材物4章材料的光学

1、4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射一、定义一、定义n材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光子的过程，这就是光发射光发射。n自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大的绝缘体，其次的半导体它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。n从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、发光强度及延续时间等。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射平衡辐射和非平衡辐射平衡辐射和非平衡辐射1. 平衡辐射q只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。2. 非平衡辐射在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。

2、4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射光源光源能够发光的物体称为光源能够发光的物体称为光源 = (E2-E1) / hE1E2 原子光波列原子光波列 (wave train) cL c 一般光源的发光特点：一般光源的发光特点： 1 间歇性；间歇性； 2 随机性。随机性。 （1）热辐射）热辐射 （2）电致发光）电致发光 （3）光致发光）光致发光 （4）化学发光）化学发光 自发自发辐射辐射（5）同步辐射光源）同步辐射光源 （6）激光光源）激光光源 受激受激辐射辐射激发态原子或分子的自发辐射激发态原子或分子的自发辐射 = (E2-E1) / hE1E2激发态原子或分子的受激辐射激发态原子或分子的受

3、激辐射 4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射4.7.14.7.1 激励方式激励方式材料发光前可以有多种方式向其注入能量4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.1 4.7.1 激励方式激励方式一、光激励（光致发光） 通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光。 激励光源可以采用光频波段、x-射线波段、-射线波段。 如荧光灯：通过紫外线激发涂布于灯管内壁的荧光粉而发光。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.14.7.1 激励方式激励方式二、阴极射线发光 利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程。 如

4、彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显象管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.24.7.2 激励方式激励方式三、电激励（电致发光） 通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，或者从外电路将电子（或空穴）注入到半导体的导带（或价带），导致载流子复合而发光。 如仪器指示灯的发光二极管：半导体复合发光。一、发射光谱：一、发射光谱：发射光强 发射光波长q指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。q其形状与材料的能量结构有关。反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.34.7.3 材

5、料发光的基本性质材料发光的基本性质二、激发光谱：二、激发光谱：发光强度 激发光波长q指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线q能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长，但激发光谱吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光困难把吸收的光能转化为热能而耗散掉对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.34.7.3 材料发光的基本性质材料发光的基本性质三、发光寿命：三、发光寿命：n发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。n发光强度也以指数规律衰减：n余辉时间：

6、从激发停止时的发光强度I0衰减到I0 /10的时间，按余辉时间长短分为：ttIIenn00n - 初始激发态的电子数- 电子在单位时间内跃迁到基态的概率=1/ 发光寿命4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.34.7.3 材料发光的基本性质材料发光的基本性质四、发光效率四、发光效率n量子效率q：n指发射光子数nout与吸收光子数（或输入的电子数） nin之比。n功率效率p：n表示发光功率Pout与吸收光功率（或输入的电功率）Pin之比。n光度效率l：n表示发射的光通量L与输入的光功率（或电功率）Pin之比。功率效率与光度效率的关系： （）-人眼的视见函数 I （）-发光功率的光谱分布

7、函数 D 光功当量inoutqnninoutqPPinlPL DdIdIql004.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.34.7.3 材料发光的基本性质材料发光的基本性质2. 复合发光复合发光 源于固体本征态的辐射跃迁源于固体本征态的辐射跃迁 固体能带模型描述（限于最高能隙固体能带模型描述（限于最高能隙Eg内）内）如如II-VI、III-V族半导体发光族半导体发光1. 分立中心发光分立中心发光3. 特殊的复合发光特殊的复合发光BaF2型型 固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁 位形坐标描述位形坐标描述如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）如稀土离子发光

8、（宽禁带绝缘体材料）发光分类发光分类4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制一、分立中心发光一、分立中心发光 RE3+发光，杂质、缺陷发光发光，杂质、缺陷发光 其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质材料自身结构的某一个基团。 选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。 发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其能量状态发生变化进而影响材料饿发光性能。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制 根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为两种情况：

9、发光中心基本上是孤立的它的发光光谱与自由离子相似； 发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光特性与自由离子不同必须把中心和基质作为一个整体来分析。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制稀土离子发光：稀土离子发光：n “4f4f”电子组态间的跃迁电子组态间的跃迁 如Tb3+, Eu3+, Gd3+ +, Pr3+ 线谱，禁戒部分解除）n“4f5d”电子组态间的跃迁电子组态间的跃迁 如Ce3+带谱，允许跃迁 特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7

10、.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制 缺陷发光缺陷发光 F心，心，PWO的绿光、红光中心，的绿光、红光中心， ZnO的绿光，的绿光，ZrO2的发光的发光氧化物、氟化物、碱卤化物，氧化物、氟化物、碱卤化物，负离子缺位（电子陷阱）负离子缺位（电子陷阱）+ e F心心4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制1. 固体“导带电子价带空穴”间的复合2. “导带电子受主A（空穴）”或“价带空穴施主D（电子）”或“DA”复合3. 激子（“eh”）或束缚激子的复合4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理

11、机制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）分立中心内部的发射；（7）无辐射（多声子）弛豫；（8）俄歇Auger过程4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制复合发光效率：复合发光效率：带间跃迁带间跃迁直接高 （仅有光子参与的电子跃迁） 间接低 （有光子和声子同时参与的电子跃迁）带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.

12、7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制 发光体被激发后，电子、空穴如何运动，激发态发光体被激发后，电子、空穴如何运动，激发态如何去激发如何去激发激发激发 能量传递能量传递 发光发光 研究方法：发光衰减（研究方法：发光衰减（ ），激发光谱，时间），激发光谱，时间分辨谱，发光的浓度依赖，温度依赖，热释光。分辨谱，发光的浓度依赖，温度依赖，热释光。4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制一、能量传递现象：一、能量传递现象：激发于某处（某中心），激发于某处（某中心），发光在另一处（另一中心）发光在另一处（另一中心）如如 Ca3(PO4)2:M

13、n，250nm激发时，激发时，Mn不发光，不发光， Ca3(PO4)2:Ce，250nm激发时，激发时，Ce发光，发光， Ca3(PO4)2:Mn，250nm激发时，可见激发时，可见Mn，Ce发光，发光， Ce Mn激发激发CdS 10-5cm发射发射4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机制 二、能量传递方式：二、能量传递方式： 载流子传递载流子传递 再吸收光子传递再吸收光子传递 共振传递共振传递 激子传递激子传递VBCB发光发光激发激发CuZnS:Cu4.7 4.7 材料的材料的光发射光发射 4.7.44.7.4 发光的物理机制发光的物理机

14、制 激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。 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。 仅就全息照相和傅里叶光学中的一些最基础的内容作扼要的介绍。7-1激光（激光（LaserLaser）4.8 4.8 材料的受激辐射和激光材料的受激辐射和激光全息照相全息照相（holography）是利用光的干涉和衍射原利用光的干涉和衍射原理理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记

15、录了物体的全部信息，由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术包括振幅和相位因此称为全息术。7 7 其它光学性质其它光学性质 7.2 7.2 全息照相全息照相n为了提高电子显微镜的分辨本领，伽伯（D.Gabor，19001979）在1948年提出了全息术原理，并开始了全息照相（holography）的早期研究工作。n那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离，以及没有好的相干光源。n1960年出现了激光以后，1962年莱特（E.Leith）和乌帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息术中利用了激光，并提出了离轴全息术，使全息技术迅速发展成为科学技术的一个新领域。n激光记录和白

16、光再现的全息术，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性，并逐步深入到了社会的各个领域中。n而且，声全息术和微波全息术等也已经开始发展，但进展远不如光学全息术。7 7 其它光学性质其它光学性质 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的获得光的干涉n由激光器发出的激光束，通过分光镜分成两束。n一束称物光，它是经过透镜扩束后射向物体，再由物体反射后投向全息干版；n另一束光经反射镜反射和透镜扩束后直接照到全息干版上，称为参考光。n在干版上相遇后，发生干涉，形成干涉条纹。它是无数组干涉条纹的集合，最终形成一肉眼不能识别的全息图。n干涉条纹的间距： d = /

17、2sin(/2)7 7 其它光学性质其它光学性质 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的再现光的衍射n感光以后的全息底片经显影、定影等处理得到的全息照片上，记录了无数干涉条纹，相当于一个“衍射光栅”，n一般是用相同于拍摄时的激光作为照明光，照明光经全息照片（即“光栅”）便发生衍射，得到一列沿照射方向传播的零级衍射光波和二列一级衍射波。透镜物体透镜全息干板全反镜全反镜分光镜电快门He-Ne激光器 全息照片的拍摄全息照片的拍摄7 7 其它光学性质其它光学性质 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的主要特点全息照片的主要特点 立体感强。 具有分割性。 同一张全息干版可重叠多个全息图。 有视差

18、效应。 改变全息照片位置或改变光波波长可使再现图像放大或缩小。7-2共轭实像三维虚像全息照片激光 全息照片的再现全息照片的再现7 7 其它光学性质其它光学性质 7.2 7.2 全息照相全息照相傅立叶光学傅立叶光学 光学信息处理光学信息处理n20世纪30年代以来，光学与电通讯和电信息理论相互结合，逐渐形成了傅立叶光学。n傅立叶光学的数学基础是傅立叶变换，它的物理基础是光的衍射理论。n阿贝成象原理：1873年，阿贝（E.Abbe，18401905）在显微镜成象原理的论述中，首次提出了空间频率和空间频谱以及两次衍射成象的概念，并用傅立叶变换来阐明显微镜成象的物理机制。1906年，波特（A.B.Por

19、ter）以一系列实验证实了阿贝成象原理。7 7 其它光学性质其它光学性质 7.3 7.3 傅立叶光学傅立叶光学1、光电效应的基本概念光电效应的基本概念当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电光电效应效应，所逸出的电子叫，所逸出的电子叫光电子光电子，由光电子形成的电流叫，由光电子形成的电流叫光光电流电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的逸出功逸出功。8 8 光电效应光电效应8.1 8.1 光电效应的实验规律光电效应的实验规律2、实验装置、实验装置单色光通过石英窗照射金属板单色光通过石

20、英窗照射金属板阴极上有光电子产生。阴极上有光电子产生。UGKA如将K接正极、A接负极，则光电子离开K后，将受到电场的阻碍作用。当K、A之间的反向电势差等于U0时，从K逸出的动能最大的电子刚好不能到达A，电路中没有电流， U0叫遏止电压。0maxeUEk 8 8 光电效应光电效应8.1 8.1 光电效应的实验规律光电效应的实验规律8 8 光电效应光电效应8.1 8.1 光电效应的实验规律光电效应的实验规律3、实验现象、实验现象(2)存在截止频率：存在截止频率：对某一种金属来说，只有当入射光的频率大于某一频率0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率0叫做截止频率红限.0UaU0红限

21、频率红限频率(1)饱和光电流：饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。U0312UIIS0(3)线性性：线性性：用不同频率的光照射金属K的表面时，只要入射光的频率大于截止频率，遏止电势差与入射光频率具有线性关系。NaCaO2.01.06.08.010.0Hz1040102|US|8 8 光电效应光电效应8.1 8.1 光电效应的实验规律光电效应的实验规律(4)瞬时性瞬时性：无论入射光的强度如何，只要其频率大于截止频率，则当光照射到金属表面时，几乎立即就有光电流逸出（延迟时间越为10-9s）8 8 光电效应光电效应8.1 8.1 光电效应的实验规律光电效应的实验规律(1) 经典认为光强越大

22、，饱和电流应该大，光电子的初动能也该大。但实验上饱和电流不仅与光强有关而且与频率有关，光电子初动能也与频率有关。4、经典理论的困难、经典理论的困难(2) 只要频率高于红限，既使光强很弱也有光电流；频率低于红限时，无论光强再大也没有光电流。而经典认为有无光电效应不应与频率有关。(3) 瞬时性。经典认为光能量分布在波面上，吸收能量要时间，即需能量的积累过程。8 8 光电效应光电效应8.1 8.1 光电效应的实验规律光电效应的实验规律1、爱因斯坦光子假说、爱因斯坦光子假说1905年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光年，爱因斯坦对光的本性提出了新的理论，认为光束可以看成是由微粒构成的粒子流，这

23、些粒子流叫做束可以看成是由微粒构成的粒子流，这些粒子流叫做光光量子量子，简称简称光子光子。在真空中，光子以光速。在真空中，光子以光速c 运动。一个运动。一个频率为频率为 的光子具有能量的光子具有能量eeh 2 、光电效应的爱因斯坦方程、光电效应的爱因斯坦方程Wmvh 221 8 8 光电效应光电效应8.2 8.2 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程3、光电效应解释、光电效应解释(1)饱和光电流强度与光强成正比：饱和光电流强度与光强成正比：对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的对于给定频率的光束来说，光的强度越大，表示光子的数目越多，光电子越多，光电流越大。数目越多，光电子越多，光电流越大。(2) 红限频率的存在红限频率的存在：当入射光频率低于红限频率当入射光频率低于红限频率 0，h W/h），以致每个光子的能），以致每个光子的能量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红量足够大，电子才能克服逸出功而逸出金属表面。所以红限频率限频率 =W/h；8 8 光电效应光电效应8.2 8.2 光子光子 爱因斯坦方程爱因斯坦方程(3) 截止电压与频率成线性关系截止电压与频率成线性关系WheU 0eWehU 0Whmv 202102021eUmv aUKU 0(4)光电效应的瞬时性光电效应的瞬时性：当电子一次性地吸收了一个光子