(整理)光学材料讲稿

光学材料

一、引言

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X射线等。我们生活在光的世界里，整天都在和光打交道，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间在野外可能还要靠星光定方向。要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料。

自然界中存在一些天然或合成的光学材料，如我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象，能在无光的环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，因而被视为人间珍宝，其主要作用成了权力和财富的象征。在春秋战国时期，墨子就研究了光的传播规律，接着出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南成功地熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜。随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人工制造的光学玻璃成为主要光学材料。19世纪和20世纪初是世界光学工业形成的主要时代，以望远镜(包括天文望远镜和军用望远镜)、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器(包括很多种医用光学仪器)四大类为主体，建立了光学工业。

如今，光学材料已经在国民经济和人民生活中发挥着重要作用。最简单的例子，一个人如果眼睛发生了病变，只能看清近处而看不清远处的物体(称近视)，或者只能看清远处而看不清近处的物体(称远视)，达就需要配戴眼镜来进行校正。戴上眼镜后，入射光线先经过眼镜片发散(或会聚)后再进入人眼水晶体，就能使景物上的光线正确地聚焦在视网膜上，于是，一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼。现在，工农业生产、科学研究和人类文化生活等需要使用显微镜、望远镜、经纬仪、照相机、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。所以，光学材料已经成为人们社会必不可少的功能材料之一。

光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求传输，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。光学材料主要包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料和光色材料等。光纤材料已在信息材料中介绍，这里主要介绍余下的几种光学材料。

二、发光材料

2.1、发光现象

发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程，是热辐射之外的另一种辐射现象。光子是固体中的电子在受激高能态返回较低能态时发射出来的。当发出光子的能量在1.8-3.1eV时，便是可见光。要使材料发光所需吸收的能量可从较高能量的电磁辐射(如紫外光)中得到，也可从高能电子或热能、机械能和化学能中得到。

发光材料是指吸收光照，然后转化为光的材料。发光材料的晶格要具有结构缺陷或杂质缺陷，材料才具有发光性能。结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷，由其引起的发光称为自激活发光。所以制备发光材料采用合适的基质十分重要。如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格中形成杂质缺陷，由其引起的发光叫激活发光，掺入的微量杂质一般都充当发光中心，称为激活剂。得到实际应用的发光材

料大多是激活型发光材料。

材料发光时，吸收外界的能量，从而产生高能电子和空穴，它们经过相互碰撞，又产生能量较低的电子及空穴。这个过程一直持续下去，直到电子的能量降到和发光体禁带能量相匹配为止，期间发出光子产生光。发光的特征有三个：

1、发光材料的发光颜色彼此不同，都有它们各自特征。人们可以选用不同的发光材料以得到各种发光颜色。已有发光材料的种类很多，它们发光的颜色也足可覆盖整个可见光的范围。材料的发光光谱可分为下列3种类型：

宽带：半宽度一100nm，如CaWO4；

窄带：半宽度一50nm，如Sr2(PO4)Cl：Eu3+；

线谱：半宽度一0.1nm，如GdVO4：Eu3+。

究竟一个材料的发光光谱属于哪一类，这既与基质有关，又与杂质有关。例如把Eu3+离子掺进不同的基质中时，上述3种类型的发光部可得到，而风，随着基质的改变．发光的颜色也可改变。

2、发光的第二个特征是它的强度。由于发光强度是随激发强度而变的，通常用发光效率来表征材料的发光能力。事实上，发光效率也同激发强度有关，在激光未出现前，电子束的能量较高．强度也较大，所以一股不发光或发光很弱的材料，在阴极射线激发下则可发出可觉察的光或较强的光。但在激光出现后，因为激光的强度可以＞107W/cm2，在它激发下很容易引起发光。

3、发光的第三个特征是发光持续时间。最初发光分为荧光及磷光两种。荧光是指在激发时发出的光，磷光是指在激发停止后发出的光。现在瞬态光谱技术已经把测量的范围缩小到1ps(10-12s)以下，最快的脉冲光输出已可短到8fs(1fs＝10-16s)，所以，荧光及磷光的时间界限已不清楚。但必须指出．发光总是延迟于激发的，所以在应用中就硬性规定当激发停止时的发光亮度从J0衰减到J0的10％时，所经历的时间为余辉时间它可以划分为6个范围：

极短余辉：＜1μs；短余辉：1-10μs；中短余辉：10-2-1ms；

中余辉：1-100ms；长余辉：0.1-1s；极长余辉：＞1s。

发光材料的种类很多，自然界中很多物质都或多或少的可以发光。比较有效的发光材料中有无机化合物，也有有机化合物；有固体、液体，也有气体。但是，从当代的显示技术所用的发光材料看，则主要是无机化合物，而且主要是固体材料，少数气体材料。在固体材料中，又主要是禁带宽度比较大的绝缘体，其次是半导体。使用得最多的发光材料是粉末状的多晶，其次是单晶和薄膜。根据发光的类型，可把发光材料分为光致发光材料、阴极射线发光材料、X射线发光材料、场致发光材料、发光二极管等。

2.2、光致发光材料

光致发光是指发光材料从较高能量的光辐射(如紫外光)中得到能量，击发光子发光的现象，光致发光材料主要是荧光粉。早期的荧光粉是MgWO4与(Zn、Be)2SiO4：Mn2+，其中MgWO4是一种激活剂含量为100%的发光材料，因为其晶格中每一个八面体钨酸根军能够发光，因而不存在猝灭。将这两种荧光粉进行混合，可用于荧光灯中，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，照射到