材料的光学性能201401218

1、 颜色、反射、透过、吸收、折射、发光 1、光是什么？ 2、材料有哪些光学性能？ 3、材料具有这些光学性能的本质是什么？ 材料的光学性能 光的现象 光的微粒说（牛顿） 光的波动说（胡克，惠更斯） 光的电磁说（麦克斯韦） 光的波粒二象性（普朗克，爱因斯坦） 光的直线传播 光的干涉 光的衍射 电磁波谱 光谱 光的基本性质光的基本性质 光的波粒二象性光的波粒二象性 What is the light？ Wave or Particle? Wave and Particle? Are relations P=hk and E=mc2 simultaneously compatible with prin

2、ciple of wave-particle duality? p=mc p=mc=E/c=hv/c=h/ 光子动量悖论？光子动量悖论？ 颜色有关的问题 光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470 480 兰 470455 460 紫 455400 430 1414 108 . 4109 . 3 1414 100 . 5108 . 4 1414 104 . 5100 . 5 1414 101 . 6104 . 5 1414 104 . 6101 . 6 1414 106 .

3、 6104 . 6 1414 105 . 7106 . 6 可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围 人眼最为敏感的光是黄绿光，即人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。附近。 思 考 问 题 物体是如何呈现不同颜色的？ 伸手不见五指的黑夜，你看见伸手不见五指的黑夜，你看见红花红花和和绿草绿草吗？吗？ 人类如何感知颜色？可见光之外的波段光子的能量如何测量？ 光通过固体的现象光通过固体的现象 折射（光速的变化）折射（光速的变化） 反射（能量的变化）反射（能量的变化） 吸收（能量的变化）吸收（能量的变化） 散射（能量的变化）散射（能量的变化） 透过（能量）透过（能量） 反射

4、定律和微观机制 折射，负折射 材料的不透明与半透明性 光的吸收过程与机理 电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量； 在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的 每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造 成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移； 所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同 时光速减小，后者导致折射。 电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一 种能态的过程； 材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的 电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E 与电磁波频率有关： E=h 受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经 过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电 磁

5、波，即自发辐射。 原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带 光吸收 J(x)=J0(1-R)e-ax R 为反射系数，a为吸收系数 光的吸收与光电转换 导带 价带 能隙 （禁带） 本征吸收本征吸收 固体中电子的能带结构， 绝缘体和半导体的能带结构如图所示。导 带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁 带），在能隙中不能存在电子的能级。这 样，在固体受到光辐射时，如果辐射光子 的能量不足以使电子由价带跃迁至导带， 那么晶体就不会激发，也不会发生对光的 吸收。 例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当 于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光 以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是

6、透明的。 碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到 250nm，相当于0.055eV的能量。当有足够强的辐射（如 紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发 跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电这种与电 子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作本征吸收。子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作本征吸收。 例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6eV)附近，NaCl的 基础吸收约为8eV，Al2O3的基础吸收约在9eV。 导带 价带 能隙(禁带） 激子能级 激子吸收 除了基础吸收以外，还有一类吸收，除了基础吸收以外，还有一类吸收， 其能量低于能隙宽度，它对应于电子其能量

7、低于能隙宽度，它对应于电子 由价带向稍低于导带底处的的能级的由价带向稍低于导带底处的的能级的 跃迁有关。这些能级可以看作是一些跃迁有关。这些能级可以看作是一些 电子电子-空穴（或叫做激子，空穴（或叫做激子，excition） 的激发能级。的激发能级。 杂质吸收杂质吸收 无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外 光区的能量。因此，当可见光以至红外光辐照晶体时，如此的能量不足以光区的能量。因此，当可见光以至红外光辐照晶体时，如此的能量不足以 使其电子越过能隙，由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会使其电子越过能隙，

8、由价带跃迁至导带。所以，晶体不会被激发，也不会 发生光的吸收，晶体都是透明的。而当紫外光辐照晶体时，就会发生光的发生光的吸收，晶体都是透明的。而当紫外光辐照晶体时，就会发生光的 吸收，晶体变得不透明。吸收，晶体变得不透明。 Al2O3 单晶红宝石（Cr） 蓝宝石（Ti、Te） 思考： 红宝石为什么是红色？ 铜为什么呈红色？铜离子呈蓝色？ 铁是银白色？ 为什么用铜做镜子？ 思考题 太阳能电池的工作原理？ 材料的发光性能材料的发光性能 光与热相伴而行 白炽灯丝白炽灯丝 2000 太阳表面太阳表面 5800 要靠辐射有效地产生 可见光，物体的温度 必须足够高！ 热辐射决定于物体 的温度，是一种普 遍

9、存在的现象。 Four stages in development of lighting applications Fire Candles and Lamps Bulbs and Tubes SemiconductorsFire Candles and Lamps Bulbs and Tubes Semiconductors 一、两种发光类型：一、两种发光类型： 物体发射可见光有两种形式：热发光和冷发光。 由于可燃物质燃烧或物体温度升高达到红热、白热状 态时的发光，称热发光。热发光在能量转化中的热耗大 ，发光效率低。 物质不是由于温度升高而发射可见光，称冷发光。冷 发光由于热耗小，发光效率

10、较高。如荧火虫发光,发光热 耗几乎等于零. 1 1）热辐射的发光机制：）热辐射的发光机制： 电灯、火焰、太阳等热辐射体的 发光是由于物质在受到热能作用时， 原子中的电子吸收外来能量从低能级 跃迁到高能级（即原子被激发）后从 高能级自发地向低能级跃迁中放出能 量的过程。 电子从低能级向高能级跃迁的过 程实际上是一个“受激吸收”过程。 电子处在高能级的寿命很短（约10 8109秒），在没有外界作用下， 处于高能级的电子会自发地向低能级 跃迁，这种跃迁过程所发出的辐射称 为自发辐射 。 1、热辐射体的发光、热辐射体的发光 蓝宝石、红宝石的颜色？ 2 2）热辐射的发光特点：）热辐射的发光特点： 由于原

11、子的自发辐射是一种随机过程，各发光原子的 发光过程彼此独立，互不关联，所以热辐射各原子发出 的光的方向是无规则的射向四面八方，且位相、偏振状 态也各不相同。 由于激发能级有大的宽度，因此发射光的频率不会是 单一的，而有一定频率范围。 光谱能量密度是波长与温度的函数，或光谱辐射出射 度是波长与温度的函数。（普朗克公式） 发射率 （定义为辐射体的辐射出射度与同温度下黑 体的辐射出射度之比）与辐射体的组成及表面情况辐射体的组成及表面情况密切 相关。 3）人工热辐射源的辐射特性）人工热辐射源的辐射特性 能斯特灯：辐射体是由氧化锆、氧化钍和氧化钇粉末 混合成型后在高温下烧结而成的细棒状灯丝。在1800K

12、 工作时，发射出15m附近的红外光，发射率达0.75。 硅碳棒：工作在1300-1500K间，发射连续谱，最大值 在8m附近。 白炽灯：一般以钨丝为辐射体，工作温度很高，发射 短波长(0.2-1.6m)连续谱。 高压短弧氙灯：发射短波长(0.2-1.8m)带多个峰的连 续谱。 2. 冷光 不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条 件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态 的跃迁所产生的辐射。是一种非平衡辐射。 光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的， 物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。 以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态 的过程，称为激发过程。 发光就是将所

13、吸收的激发能转化为光辐射的过程。 萤火虫发光机理 萤火虫有专门的发光细胞，在发光细胞中有两类化学物质，萤火虫有专门的发光细胞，在发光细胞中有两类化学物质， 一类被称作一类被称作荧光素荧光素（在萤火虫中的称为萤火虫（在萤火虫中的称为萤火虫荧光素荧光素），）， 另一类被称为另一类被称为荧光素荧光素酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消 耗耗ATP（三磷酸腺甘），并与氧气发生反应，反应中产生（三磷酸腺甘），并与氧气发生反应，反应中产生 激发态激发态的氧化荧光素，当氧化荧光素从的氧化荧光素，当氧化荧光素从激发态激发态回到回到基态基态时时 释放出释放出光子光子。反应中释放的能量

14、几乎全部以光的形式释放，。反应中释放的能量几乎全部以光的形式释放， 只有极少部分以热的形式释放，反应效率为只有极少部分以热的形式释放，反应效率为95%。 分立中心发光 复合发光 发光材料的发光中心受激发 时并未离化，发光过程全部 局限在中心内部。被激发的 发光中心内的电子虽然获得 了跃迁至激发态的能量，但 并未离开中心，迟早会释放 出激发能，回到基态而发出 光来。 这种发光是单分子过程，并 不伴随有光电导，故又称为 “非光电导型”发光。 1. 分立中心发光 自发发光：受激发的粒子 （如电子），受粒子内部 电场作用从激发态A而回 到基态G时的发光。 受迫发光：受激发的电子 只有在外界因素的影响下

15、 才发光。 材料的发光机理 2. 复合发光 发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一 般为空穴和电子，这两种粒子复合时便发光，称为复 合发光。 由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而 构成特征性光电导，故又称为“光电导型”发光。 短复合发光，单分子过程，10-10s 长复合发光，双分子过程 材料的发光特征 1. 颜色特征 不同的发光材料有着不同的发光颜色。 2. 发光强度特征 发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人眼的 感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。 发光效率用来表征材料的发光本领。 量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值

16、。 能量效率（功率效率）：发光的能量与激发源输入的能量的比值。 流明效率（光度效率）：发光的流明数与激发源输入的能量的比值 （lm/W）。 3. 发光持续时间特征 发光持续时间特征 规定当激发停止时，其发光亮度L衰减 到初始亮度L0的10%时所经历的时间为 余辉时间，简称余辉。 人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光磷光； 人眼感觉不到余辉的短发光期间者为人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光荧光。 荧光与磷光无严格区别。荧光与磷光无严格区别。 极短余辉：余辉时间1s的发光 发光光谱 发光光谱指发光强度随波长 或能量的分布曲线，是发光 材料独具的特征。 （1）线

17、谱 （2）带谱 （3） Eu 铕 发光材料分类 光致发光材料光致发光材料 电致发光材料电致发光材料 射线致发光材料射线致发光材料 热致发光材料热致发光材料 等离子发光材料等离子发光材料 发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等） 照射下激发发光。 发光材料在电场或电流作用下的激发发光。 发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的 激发发光。 发光材料在热作用下的激发发光。 可能的发光过程 固体中可能的跃迁固体中可能的跃迁 （1）带间吸收；（21）带间发射或自由激子发射（因有一定结合能， 略Eg,图上未显示）；（22）有一定声子参与的光发射；（3）（5） 与杂质、缺陷有关的辐射复合；（6）分立中心内部

18、的发射；（7）无 辐射（多声子）弛豫；（8）俄歇Auger过程 光致发光材料 2. 典型荧光和磷光材料 日光用荧光材料日光用荧光材料 日光灯是荧光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，日光灯是荧光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，荧光荧光材料吸材料吸 收这种紫外光，发出收这种紫外光，发出“白色光白色光”。下图为荧光灯的构造示意图，它由一个内壁涂有。下图为荧光灯的构造示意图，它由一个内壁涂有荧荧 光光体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。 通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时通电后，汞原子受到灯丝发出电

19、子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时 便发出波长为便发出波长为254和和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的荧光体受到这种光辐照，就随之的紫外光，涂在灯管内壁的荧光体受到这种光辐照，就随之 发出白光。这里我们说的是低压汞灯，还有高压汞灯，但原理都一样。发出白光。这里我们说的是低压汞灯，还有高压汞灯，但原理都一样。 Hg 白光白光 玻璃壳玻璃壳荧光粉料涂层荧光粉料涂层 185nm254nm 日光灯的构造示意图日光灯的构造示意图 灯用荧光材料的组成 常用的基质晶体有两类：常用的基质晶体有两类： 离 子 键 的 绝 缘 材 料 ， 例 如离 子 键 的 绝 缘 材 料 ， 例 如 C d 2

20、B 2 O 5 、 Z n 2 S i O 4 、 3Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2等。在这些材料中，相应激活离子有一套不连等。在这些材料中，相应激活离子有一套不连 续的能级，并且它们受到基质晶体环境定域的影响而有所修正。续的能级，并且它们受到基质晶体环境定域的影响而有所修正。 共价性的半导体化合物共价性的半导体化合物ZnS等。对这类材料，基质的能带结构会等。对这类材料，基质的能带结构会 由于加入激活剂离子伴随的定域能级而有所改变。例如，分别掺杂由于加入激活剂离子伴随的定域能级而有所改变。例如，分别掺杂 Ag+、Sb3+和和Eu2+离子的离子的ZnS磷光体由于激活剂不同，而产生特征磷光体由

21、于激活剂不同，而产生特征 的光谱和颜色，下图是它们的发射光谱，对应的电子跃迁如下：的光谱和颜色，下图是它们的发射光谱，对应的电子跃迁如下： 离子 基态能级 激发态能级 Ag+ 4d10 4d95p Sb3+ 4d105s2 4d105s5p Eu2+ 4f7 4f65d 在荧光灯中广泛应用的磷光体材料是双重掺杂了Sb3+和Eu2+的磷 灰石。基质Ca5(PO4)3F中掺入Sb3+发蓝荧光，掺入Mn2+后发桔黄色光， 两者都掺入发出近似白色光。 用氯离子部分取代氟磷灰石中氟离子，可以改变发射光谱的波长 分布。这是由于基质变化改变了激活剂离子的能级，也就改变了其 发射光谱波长。 以这种方式小心控制

22、组成比例，可以获得较佳的荧光颜色。表给 出了某些灯用磷光体。近年来发展了稀土“三基色”灯用荧光材料。 表 某些灯用磷光体 磷光体 激活剂 颜色 Zn2SiO4 Mn 绿色 Y2O3 Eu 红色 CaMg(SiO3)2 透辉石 Tl 蓝色 CaSiO3 硅灰石 Pb, Mn 黄桔色 (Sr,Zn)(PO4)2 Sn 桔色 Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2 Sn,Mn “白色” 3. 显示用荧光材料显示用荧光材料 u电视机和计算机显示器等使用的荧光材料，就是阴极射线致电视机和计算机显示器等使用的荧光材料，就是阴极射线致 发光材料，是以电子束为激发源。发光材料，是以电子束为激发源。 u显象管用荧光

23、材料要求必须具有足够高的发光亮度，一般不显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度，一般不 低于低于170 烛光烛光米米 -2；余辉时间要求足够短，在电流密度为 ；余辉时间要求足够短，在电流密度为 0.2Acm-2情况下，激发停止后经过情况下，激发停止后经过40s，发光亮度对初始亮度的，发光亮度对初始亮度的 比值为比值为0.60.8，可见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严格，可见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严格 的颗粒度。的颗粒度。 u这类材料又依黑白和彩色显像管分为这类材料又依黑白和彩色显像管分为“白色白色”发光材料和彩发光材料和彩 色发光材料。色发光材料。 3. 热释发光 当激发

24、发光体后，发光将逐渐衰减，直至发光消失。随后， 逐渐升高发光体的温度，有的发光材料又会逐渐发光，并逐 渐变强，在某一温度时达到最大值后又逐渐变弱，这种变化 随着温度的上升，可以重复几次，直到高温时发光才消失。 在材料的禁带中，存在着不同深度的陷 阱。在激发过程中，有的电子就掉进了 这些深度不同的陷阱。陷阱中的电子回 到导带的几率为： 若温度T大，则P大，即导带中的电子数 目增多，复合的次数增多，发光增强。 陷阱中的电子数目是有限的，这些电子 耗尽了，即使继续升温，也没有可以参 与复合的电子，因此不再发光。 陷阱可有不同深度，使电子释放出来所 需的温度就有高有低。 E kT Pe 5）电致(场致

25、)发光材料 Electroluminescence 本征式场致发光 注入式场致发光 ITO：InSnO2，Indium Tin Oxide 6) 等离子发光材料 等离子体是高度电离化的多 种粒子存在空间，其中带电 粒子有电子、正离子（或负 离子），不带电粒子有气体 原子、分子、受激原子、亚 原子等。 火焰发光、等离子体辉光放电、闪电 激光（激光（Laser） u 激光（Laser）是英文“Light amplification by stimulated emission of radiation”首写字母的缩写，意为受激辐射光放 大，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光 束。

26、u 激光技术是20世纪60年代后发展起来的一门技术，它带动 了傅里叶光学、全息术、光学信息处理、光纤通信、非线性 光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。 1. 激光材料 激光与普通光的根本区别：激光具有极高的光子简并度 （处于同一量子态中的光子数） 1017103 方向性好， 单色性好 相干性好 能量集中，亮度高，激光传递信息的容量大 高简并度的强激光，其场强远大于 库仑场强，引起新的物理效应 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射 2 激光激光特点：特点： 1 1） 方向性好方向性好 （发散角（发散角10 -4弧度）弧度） 一束激光射到一束激光射到38

27、万万km的月的月 球上，光斑的直径只有球上，光斑的直径只有2km 手电筒的光射到手电筒的光射到m处，处， 扩展成很大的光斑。扩展成很大的光斑。 利用激光准直仪可使利用激光准直仪可使 长为长为2.5km的隧道掘进偏的隧道掘进偏 差不超过差不超过16nm. 2 2） 单色性好单色性好 单色性最好的氪灯单色性最好的氪灯Kr86 =4.710-3 nm 稳频稳频HeNe激光器激光器 9 10 nm 激光的单色性比普通光高激光的单色性比普通光高 倍倍. . 10 10 3 3） 能量集中能量集中脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦）亮度极高亮度极高 激光的颜色非常单纯，而且只向着一个

28、方向发光，亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高 激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度 太阳表面的亮度比白炽灯大几太阳表面的亮度比白炽灯大几 百倍。普通的激光器的输出亮度，比百倍。普通的激光器的输出亮度，比 太阳表面的亮度大太阳表面的亮度大10亿倍。激光是当亿倍。激光是当 今世界上高亮度的光源。今世界上高亮度的光源。 激光的能量在空间上、在时间上高度集中激光的能量在空间上、在时间上高度集中 光能量不仅在空间上高度集中，光能量不仅在空间上高度集中， 同时在时间上也可高度集中，同时在时间上也可高度集中， 因而可以在一瞬间产生出巨大因而可以在

29、一瞬间产生出巨大 的光热。的光热。 在工业上，在工业上， 激光打孔、切割和焊接。医学上激光打孔、切割和焊接。医学上 视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面，视网膜凝结和进行外科手术。在测绘方面， 可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星可以进行地球到月球之间距离的测量和卫星 大地测量。在军事领域，可以制成摧毁敌机大地测量。在军事领域，可以制成摧毁敌机 和导弹的激光武器和导弹的激光武器 4 4） 相干性好相干性好 l空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。 l时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），相干长度可达几十公里。埃），相干长度可达几十公里。 3. 激光发光机制 1）受激辐射 光的自发辐射过程光的自发辐射过程 光的受激吸收过程光的受激吸收过程 光的受激发射过程光的受激发射过程 普通光：普通光：自发辐射自发辐射 激激 光：光：受激辐射受激辐射 2）激光产生的必要条件： v 粒子数反转分布 v 减少振荡模式 开式光学谐振腔的作用 Application of laser optical tweezers ; optical trapping Laser cooling 1997, Nobel Prize, Stephen Chu 同步辐射国