μm)。紅外線與可見光一樣，具有波的性質(zhì)和粒子的性質(zhì)，遵守光的反射和折射定律，在一定條件下產(chǎn)生干涉和衍射效應。第54頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日紅外線與可見光不同之處：(1)紅外線對人的肉眼是不可見的；(2)在大氣層中，對紅外波段存在著一系列吸收很低的“透明窗”。如1~1.1μm，1.6~1.75μm，2.1~2.4μm，3.4~4.2μm等波段，大氣層的透過率在80％以上。8~12μm波段，透過率為60％~70％。這些特點導致了紅外線在軍事、工程技術和生物醫(yī)學上的許多實際應用。第55頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.4.2紅外材料在紅外線應用技術中，要使用能夠透過紅外線的材料，這些材料應具有對不同波長紅外線的透過率、折射率及色散，一定的機械強度及物理、化學穩(wěn)定性。在紅外技術中作為光學材料使用的晶體主要有堿鹵化合物晶體、堿土-鹵族化合物晶體、氧化物晶體、無機鹽晶體及半導體晶體。第56頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日堿鹵化合物晶體是一類離子晶體，如氟化鋰(LiF)、氟化鈉(NaF)、氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、溴化鉀(KBr)等。這類晶體熔點不高，易生成大單晶，具有較高的透過率和較寬的透過波段。但堿鹵化合物晶體易受潮解、硬度低、機械強度差、應用范圍受限。堿土-鹵族化合物晶體是另一類重要的離子晶體，如氟化鈣(CaF2)、氟化鋇(BaF2)、氟化鍶(SrF2)、氟化鎂(MgF2)。這類晶體具有較高的機械強度和硬度，幾乎不溶于水，適于窗口、濾光片、基板等方面的應用。第57頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日氧化物晶體中的藍寶石(Al2O3)、石英(SiO2)、氧化鎂(MgO)和金紅石(TiO2)具有優(yōu)良的物理和化學性質(zhì)。它們的熔點高、硬度大、化學穩(wěn)定性好，作為優(yōu)良的紅外材料在火箭、導彈、人造衛(wèi)星、通訊、遙測等使用的紅外裝置中被廣泛地用作窗口和整流罩等。第58頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在無機鹽化合物單晶體中，可作為紅外透射光學材料使用的主要有SrTiO2，Ba5Ta4O15，Bi4Ti3O2等。SrTiO2單晶在紅外裝置中主要作浸沒透鏡使用，Ba5Ta4O15單晶是一種耐高溫的近紅外透光材料。金屬鉈的鹵化合物晶體，如溴化鉈(TlBr)、氯化鉈(TlCl)、溴化鉈-碘化鉈(KRS-5)和溴化鉈-氯化鉈(KBS-6)等也是一類常用的紅外光學材料。這類晶體具有很寬的透過波段且只微溶于水、所以是一種適于在較低溫度下使用的良好的紅外窗口與透鏡材料。第59頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在半導體材料中，有些晶體也具有良好的紅外透過特性，如硫化鉛(PbS)、硒化鉛(PbSe)、硒化鎘(CdSe)、碲化鎘(CdTe)、銻化銦(InSb)、硅化鉑(PtSi)、碲鎘汞(HgCdTe)等。其中HgCdTe材料是目前最重要的紅外探測器材料，探測器可覆蓋1~25μm的紅外波段，是目前國外制備光伏列陣器件、焦平面器件的主要材料。第60頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.5發(fā)光材料發(fā)光是一種物體把吸收的能量，不經(jīng)過熱的階段，直接轉(zhuǎn)換為特征輻射的現(xiàn)象。發(fā)光現(xiàn)象廣泛存在于各種材料中，在半導體、絕緣體、有機物和生物中都有不同形式的發(fā)光。發(fā)光材料的種類也很多。它們可以提供作為新型和有特殊性能的光源，可以提供作為顯示、顯像、探測輻射場及其他技術手段。第61頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.5.1發(fā)光的特征發(fā)光的第一個特征是顏色。發(fā)光材料的發(fā)光顏色彼此不同，都有它們各自的特征。已有發(fā)光材料的種類很多，它們發(fā)光的顏色也足可覆蓋整個可見光的范圍。材料的發(fā)光光譜(發(fā)射光譜)可分為下列三種類型：寬帶：半寬度—100nm，如CaWO4；窄帶：半寬度—50nm，如Sr(PO4)3Cl:Eu3+；線譜：半寬度—0.1nm，如GdVO4:Eu3+。第62頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日一個材料的發(fā)光光譜屬于哪一類，既與基質(zhì)有關，又與雜質(zhì)有關。隨著基質(zhì)的改變，發(fā)光的顏色也可改變。發(fā)光的第二個特征是強度。由于發(fā)光強度是隨激發(fā)強度而變的，通常用發(fā)光效率來表征材料的發(fā)光本領，發(fā)光效率也同激發(fā)光強度有關。在激光出現(xiàn)前，電子束的能量較高，強度也較大，所以一般不發(fā)光或發(fā)光很弱的材料，在陰極射線激發(fā)下則可發(fā)出可覺察的光或較強的光。第63頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日激光出現(xiàn)后，因激光的強度可≥107W/cm2，在它激發(fā)下除了容易引起發(fā)光外，還容易出現(xiàn)非線性效應，包括雙光子或多光子效應，易引起轉(zhuǎn)換，如將紅外光轉(zhuǎn)換為可見光。發(fā)光效率有三種表示方法：量子效率、能量效率及光度效率。量子效率指發(fā)光的量子數(shù)與激發(fā)源輸入的量子數(shù)的比值；能量效率是指發(fā)光的能量與激發(fā)源輸入的能量的比值；光度效率指發(fā)光的光度與激發(fā)源輸入的能量的比值。第64頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日發(fā)光的第三個特征是發(fā)光持續(xù)時間。最初發(fā)光分為熒光及磷光兩種。熒光是指在激發(fā)時發(fā)出的光，磷光是指在激發(fā)停止后發(fā)出的光。發(fā)光時間小于10-8s為熒光，大于10-8s為磷光。當時對發(fā)光持續(xù)時間很短的發(fā)光無法測量，才有這種說法?，F(xiàn)在瞬態(tài)光譜技術已經(jīng)把測量的范圍縮小到1ps(10-12s)以下，最快的脈沖光輸出可短到8fs(1fs＝10-15s)。所以，熒光、磷光的時間界限已不清楚。但發(fā)光總是延遲于激發(fā)的。第65頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.5.2發(fā)光材料的分類發(fā)光材料按照激發(fā)能量方式的不同，可分為：(1)光致發(fā)光材料，由紫外光、可見光以及紅外光激發(fā)而發(fā)光，按照發(fā)光性能、應用范圍的不同，又分為長余輝發(fā)光材料、燈用發(fā)光材料和多光子發(fā)光材料。第66頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日(2)陰極射線發(fā)光材料，由電子束流激發(fā)而發(fā)光的材料，又稱電子束激發(fā)發(fā)光材料。(3)電致發(fā)光材料，由電場激發(fā)而發(fā)光的材料，又稱為場致發(fā)光材料。(4)X射線發(fā)光材料，由X射線輻射而發(fā)光的材料。(5)化學發(fā)光材料，兩種或兩種以上的化學物質(zhì)之間的化學反應而引起發(fā)光的材料。(6)放射性發(fā)光材料，用天然或人造放射性物質(zhì)輻照而發(fā)光的材料。第67頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.5.3電子束激發(fā)發(fā)光1879年W.Crooks確定了發(fā)光特性決定于被電子束轟擊的物質(zhì)。1929年出現(xiàn)黑白電視接收機，1953年彩色電視問世，1964年成功地發(fā)明了以稀土元素的化合物為基質(zhì)和以稀土離子摻雜的發(fā)光粉，從而成功地提高了發(fā)紅光材料的亮度，這使它能夠和三基色的藍及綠色發(fā)光的亮度匹配，使彩色電視得到迅速推廣。第68頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日1．陰極射線發(fā)光的基本規(guī)律陰極射線發(fā)光是在真空中從陰極出來的電子經(jīng)加速后轟擊熒光屏所發(fā)出的光。所以發(fā)光區(qū)域只局限于電子所轟擊的區(qū)域附近。又由于電子的能量在幾千電子伏以上，所以除發(fā)光以外，還產(chǎn)生X射線。X射線對人體有害，因而在顯示屏的玻璃中常添加一些重金屬(如Pb)，以吸收在電子轟擊下熒光屏所產(chǎn)生的X射線。第69頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在可以連續(xù)激發(fā)的條件下，改變加速電壓時，發(fā)光亮度也有相應的變化。由多種材料試驗得到經(jīng)驗規(guī)律

J=J0

I(V–V0)n其中，J為發(fā)光亮度，J0為常數(shù)，I為電流，V為加速電壓，V0為起輝電壓，加速電壓要超過這個最小值才能引起發(fā)光。圖7-8是發(fā)光亮度隨加速電壓的變化曲線。第70頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日圖7-8發(fā)光亮度隨加速電壓的變化曲線

第71頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日但是，在高速電子的轟擊下，發(fā)光屏的溫度將要上升，而當溫度上升到一定值后發(fā)光的亮度將下降，這種現(xiàn)象為溫度淬滅。它和發(fā)光中心的結構密切有關。在晶體中發(fā)光中心的電子態(tài)和它周圍離子的數(shù)目、價態(tài)、方位及距離都有關系。但是由于晶格的振動，周圍離子的方位及距離都在變化。隨著晶格的振動，發(fā)光中心的電子態(tài)也將發(fā)生相應的變化。第72頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日使用陰極射線發(fā)光材料時，除了考慮它的亮度及影響亮度的幾種因素外，還必須選擇另外兩個重要的特性，即發(fā)光顏色及衰減。對于必須保證特定顏色的彩色電子束管來說，則要犧牲一定的亮度。因為在能合成這一特定顏色的三基色中，第三種顏色要和其它兩種顏色匹配，如果它發(fā)光不亮，其它兩種顏色的發(fā)光亮度也就要壓低使用。第73頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在顯示合成色時，如果它們的飽和特性和老化特性不同，也容易出現(xiàn)顏色漂移。在飛點掃描管中要求發(fā)光余輝特別短，雷達屏中則要求發(fā)光余輝特別長，這時可用的發(fā)光體的種類就很有限。在雷達管中常用雙層屏，在電子束轟擊下，第一層發(fā)出短余輝的藍光，它再激發(fā)長余輝的第二層材料，發(fā)射黃光。第74頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日2．發(fā)光材料的類別高能電子轟擊發(fā)光體時產(chǎn)生高能電子及空穴，它們經(jīng)過碰撞，又產(chǎn)生能量較低的電子及空穴。這個過程一直繼續(xù)下去，直到電子的能量降到和發(fā)光體的禁帶相匹配時為止，這些低能量的電子及空穴激發(fā)發(fā)光中心。國內(nèi)生產(chǎn)的陰極射線發(fā)光材料的性能如表7-2所示。第75頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日表7-2國產(chǎn)陰極射線發(fā)光材料

第76頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日選定材料后，要把它粘附在玻殼上。這一步工序?qū)Σ牧系陌l(fā)光特性可以產(chǎn)生很大影響，以至發(fā)光粉與熒光屏的特性有明顯的差別。投入使用前的特性稱為一次特性，制成器件后的特性稱為二次特性。二次特性包括：涂敷性能及色再現(xiàn)性。涂敷性能是指粉漿的流動性，顆粒的分散性、粘著力、感光性、三色熒光粉的相互污染及粉漿的穩(wěn)定性；色再現(xiàn)性是指經(jīng)過制管及各種條件實驗后，屏的亮度、色度、余輝及電流特性。所以，在涂屏時要選擇合適的工藝，以保證材料有盡可能好的二次特性。第77頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.5.4場致發(fā)光1．場致發(fā)光的機理半導體材料在外電場作用下，出現(xiàn)發(fā)光現(xiàn)象，稱為場致發(fā)光。場致發(fā)光材料是禁帶寬度比較大的半導體。在這些半導體內(nèi)場致發(fā)光的微觀過程主要是碰撞激發(fā)或離化雜質(zhì)中心。它在與金屬電極相接的界面上將形成一個勢壘。電子從金屬電極一側隧穿到半導體的幾率明顯增大。當電壓提高時，幾率進一步增大。第78頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日電子進入半導體后隨即被半導體內(nèi)的電場加速，動能增加，在沿電場方向的整個自由程內(nèi)，能量愈積愈高。當它與發(fā)光中心或基質(zhì)的某個原子發(fā)生碰撞，它就會將一部分能量交給中心或基質(zhì)的電子，使它們被激發(fā)或被離化。前者，由于電子沒有離開中心，當它從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)時，就發(fā)射出光來。后者，由于電子離開了中心，進入導帶而為整個晶格所有，電子與離化中心復合時，就發(fā)出光束。第79頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在使用場致發(fā)光材料時，最主要的依據(jù)是發(fā)光亮度隨電壓的變化規(guī)律其中，J為發(fā)光亮度，J0、b為常數(shù)，V為外加電壓。實驗結果如圖7-9所示。從圖可以看出，當V<V0時，該屏幾乎不發(fā)光，當V>V0時，發(fā)光隨電壓超線性地增長。第80頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日

(a)場致發(fā)光短陣屏的結構1—密封玻璃；2—X向電極；3—非線性層；4—發(fā)光層；5—Y向電極；6—玻璃襯底(b)場致發(fā)光的J—V曲線圖7-9場致發(fā)光的實驗結果第81頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日2．場致發(fā)光材料最常用的直流場致發(fā)光粉末材料有ZnS:Mn,Cu可發(fā)黃光，ZnS:Ag可發(fā)藍光，(ZnCd)S:Ag可發(fā)綠光，換配比(ZnCd)S:Ag可發(fā)紅光，它們都是在約100V電壓下激發(fā)。交流場致發(fā)光的效率較高，因此研究、應用的較多。常用的交流電壓激發(fā)發(fā)光材料見表7-3。第82頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日表7-3交流發(fā)粉末場致發(fā)光材料

第83頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.5.5發(fā)光二極管這是一種在低電壓下發(fā)光的器件，使用單晶或單晶薄膜材料，可以制成指示器，數(shù)字顯示器、計算機及儀表。第84頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日低壓驅(qū)動是指在p-n結上加上正向偏壓時引起的發(fā)光。常用的是同質(zhì)結，也就是在p型及n型材料接觸面兩側是同一種基質(zhì)。通過結的電流主要是少數(shù)載流子的注入。p-n突變結的厚度只有10-4~10-6cm，其靜電動勢約1V。所以，盡管外加電壓可以很低，在結區(qū)內(nèi)的局部電場還是很高的，可以達到104~106V/cm，少數(shù)載流子注入到此區(qū)后，和空穴的復合或者幾率小，或者無輻射，因此這一區(qū)域的發(fā)光可不考慮。此區(qū)中，通過擴散復合是器件發(fā)光的主要來源。第85頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在同質(zhì)p-n結上發(fā)生的物理過程如圖7-10所示。圖7-10同質(zhì)p-n結區(qū)發(fā)生的基本過程a)發(fā)光的三個階段；b)末加偏壓；c)外加正向偏壓第86頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日在復合過程中，既要求在躍遷前后的能量守恒，還要求動量守恒。所以直接帶隙材料容易產(chǎn)生符合這一選擇定則的光學躍遷，而間接帶隙材料則必須有聲子參加躍遷，幾率就大為減少?？墒?，在容易做出兩種導電性能的IIIA-VA族材料中，GaAs雖是直接帶隙材料，其禁寬度卻只有1.43eV，達不到可見光的波段。而GaP的禁帶寬度是2.24eV，卻是間接帶隙材料，復合發(fā)光的躍遷幾率小。所以，人們想出了混合兩種材料的辦法，以求得到禁帶寬度盡量大，又是直接帶隙的材料。第87頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日發(fā)光二極管所用材料應具下述特性：①發(fā)光在可見區(qū)，Eg≥1.8eV，λ≤700nm；②材料必須容易作成n型及n型；③有效率高的發(fā)光中心或復合發(fā)光。發(fā)光二極管用主要半導體材料見表7-4。第88頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日表7-4發(fā)光二極管用主要半導體材料

第89頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日作為點和數(shù)字等的小型顯示器件現(xiàn)已被大量采用，其色調(diào)也從初期的紅色發(fā)展到綠色、橙色、黃色等，由于所用材料的成分和添加雜質(zhì)的種類不同，波長范圍為560~700nm，而且容易產(chǎn)生多種顏色。一般采用材料GaP(綠色、黃色及紅色)、GaAs1-xPx(紅色、橙色)、Ga1-xAlxAs(紅色)。第90頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日GaP紅色發(fā)光二極管，能帶結構為間接遷移型，發(fā)光機理為激子的復合，對于發(fā)光波長來說，Eg較大，透射性較好，可采用氣相外延生長法或液相外延生長法。若在p型層中摻入Zn和O，并分別置換Ga和P的陣點，則在這些施主、受主中，占據(jù)最鄰近陣點的施主與受主對便作為激子中心而起作用，利用這些復合可得到峰值波長700nm，頻譜半值寬度約100nm的紅色發(fā)光。n型層的摻雜劑一般為Te。第91頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日GaP綠色發(fā)光二極管采用液封直拉晶體作為基片，并在其上以液相外延生長法形成有源層時，在氣氛H2中混入NH3進行摻雜N，作為施主采用S，在p-n結形成中，要向n型層中擴散Zn。N在晶體中起著等電子陷阱的作用，可利用它所捕獲的激子復合發(fā)光。GaAs1-xPx紅色發(fā)光二極管是采用舟皿生長的GaAs單晶作為基片，在其上以氣相外延生長法生長摻有Te的n型GaAs1-xPx層，并向其一部分內(nèi)擴散Zn而制成p-n結。第92頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日Ga1-xAlx紅色發(fā)光二極管是在GaAs基片上，利用摻有少量Al的Ga-GaAs溶液，用液相外延生長法進行生長。x值取0.35左右可得到峰值波長660nm左右的紅色發(fā)光。GaN和IIIA族氮化物材料是近年來光電子材料研究的熱門課題。這些材料具有寬的直接帶隙、高熱導率、強的抗輻照能力，可以發(fā)出綠光、藍綠光、藍光和藍紫光，可以作為高溫半導體器件的換代材料。藍光發(fā)射特性在高亮度全彩色發(fā)光二極管(LEO)和具有高密度記錄的數(shù)字視盤(DVD)等發(fā)光器件中有著潛在重要作用。第93頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.5.6X射線激發(fā)發(fā)光X射線發(fā)光材料在發(fā)光材料中使用較早，而且應用量很大。發(fā)光材料在X射線照射下可以發(fā)生康普頓效應，也可以吸收X射線，它們都可產(chǎn)生高速的光電子。光電子又經(jīng)過非彈性碰撞，產(chǎn)生第二代、第三代電子。當這些電子的能量接近發(fā)光躍遷所需的能量時，即可激發(fā)發(fā)光中心，或者離化發(fā)光中心，隨后發(fā)出光來。一個X射線的光子可以引起很多個發(fā)光光子。第94頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日X射線發(fā)光屏是利用發(fā)光材料使X光轉(zhuǎn)換為可見光，并顯示成像的屏幕。目前已研制出一系列X射線發(fā)光材料，這些材料的發(fā)光或起源于原子團，或起源于摻雜離子的能級間的電子躍遷。常用材料見表7-5。第95頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日表7-5X射線發(fā)光材料

第96頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日最早應用于X射線探測的鎢酸鈣現(xiàn)在仍然被廣泛地應用。這主要由于它有幾個優(yōu)點：吸收效率高，發(fā)光光譜和膠片靈敏波段相適應；物理化學性質(zhì)穩(wěn)定；而且在制備中對原料純度的要求不是很高。硫化物的發(fā)光效率較高，像ZnS，CdS這樣的材料，通用性較強。它既可用于透視屏又可用于增感屏，還用于像加強器。第97頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日碘化銫的發(fā)光效率和硫化物相同，都比較高，但它們對X射線的吸收效率卻比硫化物高，在X射線激發(fā)下，總的效率較高，是很好的材料，常用在像加強器中。像加強器是一種電真空器件，它也用于顯示。稀土材料的發(fā)光光譜和鎢酸鈣的相近，在醫(yī)用X射線(30~100keV)的激發(fā)下，它的發(fā)光效率比鎢酸鈣的效率還高。第98頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.6光色材料變色眼鏡片在較強陽光照射下，能在幾十秒鐘內(nèi)自動變暗，而無光照射時幾分種內(nèi)又可自動復明，某些天然礦物，如方鈉石和熒石等，在陽光下也會發(fā)生顏色變化。材料受光照射著色，停止光照時，又可逆地退色，這一特性稱為材料的光色現(xiàn)象。這類材料稱為光色材料。第99頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.6.1光色玻璃到目前為止，已發(fā)現(xiàn)幾百種光色材料，光色玻璃是其中的一種重要材料。根據(jù)照相化學原理制成的含鹵化銀的玻璃是一種光色材料。它是以普通的堿金屬硼硅酸鹽玻璃的成分為基礎，加入少量的鹵化銀如氯化銀(AgCl)、溴化銀(AgBr)、碘化銀(AgI)或它們的混合物作為感光劑，再加入極微量的敏化劑制成。第100頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日加入敏化劑的目的是為了提高光色互變的靈敏度。敏化劑為砷、銻、錫、銅的氧化物，其中氧化銅特別有效。將配好的原料采用和制造普通玻璃相同的工藝，經(jīng)過熔制、退火和適當?shù)臒崽幚砭涂芍频名u化銀光色玻璃。盡管鹵化銀光色玻璃是把照相化學原理移植到玻璃中來的產(chǎn)物，卻是青出于藍勝于藍。普通照相底片只能使用一次，不能重復使用，即發(fā)生的光化學反應是個不可逆的過程，而光色玻璃遇光變暗，無光退色的光色互變特性即使在反復幾十萬次以后仍絲毫沒有衰退。第101頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日這是因為在照相過程中，普通照相底片上涂敷的溴化銀經(jīng)過曝光后分解成銀和溴，再經(jīng)顯影、定影，銀原子就成為影像被固定下來，而溴則擴散逸出或被底片中的乳膠所俘獲，溶于定影液中，這樣就使光化學反應變得不可逆了。而在光色玻璃中情況就不同了，以極微小的晶粒形式存在的氯化銀晶體(顆粒大小為5~30nm，1立方厘米光色玻璃中大約含有幾千萬億個晶體顆粒)，經(jīng)過光照射雖也會發(fā)生光化學作用分解成氯原子和銀原子。第102頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日銀原子使玻璃在可見光區(qū)產(chǎn)生均勻光吸收而著色變暗，但由于玻璃本身的惰性和不滲透性，一方面使銀原子不能在玻璃中自由行動，另一方面氯原子也跑不出去，所以當光照結束后，光分解產(chǎn)生的氯和銀原子又重新相逢，生成無色的氯化銀，使光色玻璃復明，這就是光色玻璃著色退色過程可逆的原因。第103頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日光色玻璃的性能可根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。改變光色玻璃中感光劑的鹵素離子種類和含量，就可調(diào)節(jié)使光色玻璃由透明變暗所需輻照光的波長范圍。如僅含氯化銀晶體的光色玻璃的光譜靈敏范圍為紫外光到紫光；若含氯化銀和溴化銀晶體，則其靈敏范圍為紫外光到藍綠光區(qū)域。光色玻璃熔制后，要進行熱處理。通過控制溫度與時間可控制玻璃中析出的鹵化銀晶體顆粒大小，從而達到調(diào)節(jié)光色玻璃的光色性能的目的。第104頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.6.2光色晶體一些單晶體也具有光色互變特性，用白光照射摻稀土元素(Sm)和銪(Eu)的氟化鈣(CaF2)單晶體時，能透過晶體的光的波長為500~550nm，綠光較多，晶體呈綠色；如果這晶體用紫外光照射一下，綠色就退去，變成無色，如再用白光照射，又會變成綠色。第105頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日對于光色晶體顏色的可逆變化，通常是由于材料中(含微量摻雜物)存在兩種不同能量的電子陷阱，它們之間發(fā)生光致可逆電荷轉(zhuǎn)移。在熱平衡時(光照處理前)，捕獲的電子先占據(jù)能量低的A陷阱，吸收光譜為A帶。當在A帶內(nèi)曝光時，電子被激發(fā)至導帶，并被另一陷阱B(能量高于A陷阱)捕獲，材料轉(zhuǎn)換成吸收光譜為B帶的狀態(tài)，即被著色了。如果把已著色的材料在B帶內(nèi)曝光(或用升高溫度的熱激發(fā))時，處于B陷阱內(nèi)的電子被激發(fā)到導帶，最后又被A陷阱重新捕獲，顏色被消除。第106頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.6.3光存儲材料表7-6給出四種最有可能應用于全息光學記錄，讀出和消除的無機光色材料。表7-6用于全息存儲的光色材料

第107頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日光色材料一個重要用途是作為光存儲材料，由于光色材料的顏色在光照下發(fā)生可逆變化，所以產(chǎn)生兩種型式的光學存儲，即“寫入”型與“消除”型，寫入型是用適當?shù)淖瞎饣蜃贤饩€輻射來“轉(zhuǎn)換”最初處于熱穩(wěn)定或非轉(zhuǎn)換態(tài)的材料。消除型是用適當?shù)目梢姟跋惫鈱︻A先在轉(zhuǎn)換輻射下均勻曝光而變黑了的材料進行有選擇的光學消除。通常記錄全息圖都采用消除型。當樣品材料在干涉型消除光下曝光時，就形成吸收光柵。入射光最弱的地方為最大吸收(消除效果差)，入射光最強的地方為最小吸收(消除效果好)。第108頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日信息讀出時，照明光通過吸收光柵，光柵衍射以再現(xiàn)所存儲的信息。為消除全息圖，只需用光照射晶體使其重新均勻著色，恢復到原來的狀態(tài)。光色材料用于全息存儲具有如下特點：(1)存儲信息可方便地擦除，并能重復進行信息的擦寫；(2)具有體積存儲功能，利用參考光束的入射角度選擇性，可在一個晶體中存儲多個全息圖；(3)可以實現(xiàn)無損讀出，只要讀出時的溫度低于存儲時的使用溫度。第109頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.7液晶材料一般物質(zhì)，在溫度較低時為晶體，加熱后變?yōu)橐后w。然而，有相當多的有機物質(zhì)，在從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)之前，經(jīng)歷了一個或多個的中間態(tài)，它們的性質(zhì)，介于晶體與液體之間，稱為液晶。第110頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日1888年奧地利植物學家萊尼茨爾發(fā)現(xiàn)將結晶的膽甾醇苯甲酸酯加熱到145.5℃時，熔解為混濁粘稠的液體，當繼續(xù)加熱到178.5℃時，則形成透明的液體。第二年德國物理學家萊曼將145.5~178.5℃之間的粘稠混濁液體用偏光顯微鏡觀察時，發(fā)現(xiàn)它具有雙折射現(xiàn)象。萊曼把這種具有光學各向異性、流動性的液體稱為液晶。第111頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.7.1液晶的結構液晶的結構按分子排列方式的不同，可以分為三種類型(圖7-11)。圖7-11液晶的分子排列(a)近晶型，(b)向列型；(c)膽甾型第112頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日1．向列型液晶該種液晶分子的形狀像雪茄煙，分子的長軸近于平行，但不能排列成層。處于這種液晶態(tài)的分子，能上下、前后、左右移動，單個分子也能繞長軸旋轉(zhuǎn)。近幾年發(fā)現(xiàn)，利用向列型液晶分子定向排列這一特性，可把它作為取向溶劑，使溶質(zhì)分子與溶劑分子一起顯示定向排列。第113頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日2．近晶型液晶能形成這種液晶態(tài)的分子，形狀也像雪茄狀，分子長軸互相平行，且排列成層，層與層之間相互平行，分子排列比較整齊，近似于晶體的排列狀況。在這種液晶結構中，通常分子只能在層內(nèi)前后左右移動，而不易在上下層之間越層移動。但是，單個分子也能繞其長軸旋轉(zhuǎn)，由于層內(nèi)分子之間有較大的約束力，該液晶態(tài)對電磁場等外界干擾不如向列型敏感。第114頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日3．膽甾型液晶形成這種液晶態(tài)的棒狀分子分層排列，在每一層中，分子的排列是平行的，取向是一致的。但相鄰兩層分子的排列方向扭轉(zhuǎn)了一定的角度，因而多層分子鏈的排列方向逐層扭轉(zhuǎn)，而呈現(xiàn)螺旋形結構。該種液晶相具有如下特性：(1)干涉色，膽甾相液晶薄層在白光照射下，呈現(xiàn)如孔雀羽毛般的美麗色彩，這是由于它選擇反射某些波長的光所產(chǎn)生的現(xiàn)象；第115頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日(2)旋光性，呈現(xiàn)干涉色的膽甾相液晶薄層具有很大的旋光度，至少可達到100o~1000o/mm，這個值比水晶的旋光廢20o/mm要大得多。因液晶結構很嬌嫩，微弱的外界能量或壓力，就能使液晶的結構發(fā)生變化，從而使其功能發(fā)生相應的變化，因此液晶表現(xiàn)出許多奇妙的效應。第116頁，共132頁，2023年，2月20日，星期日7.7.2液晶材料物理性能液晶分子幾何形狀，極性官能團位置和極性大小、苯環(huán)面向以及分子之間相互作用等因素決定了液晶物理性能和各向異性，區(qū)域內(nèi)液晶分子平均取向用指向矢表示。在顯示應用中，液晶材料主要物理參數(shù)有相變溫度、粘度、介電常數(shù)、折射率和彈性常數(shù)等。第117頁，