材物章材料的光学

材物章材料的光学第一页，共三十八页，编辑于2023年，星期六4.7材料的光发射平衡辐射和非平衡辐射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。第二页，共三十八页，编辑于2023年，星期六4.7材料的光发射光源能够发光的物体称为光源=(E2-E1)/hE1E2•原子光波列(wavetrain)•一般光源的发光特点：1间歇性；2随机性。第三页，共三十八页，编辑于2023年，星期六（1）热辐射（2）电致发光（3）光致发光（4）化学发光自发辐射（5）同步辐射光源（6）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4.7材料的光发射

4.7.1

激励方式材料发光前可以有多种方式向其注入能量第四页，共三十八页，编辑于2023年，星期六4.7材料的光发射

4.7.1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、γ-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。第五页，共三十八页，编辑于2023年，星期六4.7材料的光发射

4.7.1

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。第六页，共三十八页，编辑于2023年，星期六4.7材料的光发射

4.7.2

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。第七页，共三十八页，编辑于2023年，星期六一、发射光谱：发射光强发射光波长指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。反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。4.7材料的光发射

4.7.3

材料发光的基本性质第八页，共三十八页，编辑于2023年，星期六二、激发光谱：发光强度激发光波长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材料的光发射

4.7.3

材料发光的基本性质第九页，共三十八页，编辑于2023年，星期六三、发光寿命：发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。发光强度也以指数规律衰减：余辉时间：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：超长余辉（＞1s）、长余辉（0.11s）、中余辉（1100ms）、中短余辉（10-21ms）、短余辉（110μs）、超短余辉（＜1μs）n-初始激发态的电子数α-电子在单位时间内跃迁到基态的概率τ=1/α–发光寿命4.7材料的光发射

4.7.3

材料发光的基本性质第十页，共三十八页，编辑于2023年，星期六四、发光效率量子效率ηq：指发射光子数nout与吸收光子数（或输入的电子数）nin之比。功率效率ηp：表示发光功率Pout与吸收光功率（或输入的电功率）Pin之比。光度效率ηl：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：

Φ（λ）-人眼的视见函数

I（λ）-发光功率的光谱分布函数

D–光功当量4.7材料的光发射

4.7.3

材料发光的基本性质第十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期六按照发光中心与发光效率分：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3.特殊的复合发光BaF2型

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4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期六一、分立中心发光

—RE3+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材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期六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。4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期六稀土离子发光：“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。4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期六

缺陷发光—F心，PWO的绿光、红光中心，

ZnO的绿光，ZrO2的发光氧化物、氟化物、碱卤化物，负离子缺位（电子陷阱）+eF心4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期六1.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”）或束缚激子的复合二、复合发光4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期六固体中可能的跃迁（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材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期六复合发光效率：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）带间跃迁中要保持能量守衡和动量守衡4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期六

发光体被激发后，电子、空穴如何运动，激发态如何去激发激发能量传递发光研究方法：发光衰减（），激发光谱，时间分辨谱，发光的浓度依赖，温度依赖，热释光。4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第二十页，共三十八页，编辑于2023年，星期六一、能量传递现象：激发于某处（某中心），发光在另一处（另一中心）如Ca3(PO4)2:Mn，250nm激发时，Mn不发光，

Ca3(PO4)2:Ce，250nm激发时，Ce发光，

Ca3(PO4)2:Mn，250nm激发时，可见Mn，Ce发光，

CeMn激发CdS10-5cm发射4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第二十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期六

二、能量传递方式：载流子传递再吸收光子传递共振传递激子传递VBCB发光激发CuZnS:Cu4.7材料的光发射

4.7.4

发光的物理机制第二十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期六

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（Laser）4.8材料的受激辐射和激光第二十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期六全息照相全息术（holography）是利用光的干涉和衍射原理，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。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术。§7其它光学性质

7.2全息照相第二十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期六为了提高电子显微镜的分辨本领，伽伯（D.Gabor，1900—1979）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。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。1960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。激光记录和白光再现的全息术，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。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其它光学性质

7.2全息照相第二十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期六全息照片的获得——光的干涉由激光器发出的激光束，通过分光镜分成两束。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；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。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。干涉条纹的间距：

d=λ/2sin(θ/2)§7其它光学性质

7.2全息照相第二十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期六全息照片的再现——光的衍射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”，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§7其它光学性质

7.2全息照相第二十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期六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§7其它光学性质

7.2全息照相第二十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期六傅立叶光学光学信息处理20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。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。阿贝成象原理：1873年，阿贝（E.Abbe，1840—1905）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.Porter）以一系列实验证实了阿贝成象原理。§7其它光学性质

7.3傅立叶光学第二十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期六1、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光电效应，所逸出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光电流，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。§8光电效应

8.1光电效应的实验规律第三十页，共三十八页，编辑于2023年，星期六2、实验装置单色光通过石英窗照射金属板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。§8光电效应

8.1光电效应的实验规律第三十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期六§8光电效应

8.1光电效应的实验规律3、实验现象(2)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n0时，电子才能从金属表面逸出，电路中才有光电流，这个频率n0叫做截止频率——红限.红限频率(1)饱和光电流：饱和光电流强度与入射光强度成正比。U0312UIIS0第三十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期六(3)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。NaCaO2.01.06.08.010.00102|US|§8光电效应

8.1光电效应的实验规律第三十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期六(4)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光电效应

8.1光电效应的实验规律第三十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期六(1)经典认为光强越大，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