功能材料课件-光学材料

第八章 光学材料
激光材料 光纤材料 红外材料 发光材料 液晶材料
激光材料
激光的特点
•方向性好，亮度高，能量集中 •单色性好，谱线宽度小于10-17m •相干性好，相干长度很长 •传递信息容量大 •同物质之间相互作用时会引起倍频、和频、差频等新的物理 效应
激光的发光原理
激光产生条件：
受激辐射 粒子数反转（高能级粒子数大于低能级粒子数） 谐振腔
特点？
发光材料 发光的特征
颜色——同材料的基质有关，也同杂质有关。 强度——能量效率表示，发光的能量与激发源输入能量的比
值。 发光持续时间——荧光和磷光，发光可分为磷光和荧光，在
外场持继作用下发光的称为荧光，去掉外场作用后仍在发 光的称为磷光。
电子束激发发光 阴极射线发光规律
从阴极出来的电子经过 加速后轰击荧光屏所发 出的光。
碱卤化合物晶体属离子型晶体，如氯化钠(NaC1)、 氟化钠(NaF)、氟化锂(LiF)、氯化钾(KCI)、溴化钾(KBr)、 碘化铷(RbI)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)等。——溶于 水
碱土—卤族化合物晶体包括，氟化钙(CaF2)，氟化钡 (BaF2)、氟化锶(SrF2)和氟化镁(MgF2)，碱土-卤族化合物 晶体的特点是透射长波限较短，一般在10μm左右，折射 率也比较低，反射损失小。
四能级结构，具有良好的力学、热 学和光学性能。光波长1060nm
同红宝石相比，荧光寿命短、荧光 谱线较窄，工作粒子在激光跃迁高 能级上不易得到大量累积，储能较 低。适合做重复脉冲输出，重复速 度可达每秒几百次，每次输出功率 达百兆瓦以上。
半导体激光材料
半导体发光机制及特点 辐射性复合
——电子和空穴碰撞而复合。用半导体材料制作的正向偏置 的PN结二极管。其发光机理是当在PN结两端注入正向电流 时，注入的非平衡载流子（电子－空穴对）在扩散过程中 复合发光，这种发射过程主要对应光的自发发射过程。
国产阴极射线发光材料：P134表10-2
电(场)致发光
场致发光：半导体材料在外电场的作用下发光。电致发光 将电能直接转换成光能，发光二极管、半导体激光器及电 致发光器件的发光都是电致发光。
机理：①在P-N结附近的电子一空穴对复合产生。 ②半导体荧光物质中高能电子碰撞激发发光中心产
生的发光。 场致发光需要的外加电压有阈值V0，当外加电压大
多孔母体需在氯气中加热熔融，使玻璃致密化，并去掉预 制棒中的OH-
多元系氧化物光纤
以SiO2为主（40—70%），添加3—6种碱金属或碱 土金属氧化物，如Na2O，CaO，K2O等
特点：不需要复杂的制造工艺，价格便宜，用于 装饰和制作胃镜，性能比石英光纤差
制作工艺：双坩埚法拉制
非氧化物系统材料
As—Se可在1—10微米波长范围具有低损耗， 但杂质对光有不同的吸收
卤化物晶体光纤 TiBrI单晶光纤 多晶光纤在1—10微米以上很广的范围内有低损耗，
但还是较高
塑料光纤
PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯），在0.3—0.6微米时， 损耗最低
特点： 柔软，但损耗高，通常用于短距离通讯
光导纤维的结构及应用 传光束
液晶分类： 按分子排列方式分：
向列型液晶
近晶型液晶
胆甾型液晶
向列型液晶
近晶型液晶
胆甾型液晶
液晶的效应
温度效应 电光效应 光生伏特效应 超声效应 理化效应
课堂练习：
简述半导体激光器的构成及激光产生的条件。 简述光色玻璃的组成及基本原理。 按分子排列结构特点，液晶可分为哪几类？各有何
发光二极管主要用半导体材料： GaP GaAs1-xPx GaN
X射线激发发光
分子在X射线的照射下，从基态跃迁到激发态， 然后由激发态返回较低能级的同时，发射出不同波 长的可见光。
发光材料P138表10-5
光色材料
能随光照强弱而改变颜色的材料称为光致变色材料。
光色玻璃
硼硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐及碱铝硅酸盐等系统。 玻璃中的光敏剂根据不同系统可引入卤化银、钼酸银、卤 化铜、卤化镉、氯化铊等物质。
特点：在2微米以上波长区域内，光理论损耗小于0.1dB/km
氟化物光纤
三元系ZrF4-BaF2-LaF3（GdF3）+添加物（NaF、 CsF、AlF3、PbF2）
特点：玻璃稳定性较差，最低光损耗0.7dB/km
（波长为2.55微米处），主要为杂质铁损和羟基的吸收特 性
硫属元素化合物光纤 As-S和As-Se （As42S58、As38Ge5Se57 ） 特点:As-S在1—7微米波长范围低损耗，
蓝宝石激光晶体（ Ti3+ ：α-Al2O3）
输出激光波长在660—1100nm范围 内可调，其带宽非常有利于实现 fs激光脉冲，而且具有受激发射 截面大、激光损伤阈值高等优点。
未来理想的太瓦、飞秒(太瓦即 Tw=1012w；飞秒即fs=10-15S)超快 高功率激光材料
钕-钇铝石榴石激光晶体（ Nd3+ ：Y3Al5O12）
红外线的基本性质
红外线——红外辐射（波长0.7～1000μm） 分类 近红外线——0.7～15μm 中红外线——15～50μm 远红外线——50～l000μm 特点 ——肉眼不可见 ——大气中存在“透明窗”
红外材料
单晶材料 锗单晶——透射波长范围内其折射率n≈4.0，色散很小。透
玻璃材料
氧化物玻璃——通常的氧化物玻璃，即由SiO2、B2O3、P2O5、 PbO等组成的硅酸盐玻璃，这种玻璃可以透过可见光到 3μm红外光。
硫属化合物玻璃——由于元素氧化学键在>6μm波长有强 烈吸收。
塑料
丙烯酸脂和乙—甲基丙烯酸脂有机玻璃，聚乙烯、 聚丙烯塑料，聚四氟乙烯、聚四甲基戊烯塑料。
氧化物单晶——蓝宝石(Al2O3)、石英(SiO2)、氧化 镁(MgO)和金红石(TiO2)。具有耐高温、抗热冲击、机械 强度高、坚硬等的特点。
多晶材料 MgF2—— 与单晶性能接近，作窗口材料。 硒化锌——0.48～21μm的透射波长范围，较高的折
射率2.44(5μm处)，较小的色散和较低的吸收系 数。
构成
• 基质——为激活离子提供晶格场 • 激活离子——发光中心，其能级结构决定激光的波长
按照基质分类
• 激光晶体 • 激光玻璃
激光晶体
基质晶体的基本类型
氟化物晶体 如：CaF2，BaF2，SrF2等 含氧金属酸化物晶体 如：CaWO4，CaMnO4等 金属氧化物晶体 如：Al2O3，Y3Al5O12，Er2O3等
射波长范围1.8～25μm，是一种优良的红外材料，广泛地 用于制造红外透镜、窗口、棱镜等。
硅单晶——同锗相似，比锗化学性能稳定。
砷化镓——透射波段为1～18μm，在8—15μm范围内，其折 射率为2.73～3.34。不溶于水，良好机械性能，化学性质 很稳定，已用于红外窗口材料和透镜等。
单晶材料
激活离子的基本类型
过渡族金属激活离子 如：Cr3+， Ti3+ 三价稀土激活离子 如：Nd3+， Yb3+
典型的激光晶体材料 红宝石激光晶体（ Cr3+ ：α-Al2O3）
优点：物化性能好，材料坚硬、稳定、导热性好、 抗破坏能力强、对泵浦光的吸收特性好。
缺点：三能级结构，振荡阈值高。
光波长694.3nm，可见光红光 的波长范围。
玻璃单纤维直径40—70微米 塑料单纤维直径250—400微米 传光束直径1—10毫米
Байду номын сангаас光导纤维的结构及应用 传像束
能自由弯曲 有严格的排列结构 透光性能优越（在特定波段上无 吸收现象）
光导纤维的结构及应用
纤维板 光波导 有源光纤 自聚焦光纤 紫外线、红外线光纤
光色玻璃可用于制作光色眼镜（人称自动太阳镜）、 高级防光建材、显示装置、全息存储介质等。
光色晶体
CaF2单晶在白光下掺入稀土元素钐或铕，能透过 500—550nm的绿光。如用紫外光照射后，晶体变成无色。
过程可逆。
液晶材料
液晶是处于固态和液态之间具有一定有序性的有机物质， 具有光学各向异性、流动性。
红外材料
红外光学材料是指在红外成像与制导技术中用于制造透镜、 棱镜、窗口、滤光片、整流罩等的一类材料。
主要指标为：良好的红外透明性与较宽的透射波段。一般 来说，红外光学材料的透过波段和透过率与材料内部结构， 特别是能级结构及化学键有密切关系。
主要材料分类： ——单晶材料 ——多晶材料 ——玻璃材料 ——塑料
半导体激光的条件
利用电流注入的少数载流子复合时发出的能量必须以高效 率转化为光。
在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。
有谐振器。
半导体激光器材料 P126 表10-1
光纤材料 光导纤维的原理 ——光导纤维的结构
光导纤维的原理
——光导纤维的原理 全反射 条件： 两种媒质（n0>n1） 光线由光密质到光疏质 入射角大于临界值
于V0后，才出现发光。
场致发光材料
直流场致发光材料：
ZnS：Mn,Cu 黄光
ZnS：Ag
蓝光
(ZnCd)S:Ag 红光、绿光
交流场致发光的效率比直流高，应用和研究较多。P135表 10-3
发光二极管—— 一种在低电压下发光的器件，二
极管的核心是一个PN结。
发光二极管所用材料应具有的特性： 发光在可见区，Eg≥1.8eV，λ≤700nm。 材料必须容易制成n型或p型半导体。 有效率高的发光中心或复合发光。
光导纤维的结构
按照纤芯折射率分布分： 阶跃型光纤 梯度型光纤
按照光纤传播光的模数分： 多模光纤 单模光纤