第九讲 光学材料

1、1第九讲第九讲 光学材料光学材料 Optical Materials 2022-6-272课程考核要求课程考核要求 平时出席平时出席/作业作业 35%； 课堂发表（课堂发表（5-10分钟）分钟）20%； 个别讨论个别讨论 15%； 课程论文课程论文 30%。要求：以自己感兴趣的新型功能材料为题，写一篇综述，主要内容包括该新型功能材料的研究背景、制备方法、及其在不同领域的主要用途。不少于3000字。 时间：5月31日晚地点：多媒体1083主要内容主要内容光纤材料光纤材料发光材料发光材料 红外光学材料红外光学材料固体激光材料固体激光材料 光色材料光色材料 4 光充满着整个宇宙，各种星体都在发光：远

2、红外光光充满着整个宇宙，各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及、红外光、可见光、紫外光，以及X射线等。射线等。 人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星光。，夜间还要靠星光。 要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料光学材料。光学材料。太阳光太阳光星光星光灯光灯光5 自然中存在一些天然光学材料：自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。等。 这些材料具有奇异的发光现象，能在无

3、光环境下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。有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。夜明珠夜明珠珍珠珍珠猫眼石猫眼石如发光水母一样的如发光水母一样的“希望树希望树”种子；种子；郁郁葱葱、奇妙的郁郁葱葱、奇妙的发光发光森林森林；可当房子居住的参天巨树；可当房子居住的参天巨树；色彩斑斓神气活现的茂密雨林色彩斑斓神气活现的茂密雨林影片影片阿凡达阿凡达： 男主角杰克男主角杰克 潘多拉星球潘多拉星球非洲北部有一种发光树，白天与普通树没区别非洲北部有一种发光树，白天与普通树

4、没区别。但每到晚上，从树干到树枝通体会发出明亮的光。但每到晚上，从树干到树枝通体会发出明亮的光。由于这种树发出的光比较强烈，当地人经常把它移植由于这种树发出的光比较强烈，当地人经常把它移植到自家的门前作为路灯使用。在夜间，人们可以在树到自家的门前作为路灯使用。在夜间，人们可以在树下看书甚至做针线。下看书甚至做针线。科学家解释：这种树之所以会发光，是因为其树根科学家解释：这种树之所以会发光，是因为其树根特别喜欢吸收土壤中的特别喜欢吸收土壤中的磷磷。这种磷会在树体内转化成。这种磷会在树体内转化成磷化氢磷化氢，而磷化氢一遇到氧气就会，而磷化氢一遇到氧气就会自燃自燃，从而使得树，从而使得树身磷光闪烁。

5、身磷光闪烁。 发光树：发光树：萤火虫萤火虫 栉水母栉水母生物界生物界说到发光，首先想到萤火虫，除此之外大自然中说到发光，首先想到萤火虫，除此之外大自然中还有许多能够发光的生物，如一些生活在海里的鱼、虾、还有许多能够发光的生物，如一些生活在海里的鱼、虾、水母、珊瑚、贝类和蠕虫等。水母、珊瑚、贝类和蠕虫等。百慕大三角洲发现的荧光虾百慕大三角洲发现的荧光虾日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的日本富山湾海下栖息着大量荧光乌贼，有时，上百万的荧光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。荧光乌贼聚集在一起，可以把整个海湾照亮。发光蚯蚓发光蚯蚓美国南部生活着一种长达美国南部生活着一种长达4545厘米

6、的发光蚯蚓。厘米的发光蚯蚓。这种蚯蚓一旦被伤害，就会这种蚯蚓一旦被伤害，就会分泌出闪烁着蓝光的黏液。分泌出闪烁着蓝光的黏液。铁路蠕虫铁路蠕虫身上长有两种不同的发光身上长有两种不同的发光器官。器官。仿佛圣诞树一般，头部发仿佛圣诞树一般，头部发出红光，身子闪烁绿光。出红光，身子闪烁绿光。古代古代“夜明珠夜明珠”，是，是指能够在夜晚（或暗室指能够在夜晚（或暗室中）自行发光的天然物中）自行发光的天然物体。而且这种光是人用体。而且这种光是人用肉眼能够直接看到的光肉眼能够直接看到的光。萤石萤石 夜明珠：夜明珠：11 春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了了最

7、古老的光学材料最古老的光学材料青铜反光镜青铜反光镜。 17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于世纪，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。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。光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。青铜镜青铜镜望远镜望远镜12 光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用。光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用。 一副直径一副直径5厘米左右的

8、光学眼镜片就能消除眼疾给人厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼带来的苦恼。13 科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微科学研究、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。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学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。望远镜望远镜摄相机摄相机眼镜眼镜14 光学材料光学材料是传输光线的材料，这些材料以是传输光线的材料，这些材料以折射、反折射、反射和透射射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，

9、的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。 光学材料包括光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料和光色材料光材料和光色材料等。等。光学材料光学材料光纤材料1516光导纤维光导纤维(optical fibre(optical fibre，简称光纤，简称光纤) ) 能够以能够以光信号而非电信号光信号而非电信号的形式传递信息的形式传递信息( (光束光束和图像和图像) )的具有特殊光学性能的的具有特殊光学

10、性能的玻璃或塑料纤维玻璃或塑料纤维。 光纤是一种非常细的可弯曲的导光材料。光纤是由光纤是一种非常细的可弯曲的导光材料。光纤是由高透明电介质高透明电介质材料制成的材料制成的极细的低损耗导光纤维极细的低损耗导光纤维。它。它具有传输从具有传输从红外线到可见光区间红外线到可见光区间的光和传感的两重功的光和传感的两重功能。能。光导纤维（光纤）的定义光导纤维（光纤）的定义 18701870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达

11、尔发光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射光的全反射造成的结果。造成的结果。光导纤维（光纤）的发现光导纤维（光纤）的发现光导纤维的结构光导纤维的结构单根光纤的直径约为单根光纤的直径约为几到几百微米几到几百微米, , 它由它由内层材料（芯料）和包层材料（涂层）组内层材料（芯料）和包层材料（涂层）组成的复合结构。为了保护其不受损坏、最成的复合结构。为了保护其不受损坏、最外面再加一层塑料套管。外面再加一层塑料套管。总外径总外径1252

12、00m纤芯纤芯高透明高透明固体材料固体材料包层包层折射率较纤芯低折射率较纤芯低固体材料固体材料覆层覆层高强材高强材料料光导纤维的结构光导纤维的结构光导纤维的特点光导纤维的特点 (1)(1) 传输损耗小传输损耗小 (2) (2) 容量大容量大，一对光纤同时传送，一对光纤同时传送150150万路电话万路电话和和20002000套彩色电视套彩色电视 (3) (3) 传输质量高传输质量高，抗干扰、保密性好。不发，抗干扰、保密性好。不发生辐射生辐射, ,光信号传输过程中失真、畸变、误差光信号传输过程中失真、畸变、误差小，不产生也不受磁干扰。小，不产生也不受磁干扰。 (4) (4) 足够的强度和可挠性足够

13、的强度和可挠性。材料来源广，成。材料来源广，成本低（塑料）。本低（塑料）。 (5) (5) 质量轻、耐腐蚀质量轻、耐腐蚀光光 纤纤 光光 缆缆 普普 通通 电电 缆缆 信息量大信息量大, ,每根光纤理论上可同时通过每根光纤理论上可同时通过1010亿路电话亿路电话 8 8管同轴电缆每管同轴电缆每条通话条通话18001800路路 原料来源广原料来源广( (石英玻璃石英玻璃),),节约有色金属节约有色金属 资源较少资源较少 质量小质量小, ,每公里每公里27 g,27 g,不怕腐蚀不怕腐蚀, ,铺设方铺设方便便 每公里每公里1.6 t 1.6 t 成本低成本低, ,每公里每公里1 1万元左右万元左右

14、 每公里每公里2020万元万元 性能好性能好, ,抗电磁干扰保密性强抗电磁干扰保密性强, ,能防窃能防窃听听, ,不发生电辐射不发生电辐射 光纤光缆与普通电缆比较光纤光缆与普通电缆比较 按功能分为按功能分为 传光纤维与传像纤维传光纤维与传像纤维光纤的分类光纤的分类按按传输模式分为传输模式分为: : 单模单模(single model(single model，SM)SM)光纤，光纤，只能传只能传输一种光波模式输一种光波模式; ; 多模多模(multiple model(multiple model，MM)MM)光纤光纤, , 同时传播多种光波模式，可传输更多的同时传播多种光波模式，可传输更多的

15、信号信号光纤的分类光纤的分类 按折射率分布的方式分类：按折射率分布的方式分类：阶跃折射率光阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤纤和梯度折射率光纤。按按传输的偏振态传输的偏振态分：单模光纤又可进一步分分：单模光纤又可进一步分保偏光纤、非保偏光纤保偏光纤、非保偏光纤。阶跃阶跃 剖面剖面 n(r)a n2n1 r 纤 芯阶跃折射率光纤阶跃折射率光纤 a n2 n1 r纤 芯渐变渐变 剖面剖面n(r)梯度折射率光纤梯度折射率光纤 按制造光纤的材料分：按制造光纤的材料分： 高纯度熔石英光纤，高纯度熔石英光纤，其特点是材料的光其特点是材料的光传输损耗低，有的波长可低到传输损耗低，有的波长可低到0.2dB0.2d

16、Bkmkm，一般均小于一般均小于ldBldBkmkm； 多组分玻璃纤维多组分玻璃纤维，其特点是芯，其特点是芯- -皮折射率皮折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波在可见光波段一般为段一般为:1dB:1dBm m 塑料光纤塑料光纤，其特点是成本低，缺点是材，其特点是成本低，缺点是材料损耗大，温度性能较差；料损耗大，温度性能较差； 红外光纤红外光纤，其特点是可透过近红外（，其特点是可透过近红外（1 1 5m5m）或中红外（）或中红外（10m10m）的光波；）的光波； 液芯光纤液芯光纤，特点

17、是纤芯为液体，可满足，特点是纤芯为液体，可满足特殊需要；特殊需要； 晶体光纤晶体光纤，纤芯为晶体，可用于制造各，纤芯为晶体，可用于制造各种有源和无源器件。种有源和无源器件。光纤种类光纤种类材材 料料 成成 分分采采 用用 原原 料料石英光纤芯线：SiO2 GeO2 P2O5 包层：SiO2 B2O3SiCl4 GeCl4 POCl3SiCl4 BCl3 BBr3多组分光纤芯线：SiO2 Na2O CaO GeO2 包层：SiO2 Na2O CaO B2O5：SiCl4 NaNO3 Ca(NO3)2 Ge(C4H9O)4SiCl4 NaNO3 Ca(NO3)2 BCl3石英芯线塑料包层光纤芯线；

18、SiO2包层：有机硅SiCl4二甲基二氯硅烷 塑料光纤芯线：PMMA包层：氯化MAP聚甲基丙烯酸甲酯氟化甲酯光纤的种类与材料光纤的种类与材料 石英玻璃光纤、石英玻璃光纤、 多组分玻璃光纤、多组分玻璃光纤、 高双折射偏振保持光纤、高双折射偏振保持光纤、 单偏振光纤、单偏振光纤、 各种传感器用光纤等各种传感器用光纤等 制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯制造光导纤维用的光学材料，必须高度纯净、成分均匀。净、成分均匀。 石英光纤石英光纤是以是以SiOSiO2 2为主成分制成的为主成分制成的, ,目前通目前通讯用光纤都是讯用光纤都是SiOSiO2 2玻璃光纤。玻璃光纤。常用光纤材料常用光纤材料对通信对

19、通信石英光纤的要求石英光纤的要求 作为光通信媒介物的光导纤维应具有三个特性作为光通信媒介物的光导纤维应具有三个特性: : (1)(1)传输衰耗小传输衰耗小 常以每公里损失的分贝数常以每公里损失的分贝数(dB(dBkm)km)表示表示 (2)(2)传输频带宽传输频带宽现多用单模光纤现多用单模光纤 (3)(3)机械性能好机械性能好为保护光纤拉丝后的强度，光为保护光纤拉丝后的强度，光纤拉出后，必须立即被覆一层或二层保护性的纤拉出后，必须立即被覆一层或二层保护性的涂膜涂膜, ,以提高使用寿命以提高使用寿命主要红外光纤的光学传输性能主要红外光纤的光学传输性能 光纤被大量地应用在光纤被大量地应用在光通讯光

20、通讯方面，此外，光纤方面，此外，光纤作为传感器在作为传感器在军事、医学军事、医学都有重要应用。都有重要应用。光导纤维的制备光导纤维的制备 石英光纤制备的要求石英光纤制备的要求必须严格控制必须严格控制: 杂质的含量杂质的含量，尤其是金属离子和羟基离子尤其是金属离子和羟基离子二者的存在会引起传输衰耗大辐度地上升。二者的存在会引起传输衰耗大辐度地上升。一般金属离子的浓度应在一般金属离子的浓度应在1010-9-9级范围，羟基离级范围，羟基离子浓度一般为子浓度一般为1010-4-4 1010-7-7 光纤的尺寸和形状光纤的尺寸和形状纤芯直径的波动会纤芯直径的波动会产生大的传输衰耗甚至不能使用，形状对产生

21、大的传输衰耗甚至不能使用，形状对称性的改变会严重影响光纤之间的连接称性的改变会严重影响光纤之间的连接 化学组成化学组成组成的微小变化，会影响纤组成的微小变化，会影响纤芯的折射率，增加传输衰耗芯的折射率，增加传输衰耗光纤的制备工艺光纤的制备工艺 最常用的一种是MCVD（modified chemical vapor deposition，改进的化学气相沉积法）。 1. 预制棒的制造预制棒的制造 主反应在主反应在“ “玻璃车床玻璃车床” ”上用超纯的上用超纯的SiCl4与与O2和和H2在在1400 1600下反应下反应 SiCl4(g)+O2(g)+2H2(g)=SiO2(g)+4HCl(g) 掺

22、杂反应生成掺杂反应生成GeO2、P205、B203等等 4POCl3十十302=2P2O5十十6C12 光纤的制备工艺光纤的制备工艺MCVD法的评价法的评价制造光纤预制棒的常用方法。能制备优质的光制造光纤预制棒的常用方法。能制备优质的光纤预制棒纤预制棒 不足如所用原料昂贵（特别是纯化各原料的不足如所用原料昂贵（特别是纯化各原料的费用高昂，技术要求高），光纤维化学组成受到限费用高昂，技术要求高），光纤维化学组成受到限制制 其它技术全合成（富通公司）其它技术全合成（富通公司） 2. 2. 光纤的拉制光纤的拉制 石墨炉 预制棒 裸光纤 涂覆杯 UV灯 保护气体 光纤的结构光纤的结构 着色层 芯层芯层

23、 内涂层内涂层 外涂层外涂层 光纤带的结构光纤带的结构5 m 包层包层125 m 光缆的结构光缆的结构 束管式束管式 纤膏 加强芯 缆膏 固架式固架式 光纤带光纤带 除用于通讯外，还用于医疗、信息除用于通讯外，还用于医疗、信息处理、处理、传能传像、遥测遥控、照明传能传像、遥测遥控、照明等。等。光导纤维的用途光导纤维的用途高质量传导光的玻璃纤维高质量传导光的玻璃纤维，信息高速公路的，信息高速公路的“基石基石非通信光纤主要用于光纤测量仪表的光学非通信光纤主要用于光纤测量仪表的光学探头（传感器）、医用内窥镜等。探头（传感器）、医用内窥镜等。 光学纤维胃镜现代通信用光缆用光导纤维做手术，不用开刀 真正

24、的光通信时代真正的光通信时代 目前的光纤通信，是把声音或图象通过电话机或目前的光纤通信，是把声音或图象通过电话机或电视摄像机变成电信号，再通过光调制机对激光光源电视摄像机变成电信号，再通过光调制机对激光光源进行调制，把电信号变成光信号，由光导纤维传送到进行调制，把电信号变成光信号，由光导纤维传送到接收端，接收端的激光接收机通过光电转换器，把光接收端，接收端的激光接收机通过光电转换器，把光信号还原成电信号，进入电话机或电视机，重现发送信号还原成电信号，进入电话机或电视机，重现发送的声音或图象。的声音或图象。现代通信用光缆现代通信用光缆 未来的光纤通信，可以不用电信号，而是未来的光纤通信，可以不用

25、电信号，而是将声音或图象直接转换成光信号用光纤将声音或图象直接转换成光信号用光纤进行传输进行传输，电只是作为能源加以使用。，电只是作为能源加以使用。到那时电话、电报、电视等电通信方式到那时电话、电报、电视等电通信方式将变成将变成“光话光话”“”“光报光报”“”“光视光视”等光等光通信方式，人类将进入一个无限美好的通信方式，人类将进入一个无限美好的真正的光通信时代。真正的光通信时代。 光导纤维在医学上的应用光导纤维在医学上的应用 光导纤维不但是通信技术中的重要材料，还是医光导纤维不但是通信技术中的重要材料，还是医生的得力助手。目前在医学领域，普遍使用着一种生的得力助手。目前在医学领域，普遍使用着

26、一种连接着许多连接着许多光纤的胃镜光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外，光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。上。光学纤维胃镜光学纤维胃镜 光导纤维在医学上的另一个重要应用光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用体的病变部位，用激光来切除病变部位激光来切除病变部位。这种

27、这种“手术手术”不用切开皮肤和切割肌肉组不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好织，而且切割部位准确，手术效果好. .用光导纤维做手术，不用开刀现代通信用光缆光学纤维胃镜用光导纤维做手术，不用开刀50发光材料发光材料51发光现象发光现象 发光发光是物质将某种方式吸收的能是物质将某种方式吸收的能量转化为光向外辐射的过程，是量转化为光向外辐射的过程，是热辐射外另一种能量辐射现象。热辐射外另一种能量辐射现象。 光子是电子在受激高能态返回低光子是电子在受激高能态返回低能态时发出的，当发出光子能量能态时发出的，当发出光子能量在在1.8-3.1eV时，便是可见光时，便是可见光。 材料发光所

28、需能量可从材料发光所需能量可从较高能量较高能量的电磁辐射的电磁辐射(如紫外光如紫外光)中得到，中得到，也可从高能电子或热能、机械能也可从高能电子或热能、机械能和化学能和化学能中得到。中得到。绿色极光绿色极光荧光现象荧光现象52 发光材料发光材料是指吸收光照，然后转化为光的材料。是指吸收光照，然后转化为光的材料。 发光材料的晶格要具有发光材料的晶格要具有结构缺陷或杂质缺陷结构缺陷或杂质缺陷，材料，材料才具有发光性能。才具有发光性能。 结构缺陷结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷，由其引起的是晶格间的空位等晶格缺陷，由其引起的发光称为发光称为自激活发光，自激活发光，所以制备发光材料采用合适所以制备发光

29、材料采用合适的基质十分重要。的基质十分重要。 如果在基质材料中如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质有选择地掺入微量杂质在晶格中在晶格中形成形成杂质缺陷杂质缺陷，由其引起的发光叫，由其引起的发光叫激活发光激活发光，掺入，掺入的微量杂质一般都充当发光中心，称为激活剂。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实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。53 发光微观过程：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，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高能电子和空穴经过相互碰撞，又产生

30、能量较低的电子及空穴；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。禁带能量相匹配为止，期间发出光子，产生光。红色极光红色极光半导体发光半导体发光54 发光的特征有三个发光的特征有三个： 发光材料的发光材料的发光颜色发光颜色彼此不同，都有各自特征，彼此不同，都有各自特征，选选用不同的发光材料可得各种发光颜色。用不同的发光材料可得各种发光颜色。发光材料种类很多，发光颜色也覆盖整个可见光范围。发光材料种类很多，发光颜色也覆盖整个可见光范围。材料的发光光谱可分为以下材料的发光光谱可分为以下3种类型：

31、种类型：宽带宽带：半宽度一：半宽度一100nm，如，如CaWO4；窄带窄带：半宽度一：半宽度一50nm，如，如Sr2(PO4)Cl：Eu3+；线谱线谱：半宽度一：半宽度一0.1nm，如，如GdVO4：Eu3+。 究竟一种材料的发光光谱属于哪一类，既与基质有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。关，又与杂质有关。55 发光的第二个特征是它的发光的第二个特征是它的强度强度。发光强度随激发强度而变发光强度随激发强度而变;激光出现前，激光出现前，电子束电子束能量较高，强度较大，一般不发光能量较高，强度较大，一般不发光或发光很弱的材料，在阴极射线激发下可发出可觉察的或发光很弱的材

32、料，在阴极射线激发下可发出可觉察的光或较强的光。光或较强的光。激光激光出现后，其强度可以大于出现后，其强度可以大于107W/cm2，在它激发下很，在它激发下很容易引起发光。容易引起发光。Samsung超薄超薄CRT电视电视56 发光的第三个特征是发光发光的第三个特征是发光持续时间持续时间。最初发光分为最初发光分为荧光及磷光荧光及磷光两种：两种：荧光荧光是在激发时发出的光是在激发时发出的光，磷光磷光是在激发停止后发出的光。是在激发停止后发出的光。瞬态光谱技术瞬态光谱技术已把测量范围缩小到已把测量范围缩小到1ps(10-12s)以下，最快以下，最快的脉冲光输出已短到的脉冲光输出已短到8fs(1fs

33、=10-15s)，荧光及磷光的时间界，荧光及磷光的时间界限已不清楚。限已不清楚。发光总是延迟于激发发光总是延迟于激发，当激发停止后，发光亮度从当激发停止后，发光亮度从J0衰减衰减到到 10J0时，经历的时间为时，经历的时间为余辉时间余辉时间。荧光现象荧光现象磷光夜明珠磷光夜明珠57 发光材料由此可划分为发光材料由此可划分为6个范围：个范围：极短余辉：极短余辉：1s；短余辉：短余辉：1-10s；中短余辉：中短余辉：10-2-1ms；中余辉：中余辉：1-100ms；长余辉：长余辉：0.1-1s；极长余辉：极长余辉：1s58 自然界中很多物质或多或少都可以发光，发光材料自然界中很多物质或多或少都可以

34、发光，发光材料中既有无机化合物，也有有机化合物。中既有无机化合物，也有有机化合物。 发光材料发光材料使用最多的是粉末状多晶使用最多的是粉末状多晶固体无机化合物固体无机化合物，其次是单晶和薄膜。其次是单晶和薄膜。 根据发光类型，可把发光材料分为根据发光类型，可把发光材料分为光致发光材料、光致发光材料、阴极射线发光材料、阴极射线发光材料、X射线发光材料、场致发光材射线发光材料、场致发光材料、发光二极管等料、发光二极管等。蝴蝶翅膀上的磷粉具有发光现象蝴蝶翅膀上的磷粉具有发光现象磷光虾磷光虾59光致发光材料光致发光材料 光致发光光致发光是指发光材料从较高能量的是指发光材料从较高能量的光辐射光辐射(如紫

35、外如紫外光光)中得到能量，击发光子发光的现象，中得到能量，击发光子发光的现象， 光致发光材料主要是光致发光材料主要是荧光粉荧光粉，早期的荧光粉是，早期的荧光粉是MgWO4与与(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。其转化为白光放出。荧光高压汞灯荧光高压汞灯日光灯照明日光灯照明60 荧光粉中加入荧光粉中加入Eu2+、Ce3+、Tb3+、Yb3+等稀土离子，可使发光效率等稀土离子，可使发光效率和显色性能得到显

36、著提高。和显色性能得到显著提高。 发红光发红光的荧光粉有的荧光粉有Y2O3：Eu3+，很容易被很容易被254nm的射线激发；的射线激发； 发蓝光发蓝光的荧光粉有的荧光粉有BaMgAl10O17：Eu3+和和Sr2Al6O12：Eu3+等。等。 发绿光发绿光的离子是的离子是Tb3+，不容易被，不容易被254nm的射线激发，常用的射线激发，常用Ce3+做为做为敏化剂。敏化剂。61 蓄光型发光材料蓄光型发光材料也是光致发光材料中的重要一种，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。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，如发光蓄光型发光材料可直

37、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。涂料、塑料膜板、纤维、陶瓷和玻璃等。稀土长余辉蓄光材料标示牌稀土长余辉蓄光材料标示牌62阴极射线发光材料阴极射线发光材料 阴极射线发光阴极射线发光是在真空中是在真空中从从阴极出来的电子阴极出来的电子经加速经加速后轰击荧屏所发出的光。后轰击荧屏所发出的光。 发光区域只局限于电子所发光区域只局限于电子所轰击的区域附近：轰击的区域附近： 由于电子的能量在几千电由于电子的能量在几千电子伏以上，除发光以外，子伏以上，除发光以外，还可以产生还可以产生x射线。射线。扫描仪中的阴极射线管扫描仪中的阴极射线管63阴极射线发光材料阴极射线发光材料材料组

38、成材料组成发光颜色发光颜色相对亮度相对亮度10%余辉余辉/ms用途用途Zn2SiO4：Mn绿绿95%95%0.5双层显示波管双层显示波管ZnO：Zn青白青白95%95%95%95%95%95%95%250雷达指示管雷达指示管ZnS：Ag蓝蓝95%95%95%95%95%1黑白显像管黑白显像管64 阴极射线发光材料可制备阴极射线管，用途广泛。阴极射线发光材料可制备阴极射线管，用途广泛。 阴极射线管大量用于彩色电视机的显像管阴极射线管大量用于彩色电视机的显像管，对人们，对人们的生活有巨大影响；的生活有巨大影响； 阴极射线管还可用于示波器、雷达以及特殊要求的阴极射线管还可用于示波器、雷达以及特殊要求

39、的显示屏等。显示屏等。舰用雷达显示屏舰用雷达显示屏投影管投影管电视显像管电视显像管65 飞点扫描管要求发光的上升及衰减都很快，飞点扫描管要求发光的上升及衰减都很快，Ce2+可可满足这个要求，满足这个要求，Y2SiO3：Ce、Y3A15O12：Ce及它及它们的混合物的余辉约为们的混合物的余辉约为10-7-10-8s。 雷达显示屏要求长余辉，一般采用双层屏，在电雷达显示屏要求长余辉，一般采用双层屏，在电子束轰击下，电子束激发第一层材料子束轰击下，电子束激发第一层材料ZnS：Ag，发出短余辉的蓝光，它再激发第二层材料发出短余辉的蓝光，它再激发第二层材料(Zn，Cd)S：Cu，Al，发射长余辉的黄光。

40、，发射长余辉的黄光。倒车雷达显示屏倒车雷达显示屏66场致发光材料场致发光材料 半导体材料在半导体材料在外电场外电场作用下，出现发光的现象称为作用下，出现发光的现象称为场致发光场致发光。 半导体材料场致发光的半导体材料场致发光的微观过程主要是碰撞激发或微观过程主要是碰撞激发或离化杂质中心离化杂质中心。场致发光玻璃饰品场致发光玻璃饰品场致发光纤维场致发光纤维67半导体材料与金属电极相接的界面上形成势垒，电半导体材料与金属电极相接的界面上形成势垒，电子从金属一侧隧穿到半导体的几率很大。子从金属一侧隧穿到半导体的几率很大。电子进入半导体后被其体内电场加速，电子进入半导体后被其体内电场加速，当它与发光当

41、它与发光中心或基质某个电子碰撞，中心或基质某个电子碰撞，会将部分能量交给中心会将部分能量交给中心或基质电子，使它们被或基质电子，使它们被激发或被离化激发或被离化。激发：电子从激发态跃迁到基态，发射出光来激发：电子从激发态跃迁到基态，发射出光来；离化：电子进入导带成为整个晶格所有，电子与离离化：电子进入导带成为整个晶格所有，电子与离化中心复合时，发出光束化中心复合时，发出光束。68 场致发光材料在交流电压或直流电压作用下都可发场致发光材料在交流电压或直流电压作用下都可发光。光。最常用的直流场致发光材料有最常用的直流场致发光材料有ZnS：Mn，Cu，亮度约亮度约350Cd/m2，发光效率为，发光效

42、率为0.5lm/W； ZnS：Ag可发出可发出蓝光蓝光；(ZnCd)S：Ag可发出可发出绿光绿光，改变配比改变配比(ZnCd)S：Ag可发出可发出红光红光。 近年来还试用在近年来还试用在CaS、SrS等基质中掺杂稀土元素的等基质中掺杂稀土元素的直流场致发光材料。直流场致发光材料。蓝色场致发光材料蓝色场致发光材料黄色场致发光材料黄色场致发光材料红色场致发光材料红色场致发光材料69 交流场致发光效率较高，可达交流场致发光效率较高，可达15 lm/W，场致发光，场致发光的研究和应用都以交流场致发光为主。的研究和应用都以交流场致发光为主。交流场致发光材料交流场致发光材料发光材料发光材料发光颜色发光颜色

43、发光光谱峰值发光光谱峰值/nmZnS：Cu浅蓝浅蓝455ZnS：Cu，Al绿绿510ZnS：Cu，Mn黄黄580(Zn，Cd) (S，Se)：Cu橙红橙红65070发光二极管材料发光二极管材料 发光二极管是辐射光的半导体二极管发光二极管是辐射光的半导体二极管，施加正向，施加正向电压时，通过电压时，通过pn结分别把结分别把n区电子注入区电子注入p区，区，p区空区空穴注入穴注入n区，电子和空穴复合发光，把电能直接转区，电子和空穴复合发光，把电能直接转换成光能。换成光能。 发光二极管所用材料具有下述特性：发光二极管所用材料具有下述特性：发光在可见光区，发光在可见光区，Eg1.8eV，700nm；材料

44、容易作成材料容易作成n型及型及p型；型；有效率高的发光中心；有效率高的发光中心；效率降到初始值一半的时间要大于效率降到初始值一半的时间要大于105h， 材料能生长成单晶，能规模生产，价廉。材料能生长成单晶，能规模生产，价廉。发光二极管发光二极管71 发光二极管和器件已实现红、橙、黄、绿、青、蓝发光二极管和器件已实现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色的生产和应用、紫七彩色的生产和应用，并拓展到近红外和近紫，并拓展到近红外和近紫外范围，如发红光的外范围，如发红光的GaAsP，发绿光的，发绿光的GaP等。等。 发光二极管的发光效率也提高上千倍。发光二极管的发光效率也提高上千倍。使用使用GaN基基材料的

45、二极管，可发出高亮度的白光，在材料的二极管，可发出高亮度的白光，在20mA的电的电流下，发光强度达到流下，发光强度达到2Cd，能作为强光源使用。，能作为强光源使用。各色发光二极管各色发光二极管作为强光源使用的发光二极管作为强光源使用的发光二极管72 发光二极管最有前景的用途是照明发光二极管最有前景的用途是照明。 发光二极管照明具有高效节能、环保、寿命长、发光二极管照明具有高效节能、环保、寿命长、易维护等特点，被认为是进入普通照明领域的一易维护等特点，被认为是进入普通照明领域的一种新型固态冷光源。种新型固态冷光源。 以发光二极管为主的以发光二极管为主的半导体照明被誉为是人类照半导体照明被誉为是人

46、类照明史上继白织灯、荧光灯之后的又一次革命。明史上继白织灯、荧光灯之后的又一次革命。照明用发光二极管照明用发光二极管73 发光二极管也可做成指示器和数字显示器发光二极管也可做成指示器和数字显示器，用于，用于计算机、广告、家用电器、车辆、交通信号等仪计算机、广告、家用电器、车辆、交通信号等仪器仪表的显示中。器仪表的显示中。LED显示屏显示屏Sony-LED电视电视74 北京奥运会开幕式北京奥运会开幕式开场的画轴打开在一个巨大的开场的画轴打开在一个巨大的LED屏幕上。屏幕上。LED屏幕屏幕长长147米，宽米，宽22米，总面积米，总面积3234平方米，平方米，上面铺了上面铺了44000颗颗LED。L

47、ED地面完全经得住演员地面完全经得住演员踩踏、水浸踩踏、水浸等考验。等考验。LED大屏分辨率高达大屏分辨率高达70521056，是普通电脑的，是普通电脑的5倍，制造倍，制造的光影效果和表演密切结合，将观众引入梦幻世界。的光影效果和表演密切结合，将观众引入梦幻世界。75 光立方光立方是国庆是国庆60周年联欢晚会的一个表演区。周年联欢晚会的一个表演区。以天安门广场国旗旗杆为中心，四周有以天安门广场国旗旗杆为中心，四周有4028棵棵的的LED“发发光树光树”，每一棵发光树的，每一棵发光树的LED管通过电脑操作可变换管通过电脑操作可变换种种颜色，颜色，高度也可以变换，高度也可以变换，且左右摇摆，且左右

48、摇摆，4028名表演者站在名表演者站在“树树”下，用手持道具配合下，用手持道具配合“发光树发光树”按照指令进行表演按照指令进行表演。76国庆彩车国庆彩车2009年春节联欢晚会年春节联欢晚会77 上海世博会上海世博会，LED继续大放异彩。继续大放异彩。 舞台上空出现了一只巨型舞台上空出现了一只巨型“白鸽白鸽”，随着音乐挥动，随着音乐挥动翅膀。翅膀。“白鸽白鸽”由由770个个LED灯球组成的矩形方阵，灯球组成的矩形方阵，在随后节目中，这些灯球随旋律的变化变幻出在随后节目中，这些灯球随旋律的变化变幻出EXPO、世博会中国馆、世博会中国馆等造型，同时伴随着的是蓝等造型，同时伴随着的是蓝色、紫色、红色等

49、绚烂颜色。色、紫色、红色等绚烂颜色。78 283.5米宽，米宽，26.4米高，总面积达米高，总面积达7000多平方米多平方米的的LED巨型屏幕呈现出美丽画面，这一目前巨型屏幕呈现出美丽画面，这一目前世界上最世界上最大的电视屏幕大的电视屏幕，在呈现给观众视觉盛宴的同时，也，在呈现给观众视觉盛宴的同时，也给黄浦江新增一道美丽的风景。给黄浦江新增一道美丽的风景。79 卢浦大桥经卢浦大桥经LED光源改造后，宛如天际一道绚丽的光源改造后，宛如天际一道绚丽的彩虹彩虹 6000只只LED发光球发光球变幻着红、橙、黄三色从黄浦江变幻着红、橙、黄三色从黄浦江上游的卢浦大桥顺流而下，来到江心舞台，形成一上游的卢浦

50、大桥顺流而下，来到江心舞台，形成一派锦绣灿烂的场面。派锦绣灿烂的场面。 80 世博园区内共有世博园区内共有10.3亿亿颗颗LED芯片使用，芯片使用， 世博场馆室内照明电源中约有世博场馆室内照明电源中约有80%采用采用LED绿色光绿色光源源，相较于普通白织灯，省电，相较于普通白织灯，省电90%。 油立方油立方81X射线激发发光材料射线激发发光材料 在在X射线照射下，发光材料可发生康普顿效应，也可吸射线照射下，发光材料可发生康普顿效应，也可吸收收X射线，它们都可产生高速光电子。光电子又经过非射线，它们都可产生高速光电子。光电子又经过非弹性碰撞，产生下一代电子。当这些电子的能量接近发弹性碰撞，产生下

51、一代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需能量时，就可发出光。光跃迁所需能量时，就可发出光。 X射线发光材料可使射线发光材料可使X光转换为可见光，并显示成像光转换为可见光，并显示成像。吴有训吴有训康普顿康普顿1927年诺贝尔年诺贝尔物理学奖物理学奖82 根据对发光材料的要求，参照在其他激发方式下发光根据对发光材料的要求，参照在其他激发方式下发光材料的性能，已研制出一系列材料的性能，已研制出一系列X射线发光材料。射线发光材料。X射线发光材料射线发光材料发光材料发光材料发光波峰发光波峰/nm发光效率发光效率/(lm/W)CaWO44203ZnS：Ag45017ZnS，CdS：Ag53820CsI：

52、Na41019BaSO4：Pb3504.5(Sr，Ba)SO4：Eu3808Ba3(PO4)2：Eu3751.5Y2O3S：Tb380，410，420，55018La2O3S：Tb490，544，588，62012.583 X射线发光材料可将射线发光材料可将X射线透过人体或物体后所形射线透过人体或物体后所形成的成的X射线潜像射线潜像转换成可见图像，既可用肉眼观察转换成可见图像，既可用肉眼观察，也可用胶片照相，还可用光电器件将它转换成电，也可用胶片照相，还可用光电器件将它转换成电信号后再处理。信号后再处理。用于用于X射线远视及照相；射线远视及照相；由由X射线像增强器和电视组成的射线像增强器和电视

53、组成的X射线显示系统；射线显示系统；X射线扫描及计算机配合组成断层分析系统，也就射线扫描及计算机配合组成断层分析系统，也就是常说的是常说的CT系统。系统。医用医用CTCT系统系统84红外光学材料红外光学材料85红外线红外线 红外线同可见光一样都是电磁波，它的波长范围很红外线同可见光一样都是电磁波，它的波长范围很宽，从宽，从0.7m到到1000m。 红外线具有波粒二象性，遵守光的反射和折射定律红外线具有波粒二象性，遵守光的反射和折射定律，在一定条件下产生干涉和衍射现象。，在一定条件下产生干涉和衍射现象。 每种处于每种处于0K以上的物体均发射特征电磁波辐射，以上的物体均发射特征电磁波辐射，主要位于

54、电磁波谱的红外区域，主要位于电磁波谱的红外区域，这个特征对于军事这个特征对于军事观察和测定肉眼看不见的物体具有特殊意义。观察和测定肉眼看不见的物体具有特殊意义。86红外材料红外材料 红外材料红外材料是指能透过红外线，并对不同波长红外线是指能透过红外线，并对不同波长红外线具有不同透光率、折射率及色散的材料。具有不同透光率、折射率及色散的材料。 红外材料主要包括碱卤化合物晶体、碱土红外材料主要包括碱卤化合物晶体、碱土- -卤族化合卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体及半导体晶体。物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体及半导体晶体。单质晶体单质晶体：单质锗、硅可作为红外光学材料：单质锗、硅可作为红外光学材

55、料。碱卤化合物晶体碱卤化合物晶体：如：如LiF、NaF、KCl、KBr等等碱土碱土-卤族化合物晶体卤族化合物晶体：如：如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等，等，氧化物晶体氧化物晶体：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物等氧化物无机盐化合物晶体：无机盐化合物晶体：SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。等。87红外材料的用途红外材料的用途 红外光学材料主要应用于以下方面：红外光学材料主要应用于以下方面： 辐射测量、光谱辐射测量辐射测量、光谱辐射测量：如非接触温度测量、：如非接触温度测量、农业、渔业、地面勘察，探测焊接缺陷，微重力农业、渔业、地面勘察，探测焊接缺陷，微

56、重力下热流过程研究；下热流过程研究； 对能量辐射物的搜索和跟踪对能量辐射物的搜索和跟踪：如宇航装置导航，：如宇航装置导航，火箭、飞机预警，遥控引爆管等；火箭、飞机预警，遥控引爆管等；红外测量红外测量红外遥控红外遥控红外警报器红外警报器88 制造红外成像器件，夜视仪器、红外显微镜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、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；元件和集成电路的质量检查等；军用红外夜视仪军用红外夜视仪红外显微镜红外显微镜红外窗

57、口红外窗口89 通信和遥控通信和遥控：宇宙飞船之间进行视频和音频传输，：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外通信比其他通信( (如无线电通讯如无线电通讯) )抗干扰性好也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，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。波长愈长，损耗衰减愈小。手机红外通讯口手机红外通讯口红外通讯适配器红外通讯适配器90固体激光材料固体激光材料91激光激光 材料中原子处于不同能量状态，一个原子吸收外界材料中原子处于不同能量状态，一个原子吸

58、收外界能量后由低能态跃迁到高能态的过程称为能量后由低能态跃迁到高能态的过程称为“激发激发”。处于高能态的原子是不稳定的，它可自发恢复到低能态，处于高能态的原子是不稳定的，它可自发恢复到低能态，并伴随有光的发射，称为并伴随有光的发射，称为自发辐射自发辐射。高能原子发生自发辐射前，受外来光子高能原子发生自发辐射前，受外来光子(能量为能量为E2-E1)的刺的刺激，可从激，可从E2跃迁到跃迁到E1，同时辐射一个与外来光子，同时辐射一个与外来光子同频率、同频率、同位相、同方向、同偏振态同位相、同方向、同偏振态的光子，称为的光子，称为受激辐射受激辐射。受激辐射受激辐射92 用一个光子去激发位于高能级的电子

59、或离子，使用一个光子去激发位于高能级的电子或离子，使之放出光子，受激发射产生的光就是之放出光子，受激发射产生的光就是激光激光。 如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于激发状态，再用外界光感应，都处于激发状态，再用外界光感应，使所有处于使所有处于激发状态的原子和离子几乎同时产生受激辐射而激发状态的原子和离子几乎同时产生受激辐射而回到低能态回到低能态，将发出具有，将发出具有强大能量密度强大能量密度的光束。的光束。高度的方向性、亮度高；高度的方向性、亮度高；单色性好；单色性好；相干性好。相干性好。高能激光束高能激光束93激光材料激光材料 激光系统激

60、光系统最重要的是激光工作物质，最重要的是激光工作物质，分为固体、液分为固体、液体和气体激光工作物质。体和气体激光工作物质。 固体激光器是最重要的一种固体激光器是最重要的一种，不但激活离子密度大，不但激活离子密度大，振荡频带宽，能产生谱线窄的光脉冲，而且具有，振荡频带宽，能产生谱线窄的光脉冲，而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。良好的机械性能和稳定的化学性能。固体激光器固体激光器94晶体激光材料晶体激光材料 绝大部分激光晶体是含激活离子的荧光晶体，绝大部分激光晶体是含激活离子的荧光晶体， 按照晶体组成可分为按照晶体组成可分为掺杂型掺杂型激光晶体和激光晶体和自激活自激活激光激光晶体两类，前者占