材料的光学性质 1213课件

材料对光的反射和折射材料对光的吸收材料的光发射材料的受激辐射和激光概述光与固体材料的相互作用光的色散和全反射1材料对光的反射和折射材料对光的吸收材料的光发射材料的受激辐射材料的光学性质——基础篇光的本质光的现象光的微粒说光的波动说光的电磁说光的波粒二象性光的直线传播光的传播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射电磁波谱光谱光的波动说光的波动说2材料的光学性质——基础篇光的本质光光光光光光的直线传播光的干33光的波粒二象性材料的光学性质——基础篇4光的波粒二象性材料的光学性质——基础篇4光的电磁性光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的。光波是一种横波，电场强度E、磁场强度H的振动方向和光波的传播方向（即光的能量流动方向）构成右手螺旋关系。光波的偏振性。E、H分别在各自的平面内振动。振动方向对传播方向不具有对称性，旋光现象。光波的能流密度。光波的传播伴随着光能量的流动，光强与其振幅成正比。5光的电磁性光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的电磁波谱图6电磁波谱图6远紫外近紫外可见近红外中红外远红外（真空紫外）380nm

~780nm200nm

~380nm10nm~200nm780nm~2.5m2.5m

~50m50m

~300m1.5eV3eV2.5eV2eV800nm300nm3.5eV4eV7远紫外近紫外可见近红外中红外远红外（真空紫外）380紫外-可见-红外光谱分区表8紫外-可见-红外光谱分区表8光与固体相互作用的本质有两种方式：（1）电子极化（2）电子能态转变电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。所以，当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光波速度被减小，导致折射产生。光子被吸收和发射，涉及到固体材料中电子能态的转变。材料的原子吸收了光子能量之后将较低能级上的电子激发到较高能量上去，电子发生的能级变化与电磁波频率有关：△E=hv受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后又衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。光与固体的相互作用9光与固体相互作用的本质有两种方式：（1）电子极化（2）电子能媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波面。也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源，每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播，经过时间∆t之后形成球面半径为v∆t的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是∆t时间后的新波前。垂直于波前（或等相面）的直线代表光波的传播方向，也就是光线。该原理适用于机械波和电磁波惠更斯-菲涅耳原理：说明光的传播定律球面波平面波10媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的材料对光的反射和折射材料折射率及其影响因素1、构成材料元素的离子半径介电常数与介质的极化有关。光的电磁波作用到介质上，介质的原子受电场作用而极化，正负电荷重心发生相对位移，使光子速度减弱。当离子半径增大时，ε增大，因而n随之增大。如PbS=3.912，SiCl4=1.41211材料对光的反射和折射材料折射率及其影响因素1、构成材料元素的2、材料的结构、晶型和非晶态根据光通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。均质介质，材料只有一个折射率，如非晶态（无定型体）和立方晶体。非均质介质，光通过时构成两条折射光线。3、材料存在的内应力有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。4、同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时存在的晶型折射率高。122、材料的结构、晶型和非晶态根据光通过材料的表现，介质分为均材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。色散对于光学玻璃是重要参量，因为色散严重造成单色片透镜成像不够清晰。用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜复合镜头，以消除色差，称为消色差镜头。光的色散13材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100％反射的现象。这时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。临界角全反射应用：光导纤维光导纤维通常用来传送无线电、电话、电视和电子计算机数据。光的全反射折射光14当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质光纤结构示意图纤芯包层涂敷层护套纤芯：575μm掺杂了的SiO2，n一定或随半径增加而减小。包层:总直径为100200μm,折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。15光纤结构示意图纤芯包层涂敷层护套纤芯：575μm掺杂了的S光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电子跃迁或使原子振动而消耗能量，使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。。材料对光的吸收吸收系数（消光系数），单位cm-1介质厚度吸收系数与吸收率：朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律c溶液的摩尔浓度（mol/L）16光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电材料对光光吸收的物理机制光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。

禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。17光吸收的物理机制光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程a)金属：吸收，不透明；b)绝缘体：不吸收，透明；c)半导体：取决于入射光波长与施主和受主能级Ed,Ea大小。各种类型材料的光吸收行为18a)金属：吸收，不透明；各种类型材料的光吸收行为18除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对特定波长范围内的光是透明的，而对另一些波长范围内的光却是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为3.5-5.0μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。一般吸收和选择吸收19除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。一般吸收光谱用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorptionspectrum）大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。物质的发射谱（emissionspectrum）有：线状谱（linespectrum），带状谱（bandspectrum）和连续谱等。值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。20吸收光谱用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，吸收光谱图Na吸收光谱叶绿素分子吸收光谱21吸收光谱图Na吸收光谱叶绿素分子吸收光谱21当光束通过各向异性介质时，光在晶体内分成两束，它们的折射程度不同，沿着不同的方向传播，这种现象称为双折射。如果让一束平行的自然光正入射到一块方解石晶体的一个表面上，将发现该束光在通过方解石后被分解成了两束。寻常光（o光）：晶体内符合普通折射定律的折射光线；非常光（e光）：晶体内违背普通折射定律的折射光线。利用检偏器可以看出，从双折射晶体射出的这两束光都是线偏振光，不过它们的电矢量振动方向不同，其振动方向相互垂直。晶体的双折射和二向色性22当光束通过各向异性介质时，光在晶体内分成两束，它们的折射程度晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性，这种选择吸收的性能称作二向色性。天然的电气石晶体呈六角型的片状，长对角线的方向为其光轴。当光线照射在这种晶体表面时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。23晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。光的散射过程中，光与分子的作用几乎是瞬时的，改变了其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程。例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。介质的光散射24当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。光散射分类25根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射分类廷德尔（Tyndall）散射米氏（Mie）散射瑞利（Rayleidl）散射按照散射中心尺度a0与入射光波长λ的大小，分为三类：瑞利散射按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。Global早晨中午太阳光26弹性散射分类廷德尔（Tyndall）散射按照散射中心尺度a0材料的光发射1、概述材料的光发射：是材料以某种方式吸收能量后，将其转化为光能即发射光子的过程。这种性质与材料的能量结构密切相关。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，其次是半导体，它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。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。27材料的光发射1、概述材料的光发射：是材料以某种方式吸收1.平衡辐射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。物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类固体发光的微观过程可以分为两步：对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激发态”；处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。多数情况下发射光子和激发光子的能量不相等，通常前者小于后者。若发射光子与激发光子的能量相等，发出的辐射就称为“共振荧光”。向下跃迁未必都发光，也可能存在激发的能量转变为热能的无辐射跃迁过程。281.平衡辐射物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类固体发材料发光前可以有多种方式向其注入能量（1）热辐射（2）电致发光

（3）光致发光

（4）化学发光

自发辐射（6）同步辐射光源

（7）激光光源

受激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

材料的光发射2、激励方式（5）阴极射线发光

29材料发光前可以有多种方式向其注入能量（1）热辐射（2）电致材料的光发射阴极射线发光光致发光电致发光通过光（光频波段、X射线或γ射线波段）的辐照将材料中的电子激发到高能态从而发光。光致发光经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，能量传递则是激发态的运动。如荧光灯，就是紫外线激发荧光粉而发光。利用高能量的电子轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中发光中心被激发或电离而发光。如彩电的颜色就是采用电子束扫描、激发不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基色光波。对绝缘发光体施加强电场导致发光，或从外电路将电子（空穴）注入到半导体的导带（价带），导致载流子复合而发光。由于是在电场作用下的发光，所以也叫场致发光。如仪器指示灯的发光二极管。30材料的光发射阴极射线发光光致发光电致发光通过光（光频波段、X材料的光发射3、材料发光的基本性质材料的发光特性主要从发射光谱、激发光谱、发光寿命和发光效率进行评价。发射光谱在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。其形状与材料的能量结构有关蓝光绿光发射光谱反映材料从高能级始发的向下跃迁过程。由此得到发光的颜色和强度等信息。31材料的光发射3、材料发光的基本性质材料的发光特性主要从发射光激发光谱材料发射某一种特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光波长而变化的曲线。激发光谱反映材料从基态始发的向上跃迁过程。由此给出有关材料能级和能带结构信息，也可找出使材料发光的最有效的光激励波长。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，它可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）。32激发光谱材料发射某一种特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光波发光寿命发光体在激发停止后持续发光时间的长短称为发光寿命（荧光寿命或余辉时间）。发光寿命定义为光强I衰减到初始值I0的1/e所经历的时间。余辉时间约定为为光强I衰减到初始值I0的1/10的时间。α表示电子在单位时间内跃迁到基态的概率。根据余辉时间的长短把发光材料分为：超短余辉（<1μs）、短余辉（1~10μs）、中短余辉（10-2~10μs）、中余辉（1~100ms）、长余辉（0.1~1s）、超长余辉（>1s）六个范围。不同应用目的对材料的发光寿命有不同的要求。33发光寿命发光体在激发停止后持续发光时间的长短称为发光寿命（荧发光效率－三种表示方法ηq

、ηp、ηl分别为量子效率、功率效率和光度效率；nout、nin、pout、pin、L分别为发射光子数、入射光子数、发光功率、吸收光的功率（或输入的电功率）和发射的光通量。Φ(λ)为人眼的视见函数，I(λ)为发光功率的光谱分布函数，D为光功当量。34发光效率－三种表示方法ηq、ηp、ηl分别为量子效率、2.复合发光

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Eg内）如II-VI、III-V族半导体发光1.分立中心发光

固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁位形坐标描述如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）发光分类固体材料的发光有两种微观物理过程：分立中心发光和复合发光材料的光发射4、发光的物理机制352.复合发光源于固体本征态的辐射跃迁1.分立中心发光

其发光中心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，其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。分立中心发光—RE3+发光，杂质、缺陷发光36分立中心发光—RE3+发光，杂质、缺陷发光36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：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。稀土离子发光：“4f4f”电子组态间的跃迁如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+…线谱，禁戒部分解除“4f5d”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。在＋3价镧系离子的4fn组态中共有1639个能级，能级之间可能的跃迁数目高达199177个。37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：稀土3838复合发光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“D-A”复合3.激子（“e-h”）或束缚激子的复合复合发光时电子跃迁涉及固体的能带。电子被激发到导带时价带上留下一个空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合时，便以光的形式放出能量，这种发光过程叫复合发光。复合发光效率：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）39复合发光1.固体“导带电子-价带空穴”间的复合复合发光时电发光二极管原理半导体发光二极管（LED）是在半导体P-N结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光或红外辐射的器件。N型：自由电子导电P型：空穴导电载流子的扩散材料的交界处现成空间电荷N区一侧带正电，P区一侧带负电，形成PN结PN结内的电场方向阻止电子和空穴的进一步扩散PN结上施加正向电压，势垒减弱，大量电子和空穴流动相遇而产生复合发光。40发光二极管原理半导体发光二极管（LED）是在半导体P-N结或LED护栏管LED路牌LED41LED护栏管LED路牌LED41荧光与磷光一些陶瓷和半导体材料受激发光，当外界激发源去除，发光现象随即很快消失(<10-8s)，称为荧光。以辐射跃迁形式回到基态，S1S0。另一类含有杂质和缺陷的材料，这些杂质在能隙中引入了施主能级，被激发到导带中的电子在返回价带之前，先落入施主能级并被俘获停留一段较长时间，电子在逃脱这个陷阱之后再返回价带中的低能级，这时相应地放出光子。这种发光能持续一段较长的时间(10-3s～10s)

，便称为磷光。体系间窜跃S1T1，后T1S0禁阻跃迁发出磷光。材料的光发射4、材料的发光性能42荧光与磷光一些陶瓷和半导体材料受激发光，当外界激发源去除，发荧光发光是被激发的电子跳回价带时，同时发射光子。发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级，当激发的电子从导带跳回价带时，首先跳到施主能级并被捕获。在它跳回价带时电子必须先从捕获陷阱内逸出，延迟了光子发射时间。43荧光发光是被激发的电发磷光的材料往往含有43发光材料最常用的有以下各类化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化物）；含氧酸盐（磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钒酸盐、钨酸盐）；氧化物、硫氧化物、卤氧化物等。发光材料的两类基本原料为基质和激活剂。化学表示式中一般都写出基质和激活剂，如Zn2SiO4:Mn。发光材料中常常还含有敏化剂，共激活剂。44发光材料最常用的有以下各类化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化4545光致发光实例主要用于各类不同用途的光源，如照明、复印机光源、光化学电源等excitedbysunlight

CdSe

46光致发光实例主要用于各类不同用途的光源，如照明、复印机光源、Y2O3:Tb阴极射线发光实例主要用于电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器等发光前Y2O3:Eu47Y2O3:Tb阴极射线发光实例主要用于电视机、示波器、雷达SEMimageofY2O3:EunanoparticlesPhotoluminescenceofY2O3:EunanoparticlesunderexcitationofUVlightJ.

ColloidandInterfaceScience273(2004),p.191.48SEMimageofY2O3:EuPhotolumi电致发光实例为实现彩色电致发光平板显示，大力开发掺杂稀土的电致发光薄膜材料－等离子显示板（PlasmaDisplayPanel，PDP）43"49电致发光实例为实现彩色电致发光平板显示，大力开发掺杂稀土的电5050有机电致发光显示（organic

electroluminesence

Display）技术被誉为具有梦幻般显示特征的平面显示技术，因其发光机理与发光二极管（LED）相似，所以又称之为OLED（organic

light

emitting

diode）。2000年以来，OLED受到了业界的极大关注，开始步入产业化阶段。

按照载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同，OLED分为两种技术类型：一是以有机染料和颜料等为发光材料的小分子基OLED，典型的小分子发光材料为Alq3（8-羟基喹啉铝）；另一种是以共轭高分子为发光材料的高分子基OLED，简称为PLED，典型的高分子发光材料为PPV（聚对苯乙炔）。51有机电致发光显示（organic

electrolumine

1990年多孔硅的室温强可见光发射被发现，使人们看到了硅被应用于光子学光源的可能性~2ev52

1990年Adv.Mater.

2003,15,323激发、发射光谱实例375nm534.5nm441.5nm438nm53Adv.Mater.2003,15,323激发、发射材料的受激辐射与激光激光又名镭射（Laser）是受激辐射光放大的简称，（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。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，它带动了傅立叶光学、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。大大推动了信息、医学、工业、能源和国防领域的现代化进程。激光之所以具有传统光源无与伦比的优越性，其根本关键在于它利用了材料的受激辐射。

波长：极紫外──可见光──亚毫米

(100nm）（1.222mm）54材料的受激辐射与激光激光又名镭射（Laser）是受激辐射光放受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子。单位体积单位时间内发生受激辐射的光子数：N2：高能级原子数B21：受激辐射系数B21ρ(ν,T)：受激辐射几率材料的受激辐射与激光1、受激辐射自发吸收自发辐射受激辐射55受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光单位体积单位时间内发生自发辐射的光子数：单位体积单位时间内发生受激吸收的光子数：N2：高能级原子数A21：自发辐射系数(g2,g1分别为高、低能级的简并度)N1：低能级原子数B12：受激吸收系数B12ρ(ν,T)：受激吸收几率56单位体积单位时间内发生自发辐射的光子数：单位体积单位时间内发热平衡时，不同能级的原子数服从玻尔兹曼分布受激辐射与吸收同时存在，要产生激光必须N2>N1<1热平衡不会产生激光！N2>>N1属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转材料的受激辐射与激光2、粒子数反转与激活介质一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是突破玻耳兹曼分布，使高能级的粒子数大于低能级的粒子数，这个条件称为粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。57热平衡时，不同能级的原子数服从玻尔兹曼分布受激辐射与吸收同时在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态），光波通过物质体系时总是或多或少地被吸收，因而越来越弱。实现粒子数反转的体系，由于受激辐射放出的光子数多于被吸收的光子数。辐射场将越来越强。换言之，实现粒子数反转的介质具有对光的放大作用，称为激活介质。材料的受激辐射与激光2、粒子数反转与激活介质原子能量寿命寿命基态受激态亚稳态材料的受激辐射与激光2、粒子数反转与激活介质激活介质必须存在亚稳态能级。58在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态），光波通过物质激活物质能级结构E1（基）E2（亚）10-3sE310-8sE1（基）E3（亚）10-3sE410-8sE210-8s激励激励自发自发自发红宝石激光器（三能级系统）氦氖激光器（四能级系统）694.3nm543nm59激活物质能级结构E1（基）E2（亚）10-3sE310-8s光学谐振腔是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。通常由两块与工作介质垂直的平面或凹球面反射镜构成。谐振腔的作用是提供反馈能量；选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。材料的受激辐射与激光3、光学谐振腔闪光灯输出激光红宝石介质反射镜(反射率100％)反射镜(部分透射)60光学谐振腔是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。通常固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器连续激光器（功率可达104W）脉冲激光器（瞬时功率可达1017W/cm2）激光输出方式工作介质不同通常在晶体或玻璃基质中掺杂发光中心离子作为工作物质。以各种原子、分子、离子气体或蒸气作为工作物质。以有机染料或无机稀土离子溶液为工作物质。利用半导体能带跃迁的复合发光引发受激辐射而形成激光。材料的受激辐射与激光4、激光器分类61固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器连续激光器（固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质除红宝石和玻璃外，常用的有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射1060nm的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达109W固体激光在工业加工、医科手术、跟踪测距、光纤通信等领域有广泛应用。62固体激光器固体激光在工业加工、医科手术、跟踪测距、光纤通信等气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的特点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场达60％左右。典型的有He-Ne原子激光器、CO2分子激光器、Ar+离子激光器、KrF准分子激光器等，氦氖激光器是最常用的一种。气体激光在精密计量、彩色激光电视、条形码扫描仪、大气检测、激光手术、工业加工和科学研究中有广泛的应用。633nm63气体激光器气体激光在精密计量、彩色激光电视、条形码扫描仪、大半导体激光器目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬、硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，容易集成且可以直接调制，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。半导体激光器在光纤通讯、光盘读写、激光印刷、激光雷达等信息领域有重要的应用。64半导体激光器半导体激光器在光纤通讯、光盘读写、激光印刷、激光染料激光器利用不同染料可获得不同波长激光（在可见光范围），激光染料主要有若丹明、香豆素、花菁族染料等。染料激光器一般使用激光作泵浦源，例如常用的有氩离子激光器等。它的优点为输出波长连续可调，且覆盖面宽因此也得到广泛应用。

染料激光对于高分辨率的光谱学研究和物质瞬态变化的测量和分析尤其有用。准分子泵浦染料激光器氩离子泵浦染料激光器65染料激光器染料激光对于高分辨率的光谱学研究和物质瞬态变化的测6666全息照相激光-原子力显微镜（AFM）激光器分束器布喇格室棱镜检测器反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置67全息照相激光-原子力显微镜激光器分束器布喇格室棱镜检测器反馈Science8June2001292:1897-1899

发展中的纳米激光器纳米激光器的微小尺寸使光子被限制在少数几个状态上，从而使激光器达到极高的工作效率，能量阈很低。ZnO纳米激光器－世界上最小的激光器

Nd:YAG激光泵浦385nm激光

68Science8June2001292:1897-200nmZnO纳米线1um69200nmZnO纳米线1um69不用Nd:YAG激光器做泵浦用电流激活纳米线更理想！将CdS纳米线安装在涂有硅材料的基底上，制成回路，在一定电压下，电流通过硅材料流向CdS纳米线，纳米线的另一端发出蓝绿色光。使用不同的半导体材料，由此制成的激光器发出的激光颜色各不相同，例如GaN纳米线发出蓝色到紫外的光，InP纳米线发出红外光，实际上这样构成的纳米激光器所发出的激光可覆盖从紫外线到红外线整个波段。纳米激光器实际上是一根弯曲的极薄的光子导体，实验发现，纳米激光器的大小和形状能够有效控制发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。70不用Nd:YAG激光器做泵浦用电流激活纳米线更理想！将CdS200uACdS纳米线末端5umCdS纳米线末端发光室温，80uA发射强度与注入电流的关系CdS纳米线发射光谱280uANature2003421:241-245

注入100nm71200uACdS纳米线末端5umCdS纳米线室温，80u纳米线的化学弹性和一维特性使它们成为理想的超小型激光光源，在一系列领域有着非常丰富的应用前景。例如纳米激光器在光计算、信息存储和纳米分析等领域，用于电路，可自动调控开关，把激光器安装到芯片上可提高信息存储量，加速信息技术的集成化发展。72纳米线的化学弹性和一维特性使它们成为理想的超小型激光光源，在材料对光的反射和折射材料对光的吸收材料的光发射材料的受激辐射和激光概述光与固体材料的相互作用光的色散和全反射73材料对光的反射和折射材料对光的吸收材料的光发射材料的受激辐射材料的光学性质——基础篇光的本质光的现象光的微粒说光的波动说光的电磁说光的波粒二象性光的直线传播光的传播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射电磁波谱光谱光的波动说光的波动说74材料的光学性质——基础篇光的本质光光光光光光的直线传播光的干753光的波粒二象性材料的光学性质——基础篇76光的波粒二象性材料的光学性质——基础篇4光的电磁性光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的。光波是一种横波，电场强度E、磁场强度H的振动方向和光波的传播方向（即光的能量流动方向）构成右手螺旋关系。光波的偏振性。E、H分别在各自的平面内振动。振动方向对传播方向不具有对称性，旋光现象。光波的能流密度。光波的传播伴随着光能量的流动，光强与其振幅成正比。77光的电磁性光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的电磁波谱图78电磁波谱图6远紫外近紫外可见近红外中红外远红外（真空紫外）380nm

~780nm200nm

~380nm10nm~200nm780nm~2.5m2.5m

~50m50m

~300m1.5eV3eV2.5eV2eV800nm300nm3.5eV4eV79远紫外近紫外可见近红外中红外远红外（真空紫外）380紫外-可见-红外光谱分区表80紫外-可见-红外光谱分区表8光与固体相互作用的本质有两种方式：（1）电子极化（2）电子能态转变电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。所以，当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光波速度被减小，导致折射产生。光子被吸收和发射，涉及到固体材料中电子能态的转变。材料的原子吸收了光子能量之后将较低能级上的电子激发到较高能量上去，电子发生的能级变化与电磁波频率有关：△E=hv受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后又衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。光与固体的相互作用81光与固体相互作用的本质有两种方式：（1）电子极化（2）电子能媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波面。也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源，每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播，经过时间∆t之后形成球面半径为v∆t的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是∆t时间后的新波前。垂直于波前（或等相面）的直线代表光波的传播方向，也就是光线。该原理适用于机械波和电磁波惠更斯-菲涅耳原理：说明光的传播定律球面波平面波82媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的材料对光的反射和折射材料折射率及其影响因素1、构成材料元素的离子半径介电常数与介质的极化有关。光的电磁波作用到介质上，介质的原子受电场作用而极化，正负电荷重心发生相对位移，使光子速度减弱。当离子半径增大时，ε增大，因而n随之增大。如PbS=3.912，SiCl4=1.41283材料对光的反射和折射材料折射率及其影响因素1、构成材料元素的2、材料的结构、晶型和非晶态根据光通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。均质介质，材料只有一个折射率，如非晶态（无定型体）和立方晶体。非均质介质，光通过时构成两条折射光线。3、材料存在的内应力有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小。4、同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时存在的晶型折射率高。842、材料的结构、晶型和非晶态根据光通过材料的表现，介质分为均材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。色散对于光学玻璃是重要参量，因为色散严重造成单色片透镜成像不够清晰。用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜复合镜头，以消除色差，称为消色差镜头。光的色散85材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100％反射的现象。这时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。临界角全反射应用：光导纤维光导纤维通常用来传送无线电、电话、电视和电子计算机数据。光的全反射折射光86当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光疏介质光纤结构示意图纤芯包层涂敷层护套纤芯：575μm掺杂了的SiO2，n一定或随半径增加而减小。包层:总直径为100200μm,折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。87光纤结构示意图纤芯包层涂敷层护套纤芯：575μm掺杂了的S光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电子跃迁或使原子振动而消耗能量，使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。。材料对光的吸收吸收系数（消光系数），单位cm-1介质厚度吸收系数与吸收率：朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律c溶液的摩尔浓度（mol/L）88光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电材料对光光吸收的物理机制光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。

禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。89光吸收的物理机制光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程a)金属：吸收，不透明；b)绝缘体：不吸收，透明；c)半导体：取决于入射光波长与施主和受主能级Ed,Ea大小。各种类型材料的光吸收行为90a)金属：吸收，不透明；各种类型材料的光吸收行为18除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对特定波长范围内的光是透明的，而对另一些波长范围内的光却是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为3.5-5.0μm的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。一般吸收和选择吸收91除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。一般吸收光谱用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱（absorptionspectrum）大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。物质的发射谱（emissionspectrum）有：线状谱（linespectrum），带状谱（bandspectrum）和连续谱等。值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。92吸收光谱用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，吸收光谱图Na吸收光谱叶绿素分子吸收光谱93吸收光谱图Na吸收光谱叶绿素分子吸收光谱21当光束通过各向异性介质时，光在晶体内分成两束，它们的折射程度不同，沿着不同的方向传播，这种现象称为双折射。如果让一束平行的自然光正入射到一块方解石晶体的一个表面上，将发现该束光在通过方解石后被分解成了两束。寻常光（o光）：晶体内符合普通折射定律的折射光线；非常光（e光）：晶体内违背普通折射定律的折射光线。利用检偏器可以看出，从双折射晶体射出的这两束光都是线偏振光，不过它们的电矢量振动方向不同，其振动方向相互垂直。晶体的双折射和二向色性94当光束通过各向异性介质时，光在晶体内分成两束，它们的折射程度晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性，这种选择吸收的性能称作二向色性。天然的电气石晶体呈六角型的片状，长对角线的方向为其光轴。当光线照射在这种晶体表面时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。95晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。光的散射过程中，光与分子的作用几乎是瞬时的，改变了其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程。例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。介质的光散射96当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。光散射分类97根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射分类廷德尔（Tyndall）散射米氏（Mie）散射瑞利（Rayleidl）散射按照散射中心尺度a0与入射光波长λ的大小，分为三类：瑞利散射按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。Global早晨中午太阳光98弹性散射分类廷德尔（Tyndall）散射按照散射中心尺度a0材料的光发射1、概述材料的光发射：是材料以某种方式吸收能量后，将其转化为光能即发射光子的过程。这种性质与材料的能量结构密切相关。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，其次是半导体，它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。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。99材料的光发射1、概述材料的光发射：是材料以某种方式吸收1.平衡辐射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。物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类固体发光的微观过程可以分为两步：对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激发态”；处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。多数情况下发射光子和激发光子的能量不相等，通常前者小于后者。若发射光子与激发光子的能量相等，发出的辐射就称为“共振荧光”。向下跃迁未必都发光，也可能存在激发的能量转变为热能的无辐射跃迁过程。1001.平衡辐射物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类固体发材料发光前可以有多种方式向其注入能量（1）热辐射（2）电致发光

（3）光致发光

（4）化学发光

自发辐射（6）同步辐射光源

（7）激光光源

受激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

材料的光发射2、激励方式（5）阴极射线发光

101材料发光前可以有多种方式向其注入能量（1）热辐射（2）电致材料的光发射阴极射线发光光致发光电致发光通过光（光频波段、X射线或γ射线波段）的辐照将材料中的电子激发到高能态从而发光。光致发光经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，能量传递则是激发态的运动。如荧光灯，就是紫外线激发荧光粉而发光。利用高能量的电子轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中发光中心被激发或电离而发光。如彩电的颜色就是采用电子束扫描、激发不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基色光波。对绝缘发光体施加强电场导致发光，或从外电路将电子（空穴）注入到半导体的导带（价带），导致载流子复合而发光。由于是在电场作用下的发光，所以也叫场致发光。如仪器指示灯的发光二极管。102材料的光发射阴极射线发光光致发光电致发光通过光（光频波段、X材料的光发射3、材料发光的基本性质材料的发光特性主要从发射光谱、激发光谱、发光寿命和发光效率进行评价。发射光谱在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。其形状与材料的能量结构有关蓝光绿光发射光谱反映材料从高能级始发的向下跃迁过程。由此得到发光的颜色和强度等信息。103材料的光发射3、材料发光的基本性质材料的发光特性主要从发射光激发光谱材料发射某一种特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光波长而变化的曲线。激发光谱反映材料从基态始发的向上跃迁过程。由此给出有关材料能级和能带结构信息，也可找出使材料发光的最有效的光激励波长。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，它可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）。104激发光谱材料发射某一种特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光波发光寿命发光体在激发停止后持续发光时间的长短称为发光寿命（荧光寿命或余辉时间）。发光寿命定义为光强I衰减到初始值I0的1/e所经历的时间。余辉时间约定为为光强I衰减到初始值I0的1/10的时间。α表示电子在单位时间内跃迁到基态的概率。根据余辉时间的长短把发光材料分为：超短余辉（<1μs）、短余辉（1~10μs）、中短余辉（10-2~10μs）、中余辉（1~100ms）、长余辉（0.1~1s）、超长余辉（>1s）六个范围。不同应用目的对材料的发光寿命有不同的要求。105发光寿命发光体在激发停止后持续发光时间的长短称为发光寿命（荧发光效率－三种表示方法ηq

、ηp、ηl分别为量子效率、功率效率和光度效率；nout、nin、pout、pin、L分别为发射光子数、入射光子数、发光功率、吸收光的功率（或输入的电功率）和发射的光通量。Φ(λ)为人眼的视见函数，I(λ)为发光功率的光谱分布函数，D为光功当量。106发光效率－三种表示方法ηq、ηp、ηl分别为量子效率、2.复合发光

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Eg内）如II-VI、III-V族半导体发光1.分立中心发光

固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁位形坐标描述如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）发光分类固体材料的发光有两种微观物理过程：分立中心发光和复合发光材料的光发射4、发光的物理机制1072.复合发光源于固体本征态的辐射跃迁1.分立中心发光

其发光中心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，其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。分立中心发光—RE3+发光，杂质、缺陷发光108分立中心发光—RE3+发光，杂质、缺陷发光36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：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。稀土离子发光：“4f4f”电子组态间的跃迁如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+…线谱，禁戒部分解除“4f5d”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。在＋3价镧系离子的4fn组态中共有1639个能级，能级之间可能的跃迁数目高达199177个。109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：稀土11038复合发光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“D-A”复合3.激子（“e-h”）或束缚激子的复合复合发光时电子跃迁涉及固体的能带。电子被激发到导带时价带上留下一个空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合时，便以光的形式放出能量，这种发光过程叫复合发光。复合发光效率：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）111复合发光1.固体“导带电子-价带空穴”间的复合复合发光时电发光二极管原理半导体发光二极管（LED）是在半导体P-N结或类似的结构中通以正向电流，以高效率发出可见光或红外辐射的器件。N型：自由电子导电P型：空穴导电载流子的扩散材料的交界处现成空间电荷N区一侧带正电，P区一侧带负电，形成PN结PN结内的电场方向阻止电子和空穴的进一步扩散PN结上施加正向电压，势垒减弱，大量电子和空穴流动相遇而产生复合发光。112发光二极管原理半导体发光二极管（LED）是在半导体P-N结或LED护栏管LED路牌LED113LED护栏管LED路牌LED41荧光与磷光一些陶瓷和半导体材料受激发光，当外界激发源去除，发光现象随即很快消失(<10-8s)，称为荧光。以辐射跃迁形式回到基态，S1S0。另一类含有杂质和缺陷的材料，这些杂质在能隙中引入了施主能级，被激发到导带中的电子在返回价带之前，先落入施主能级并被俘获停留一段较长时间，电子在逃脱这个陷阱之后再返回价带中的低能级，这时相应地放出光子。这种发光能持续一段较长的时间(10-3s～10s)

，便称为磷光。体系间窜跃S1T1，后T1S0禁阻跃迁发出磷光。材料的光发射4、材料的发光性能114荧光与磷光一些陶瓷和半导体材料受激发光，当外界激发源去除，发荧光发光是被激发的电子跳回价带时，同时发射光子。发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级，当激发的电子从导带跳回价带时，首先跳到施主能级并被捕获。在它跳回价带时电子必须先从捕获陷阱内逸出，延迟了光子发射时间。115荧光发光是被激发的电发磷光的材料往往含有43发光材料最常用的有以下各类化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化物）；含氧酸盐（磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钒酸盐、钨酸盐）；氧化物、硫氧化物、卤氧化物等。发光材料的两类基本原料为基质和激活剂。化学表示式中一般都写出基质和激活剂，如Zn2SiO4:Mn。发光材料中常常还含有敏化剂，共激活剂。116发光材料最常用的有以下各类化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化11745光致发光实例主要用于各类不同用途的光源，如照明、复印机光源、光化学电源等excitedbysunlight

CdSe

118光致发光实例主要用于各类不同用途的光源，如照明、复印机光源、Y2O3:Tb阴极射线发光实例主要用于电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器等发光前Y2O3:Eu119Y2O3:Tb阴极射线发光实例主要用于电视机、示波器、雷达SEMimageofY2O3:EunanoparticlesPhotoluminescenceofY2O3:EunanoparticlesunderexcitationofUVlightJ.

ColloidandInterfaceScience273(2004),p.191.120SEMimageofY2O3:EuPhotolumi电致发光实例为实现彩色电致发光平板显示，大力开发掺杂稀土的电致发光薄膜材料－等离子显示板（PlasmaDisplayPanel，PDP）43"121电致发光实例为实现彩色电致发光平板显示，大力开发掺杂稀土的电12250有机电致发光显示（organic

electroluminesence

Display）技术被誉为具有梦幻般显示特征的平面显示技术，因其发光机理与发光二极管（LED）相似，所以又称之为OLED（organic

light

emitting

diode）。2000年以来，OLED受到了业界的极大关注，开始步入产业化阶段。

按照载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同，OLED分为两种技术类型：一是以有机染料和颜料等为发光材料的小分子基OLED，典型的小分子发光材料为Alq3（8-羟基喹啉铝）；另一种是以共轭高分子为发光材料的高分子基OLED，简称为PLED，典型的高分子发光材料为PPV（聚对苯乙炔）。123有机电致发光显示（organic

electrolumine

1990年多孔硅的室温强可见光发射被发现，使人们看到了硅被应用于光子学光源的可能性~2ev124

1990年Adv.Mater.

2003,15,323激发、发射光谱实例375nm534.5nm441.5nm438nm125Adv.Mater.2003,15,323激发、发射材料的受激辐射与激光激光又名镭射（Laser）是受激辐射光放大的简称，（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。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，它带动了傅立叶光学、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。大大推动了信息、医学、工业、能源和国防领域的现代化进程。激光之所以具有传统光源无与伦比的优越性，其根本关键在于它利用了材料的受激辐射。

波长：极紫外──可见光──亚毫米

(100nm）（1.222mm）126材料的受激辐射与激光激光又名镭射（Laser）是受激辐射光放受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放的光子有相同的波长和相，此波长对应于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成两个相同的光子。单位体积单位时间内发生受激辐射的光子数：N2：高能级原子数B21：受激辐射系数B21ρ(ν,T)：受激辐射几率材料的受激辐射与激光1、受激辐射自发吸收自发辐射受激辐射127受激辐射：光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光单位体积单位时间内发生自发辐射的光子数：单位体积单位时间内发生受激吸收的光子数：N2：高能级原子数A21：自发辐射系数(g2,g1分别为高、低能级的简并度)N1：低能级原子数B12：受激吸收系数B12ρ(ν,T)：受激吸收几率128单位体积单位时间内发生自发辐射的光子数：单位体积单位时间内发热平衡时，不同能级的原子数服从玻尔兹曼分布受激辐射与吸收同时存在，要产生激光必须N2>N1<1热平衡不会产生激光！N2>>N1属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转材料的受激辐射与激光2、粒子数反转与激活介质一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收而占优势。由此可见，为使光源发射激光，而不是发出普通光的关键是突破玻耳兹曼分布，使高能级的粒子数大于低能级的粒子数，这个条件称为粒子数反转。如何从技