光学功能材料

光学功能材料 光充满着整个宇宙：恒星都在发光，卫星都在反光。可见光、红外光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠星光或灯光。要利用光，就要创造或制造光学材料。 自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料青铜反光镜;17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料;20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。 人造光学材料同样在国民经济和人民生活中发挥着重要作用:一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼。科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微镜、望远镜、经纬仪、摄像机等各种光学仪器，核心部分都是由光学材料制造的光学零件。光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。 光色材料-材料受光照射着色，停止光照射后又可逆地褪色，这一特性称为材料的光色现象。具有光色现象的材料称为光色材料。例如：光色玻璃-含有卤化银的玻璃是一种典型的光色材料，它是以普通的碱金属硼硅酸盐玻璃的成分为基础，加入少量卤化银，如AgI、AgCl、AgBr或混合物作为感光剂，再加入极微量的敏化剂(如As、Se、Cu、Sb的氧化物)制成。原理：卤化银光色玻璃是将照相化学原理移植到玻璃中的产物,普通照相底片上的AgBr经曝光后分解为Ag和Br，再经过显影、定影，Ag原子成为影像固定下来，Br则扩散逸出或被底片中的乳胶所吸收，溶于定影液中，这导致光学反应变的不可逆。光色玻璃中，以极小颗粒存在的AgCl晶体经光照射后分解为Ag原子和Cl原子,Ag原子使玻璃在可见光区产生均匀的光吸收而着色变暗，但由于玻璃本身惰性和不渗透性，Ag原子不能在玻璃中自由行动，Cl原子也跑不出去,光照后，Ag原子和Cl原子又重新生成无色AgCl，这就是光色玻璃着褪色可以可逆进行的原因。 光色玻璃的性能可根据需要进行调节，改变光色玻璃中卤素离子的种类和含量，可调节使光色玻璃由透明变暗所需幅照光的波长范围，如仅含AgCl晶体的光色玻璃的光谱灵敏范围为紫外光到紫光；如含AgCl和AgBr晶体，则其灵敏范围为紫外光到蓝绿光区域。控制光色玻璃制备中的热处理温度与时间，可控制玻璃中析出的卤化银颗粒大小，也可调节光色玻璃的光色性能。 红外光学材料-红外线同可见光一样都是电磁波，它的波长范围很宽，从0.76m到1000m。广义上来讲任何材料在绝对零度（0K）以上均发红外线。这个特征对于红外探测、红外摄像、红外观察具有特殊意义。红外材料：是指能透过红外线，并对不同波长红外线具有不同的透光率、折射率及色散的材料。单晶红外材料： 1）碱卤化合物晶体：如LiF、NaF、KCl、KBr等2）碱土-卤族化合物晶体：如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等 3）氧化物晶体：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物 4）单质晶体：单质锗、硅可作为红外光学材料。5）无机盐化合物晶体：SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。红外光学材料主要应用于以下方面： 辐射测量、光谱辐射测量：如非接触温度测量、农业、渔业、地面勘察，探测焊接缺陷，微重力下热流过程研究； 对能量辐射物的搜索和跟踪：如宇航装置导航，火箭、飞机预警，遥控引爆管等； 制造红外成像器件，夜视仪器、红外显微镜等：用于红外光学系统中的窗口、整流罩、透镜棱镜、滤光片等，可用于军事上的伪装识别，半导体元件和集成电路的质量检查等； 通信和遥控：宇宙飞船之间进行视频和音频传输，海洋、陆地、空中目标的距离和速度测量，这种红外通信比其他通信(如无线电通讯)抗干扰性好也不干扰其他信息，保密性好，而且在大气中传杨，波长愈长，损耗衰减愈小。 发光材料1.反光：最简单的光变光；2.激发光：其它能量激发材料而产生光；3.激光：LASER-受激辐射光放大而产生光。 发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光向外辐射的过程，是热辐射之外另一种能量辐射现象。光子是电子在受激高能态返回低能态时发出的，当发出光子能量在1.8-3.1eV时，便是可见光。材料发光所需能量可从较高能量的电磁辐射(如紫外光)中得到，也可从高能电子或热能、机械能和化学能中得到。 发光材料是指吸收能量，然后转化为光的材料。发光材料的晶格要具有结构缺陷或杂质缺陷，材料才具有发光性能。结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷，由其引起的发光称为自激活发光，所以制备发光材料采用合适的基质十分重要。如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格中形成杂质缺陷，由其引起的发光叫激活发光，掺入的微量杂质一般都充当发光中心，称为激活剂。实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。荧光粉中加入Eu2+、Ce3+、Tb3+、Yb3+等稀土离子，可使发光效率和显色性能得到显著提高。发红光的荧光粉有Y2O3：Eu3+，很容易被254nm的射线激发；发蓝光的荧光粉有BaMgAl10O17：Eu3+和Sr2Al6O12：Eu3+等。发绿光的离子是Tb3+，不容易被254nm的射线激发，常用Ce3+做为敏化剂。 发光微观过程：材料发光时，吸收外界的能量，产生高能电子和空穴，高能电子和空穴经过相互碰撞，又产生能量较低的电子及空穴；这个过程一直持续下去，直到电子的能量降低到和发光体禁带能量相匹配为止，期间发出光子，产生光。发光材料种类很多，发光颜色也覆盖整个可见光范围。 二元化合物为基质的发光材料。1）CsI：Na-X射线激发-发蓝光，420nm。2）SrS：Ce3+ -电致发光蓝粉。材料的发光光谱可分为以下3种类型：1宽带：半宽度一100nm，如CaWO4；2窄带：半宽度一50nm，如Sr2(PO4)Cl：Eu3+；3线谱：半宽度一0.1nm，如GdVO4：Eu3+。究竟一种材料的发光光谱属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。 氧化物及氧酸盐基质的发光材料:Y2O3：Eu-红色荧光粉 CaWO4，紫外光激发产生蓝光磷酸盐，紫外光激发产生蓝光Zn2SiO4:Mn，绿色荧光粉铝酸盐，绿色荧光粉 自然界中很多物质或多或少都可以发光，发光材料中既有无机化合物，也有有机化合物。发光材料使用最多的是粉末状多晶固体无机化合物，其次是单晶和薄膜。根据发光类型，可把发光材料分为光致发光材料、阴极射线发光材料、X射线发光材料、场致发光材料、发光二极管等。光致发光是指发光材料从较高能量的光辐射(如紫外光)中得到能量，击发光子发光的现象，光致发光材料主要是荧光粉，早期的荧光粉是MgWO4与(Zn、Be)2SiO4：Mn2+,将荧光粉涂在充满汞的玻璃管内侧，汞在电场作用下放电产生紫外线，荧光粉吸收紫外线的能量，将其转化为白光放出。蓄光型发光材料也是光致发光材料中的重要一种，更注意发光的衰减规律和热释光性能,蓄光型发光材料可直接制成各种制品应用，如发光涂料、塑料膜板、纤维、陶瓷和玻璃等。 激光材料:半导体激光器,世界上第一台固体激光器诞生于1960年7月,波长为694.3nm。至此，一门新的科学技术量子电子学中的激光技术以科学史上罕见的高速度向前发展！1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。 激光晶体材料：1.红宝石：激光波长为0. 6943 m 掺Cr3+ -蓝宝石（-Al2O3）2.YAG: Nd：激光波长为1. 06 m掺Nd3+-钇铝石榴石（Y3Al5O12），激光晶体发出的激光波长取决于掺杂离子。为了获得不同的激光波长要使用不同的半导体激光材料:（1）蓝光半导体激光器材料;（2）蓝绿光半导体激光器材料;（3）红光半导体激光器材料;（4）近红外短波长半导体激光器材料;（5）近红外长波长半导体激光器材料;（6）中红外波段半导体激光器材料;（7）中远红外波段半导体激光器材料 使用较广的固体半导体激光器：近红外短波长半导体激光器材料AlGaAs/GaAs材料体系是目前得到最广泛应用一种半导体激光材料体系，输出波长780nm。美国新研制激光器：AlGaAs/GaAs/AlGaAs,输出波长870nm。优点：工艺成熟。单条器件的最大功率输出达120W。缺点：寿命较短-原因：Al组分及材料中N组分对缺陷迁移的抑制；近红外短波长半导体