光学材料

• X射线发光材料可使X光转换为可见光，并显示成像。
1927年诺贝尔 物理学奖
吴有训
康普顿
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红外光学材料
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红外线
• 红外线同可见光一样都是电磁波，它的波长范围很 宽，从0.7μm到1000μm。
• 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。
• 每种处于0K以上的物体均发射特征电磁波辐射，主 要位于电磁波谱的红外区域，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。
无机盐化合物晶体：SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。
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红外材料的用途
• 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：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 下热流过程研究； • 对能量辐射物的搜索和跟踪：如宇航装置导航， 火箭、飞机预警，遥控引爆管等；
太阳光
星光
灯光
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• 自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、 发光壁；印度的猫眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。
• 这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下 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。
夜明珠
珍珠
猫眼石
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• 春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现 了最古老的光学材料—青铜反光镜。 • 17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 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 光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。
日光灯照明
荧光高压汞灯
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• 荧光粉中加入Eu2+ 、Ce3+ 、Tb3+ 、 Yb3+等稀土离子，可使发光效率和 显色性能得到显著提高。 • 发红光的荧光粉有Y2O3 ：Eu3+ ，很 容易被254nm的射线激发； • 发 蓝 光 的 荧 光 粉 有 BaMgAl10O17 ： Eu3+和Sr2Al6O12：Eu3+等。 • 发 绿 光 的 离 子 是 Tb3+ ， 不 容 易 被 254nm的射线激发，常用Ce3+ 做为 敏化剂。
红外测量
红外遥控
红外警报器
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• 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 、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；
• 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。
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• 发光的第二个特征是它的强度。
发光强度随激发强度而变; 激光出现前，电子束能量较高，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 光。 激光出现后，其强度可以大于107W/cm2 ，在它激发下很 容易引起发光。
功能材料概论
An Introduction to Functional Materials
光学材料 Optical Materials
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主要内容
发光材料 红外光学材料
固体激光材料
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• 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。 • 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。 • 要利用光，就要研究光。光学材料是基础。
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• 上海世博会，LED继续大放异彩。
• 舞台上空出现了一只巨型“白鸽”，随着音乐挥动 翅膀。“白鸽”由770个LED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EXPO 、世博会中国馆等造型，同时伴随着的是蓝色、紫 色、红色等绚烂颜色。
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• 世博园区内共有10.3亿颗LED芯片使用，
扫描仪中的阴极射线管
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阴极射线发光材料
材料组成 Zn2SiO4：Mn ZnS：Ag ZnO：Zn (Zn，Cd)S：Ag ZnS：Ag ZnS：Ag，Ni Zn(S，Se)：Cu ZnS：Cu KMgF3：Mn 发光颜色 绿 紫蓝 青白 黄 蓝 蓝 黄绿 黄绿 橙 相对亮度 >95% >95% >95% >95% >95% >95% >95% >95% >95% 10%余辉/ms <30 >0.5 <0.01 <1 <1 <0.05 <1 <2 >250 用途 示波管 双层显示波管 飞点扫描管 黑白显像管 黑白显像管 照明记录示波管 红外变像管 示波管 雷达指示管
眼镜
望远镜
摄相机
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• 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。
• 光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激 光材料和光色材料等。
光学材料
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发光材料
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发光现象
Samsung超薄CRT电视
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• 发光的第三个特征是发光持续时间。
发光总是延迟于激发，当激发停止后，发光亮度 从J0衰减到 10％J0时，经历的时间为余辉时间。 • 发光材料由此可划分为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；
青铜镜
望远镜
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• 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5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人 带来的苦恼。
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• 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 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。
材料容易作成n型及p型；
有效率高的发光中心；
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。
发光二极管
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• 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，并拓展到近红外和近紫 外范围，如发红光的GaAsP，发绿光的GaP等。
• 发光二极管的发光效率也提高上千倍。使用GaN基材 料的二极管，可发出高亮度的白光，在20mA的电流 下，发光强度达到2Cd，能作为强光源使用。
• 近年来还试用在CaS、SrS等基质中掺杂稀土元素的 直流场致发光材料。
蓝色场致发光材料
黄色场致发光材料
红色场致发光材料
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发光二极管材料
• 发光二极管是辐射光的半导体二极管，施加正向 电压时，通过pn结分别把n区电子注入p区，p区空 穴注入n区，电子和空穴复合发光，把电能直接转 换成光能。 • 发光二极管所用材料具有下述特性： 发光在可见光区，Eg≥1.8eV，λ≤700nm；
蝴蝶翅膀上的磷粉具有发光现象
磷光虾
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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+。
• 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 其转化为白光放出。
• 发光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 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 能态时发出的，当发出光子能量 在1.8-3.1eV时，便是可见光。
绿色极光
• 材料发光所需能量可从较高能量 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。
各色发光二极管
作为强光源使用的发光二极管
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• 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、 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。 • 以发光二极管为主的半导体照明被誉为是人类照 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
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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 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-卤族化合 物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体及半导体晶体。
单质晶体：单质锗、硅可作为红外光学材料。 碱卤化合物晶体：如LiF、NaF、KCl、KBr等 碱土-卤族化合物晶体：如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等， 氧化物晶体：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物
长余辉：0.1-1s；
极长余辉：＞1s
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• 自然界中很多物质或多或少都可以发光，发光材料 中既有无机化合物，也有有机化合物。 • 发光材料 使用最多的是粉末状多晶 固体无机化合物 ，
其次是单晶和薄膜。
• 根据发光类型，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。
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• 光立方是国庆60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4028棵的LED“发光 树”，每一棵发光树的LED管通过电脑操作可变换７种颜 色，高度也可以变换，且左右摇摆，4028名表演者站在“ 树”下，用手持道具配合“发光树”按照指令进行表演。
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国庆彩车
2009年春节联欢晚会
• 世博场馆室内照明电源中约有80%采用LED绿色光源 ，相较于普通白织灯，省电90%。
油立方
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X射线激发发光材料
• 在X射线照射下，发光材料可发生康普顿效应，也可吸 收X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 光跃迁所需能量时，就可发出光。
ZnS：Ag
ZnS：Ag，Cu Y2O3：Eu Y2O3S：Eu
蓝
黄绿 红5% >95% >95%
<1
<2 <1 <5
彩色显像管
示波管 彩色显像管 彩色显像管
(Cd，Zn)S：Cu，Al
黄
>95%
<1
黑白显像管
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• 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，对人们 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 显示屏等。
荧光现象
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• 发光材料是指吸收外界的能量，转化为光能的材料
• 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。 • 实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。
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• 发光的特征有三个：
• 发光材料的发光颜色彼此不同，都有各自特征，选 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。 材料的发光光谱可分为以下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+。
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• 蓄光型发光材料也是光致发光材料中的重要一种 ，更注意发光的衰减规律。
• 蓄光型发光材料可直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。
稀土长余辉蓄光材料标示牌
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阴极射线发光材料
• 阴极射线发光是在真空中 从阴极出来的电子经加速 后轰击荧屏所发出的光。 • 发光区域只局限于电子所 轰击的区域附近： • 由于电子的能量在几千电 子伏以上，除发光以外， 还可以产生x射线。
投影管 舰用雷达显示屏 电视显像管
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场致发光材料
• 半导体材料在外电场作用下，出现发光的现象 称为场致发光。
场致发光纤维
场致发光玻璃饰品
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• 场致发光材料在交流电压或直流电压作用下都可发 光。最常用的直流场致发光材料有ZnS：Mn，Cu，亮 度约350Cd/m2，发光效率为0.5lm/W；
• ZnS：Ag可发出蓝光；(ZnCd)S：Ag可发出绿光，改 变配比(ZnCd)S：Ag可发出红光。
• 发光二极管也可做成指示器和数字显示器，用于 计算机、广告、家用电器、车辆、交通信号等仪 器仪表的显示中。
LED显示屏
Sony-LED电视
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• 北京奥运会开幕式开场的画轴打开在一个巨大的LED 屏幕上。
LED屏幕长147米，宽22米，总面积3234平方米，上面铺了 44000颗LED。 LED地面完全经得住演员踩踏、水浸等考验。 LED大屏分辨率高达7052×1056，是普通电脑的5倍，制造 的光影效果和表演密切结合，将观众引入梦幻世界。