材料的光学性能

材料的光学性能第1页/共72页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？材料的光学性能第2页/共72页回顾与总结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第3页/共72页

光的基本性质光的波粒二象性第4页/共72页第5页/共72页Whatisthelight？WaveorParticle?WaveandParticle?

ArerelationsP=hkandE=mc2

simultaneouslycompatiblewithprincipleofwave-particleduality?

p=mcp=mc=E/c=hv/c=h/λ光子动量悖论？第6页/共72页第7页/共72页颜色有关的问题第8页/共72页第9页/共72页第10页/共72页光色波长(nm)

频率(Hz)中心波长

红760~622660

橙622~597610

黄597~577570

绿577~492540

青492~470480

兰470~455460

紫455~400430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555nm附近。第11页/共72页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，你看见红花和绿草吗？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？第12页/共72页

光通过固体的现象

折射（光速的变化）

反射（能量的变化）

吸收（能量的变化）

散射（能量的变化）

透过（能量）第13页/共72页反射定律和微观机制第14页/共72页折射，负折射第15页/共72页材料的不透明与半透明性第16页/共72页光的吸收过程与机理第17页/共72页电子极化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。第18页/共72页电子能态转变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=hν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，同时发射出电磁波，即自发辐射。第19页/共72页

原子的能级和晶体的能带第20页/共72页光吸收J(x)=J0(1-R)e-ax

R为反射系数，a为吸收系数第21页/共72页

光的吸收与光电转换

导带价带能隙（禁带）

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。第22页/共72页

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，都是透明的。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由~25μm到250nm，相当于0.05~5eV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。第23页/共72页导带价带能隙(禁带）激子能级

激子吸收

除了基础吸收以外，还有一类吸收，其能量低于能隙宽度，它对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁有关。这些能级可以看作是一些电子-空穴（或叫做激子，excition）的激发能级。第24页/共72页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。

Al2O3单晶红宝石（Cr）蓝宝石（Ti、Te）第25页/共72页思考：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？第26页/共72页思考题太阳能电池的工作原理？第27页/共72页

材料的发光性能第28页/共72页光与热相伴而行白炽灯丝2000℃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！炉火纯青热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。第29页/共72页Fourstagesindevelopmentoflightingapplications第30页/共72页一、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，发光效率较高。如荧火虫发光,发光热耗几乎等于零.第31页/共72页1）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10－8～10－9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、热辐射体的发光第32页/共72页蓝宝石、红宝石的颜色？？第33页/共72页2）热辐射的发光特点：●由于原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密切相关。

第34页/共72页3）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工作时，发射出15μm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8μm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(0.2-1.6μm)连续谱。

高压短弧氙灯：发射短波长(0.2-1.8μm)带多个峰的连续谱。第35页/共72页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，一类被称作荧光素（在萤火虫中的称为萤火虫荧光素），另一类被称为荧光素酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消耗ATP（三磷酸腺甘），并与氧气发生反应，反应中产生激发态的氧化荧光素，当氧化荧光素从激发态回到基态时释放出光子。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95%。第36页/共72页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才发光。材料的发光机理第37页/共72页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，双分子过程第38页/共72页材料的发光特征颜色特征不同的发光材料有着不同的发光颜色。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。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）。发光持续时间特征第39页/共72页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磷光；人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光。荧光与磷光无严格区别。极短余辉：余辉时间<1s的发光；短余辉：余辉时间1~10s的发光；中短余辉：余辉时间10-2～1ms的发光；中余辉：余辉时间1～100ms的发光；长余辉：余辉时间10-1～1s的发光；极长余辉：余辉时间>1s的发光第40页/共72页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）线谱（2）带谱（3）Eu铕第41页/共72页发光材料分类光致发光材料电致发光材料射线致发光材料热致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。

1.按激发方式来分类第42页/共72页可能的发光过程固体中可能的跃迁（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过程光致发光材料第43页/共72页2.典型荧光和磷光材料

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，荧光材料吸收这种紫外光，发出“白色光”。下图为荧光灯的构造示意图，它由一个内壁涂有荧光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。当它返回到基态时便发出波长为254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白光玻璃壳荧光粉料涂层185nm254nm

日光灯的构造示意图

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灯用荧光材料的组成

常用的基质晶体有两类：离子键的绝缘材料，例如Cd2B2O5、Zn2SiO4、3Ca(PO4)2·Ca(Cl,F)2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。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Eu2+离子的ZnS磷光体由于激活剂不同，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：

离子基态能级激发态能级Ag+4d104d95pSb3+4d105s24d105s5pEu2+4f74f65d第45页/共72页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Zn2SiO4Mn绿色Y2O3Eu红色CaMg(SiO3)2

透辉石Tl蓝色CaSiO3

硅灰石Pb,Mn黄桔色(Sr,Zn)(PO4)2Sn桔色Ca(PO4)2·Ca(Cl,F)2Sn,Mn“白色”第46页/共72页3.显示用荧光材料

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。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170烛光·米-2；余辉时间要求足够短，在电流密度为0.2μA·cm-2情况下，激发停止后经过40μs，发光亮度对初始亮度的比值为0.6~0.8，可见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严格的颗粒度。这类材料又依黑白和彩色显像管分为“白色”发光材料和彩色发光材料。第47页/共72页3.热释发光当激发发光体后，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。第48页/共72页5）电致(场致)发光材料Electroluminescence本征式场致发光注入式场致发光ITO：InSnO2，IndiumTinOxide第49页/共72页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、闪电第50页/共72页激光（Laser）

激光（Laser）是英文“Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”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。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。第51页/共72页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激光特点：

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-----自发辐射

激光光源-----受激辐射第52页/共72页2激光特点：1）方向性好（发散角～10-4弧度）一束激光射到~38万km的月球上，光斑的直径只有~2km手电筒的光射到~m处，扩展成很大的光斑。

利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm.第53页/共72页2）单色性好单色性最好的氪灯Kr86

Δ=4.7×10-3nm

稳频He—Ne激光器

激光的单色性比普通光高倍.第54页/共72页3）能量集中—脉冲瞬时功率大（可达～1014瓦）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

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，比太阳表面的亮度大10亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。第55页/共72页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，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的光热。在工业上，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，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，可以制成摧毁敌机和导弹的激光武器

第56页/共72页4）相干性好空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。时间相干性好（～10-8埃），相干长度可达几十公里。第57页/共72页3.激光发光机制1）受激辐射光的自发辐射过程光的受激吸收过程光的受激发射过程普通光：自发辐射激光：受激辐射第58页/共72页2）激光产生的必要条件：

粒子数反转分布减少振荡模式－－开式光学谐振腔的作用第59页/共72页Applicationoflaseropticaltweezers;opticaltrappingLasercooling1997,NobelPrize,StephenChu第60页/共72页同步辐射国家实验室第61页/共72页U1：光刻U4：红外与远红外光谱U7A：高空间分辨X射线成像U7B：X射线散射与衍射U7C：扩展X光吸收精细结构U10：燃烧U12A：软X射线显微术U14A：原子与分子物理U14C：真空紫外分析U18：表面物理U19：软