光学材料分类和性质Optical Materials
第八章 光学材料课件
2018/7/17
第一节 激光材料
1960年，世界上第一个一红宝石（Al2O3：Cr3＋）
为工作物质的固体激光器研制成功，使得光学的 发展进入了一个新的发展阶段。
激光与一般的光不同的是纯单色，具有相干性，
因而具有较大的能量密度。
中文名称：激光 英文名称：laser
定义：由受激发射的光放大产生的辐射。 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件: (1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由 一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能 带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质 结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激 发到能量较高的导带中去.当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发 射作用. (2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡， 激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀 上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜.对F-p腔(法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方 便地利用晶体的与P一n结平面相垂直的自然解理面构成F一P腔. (3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及 从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注入， 即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的 电流阀值条件.当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成 激光而连续地输出.可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光 放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动 力.量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织 结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器.另外，科学家也已经做 出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级 到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器 件.
Optical Materials光学材料
10 Optical Materials一、反射、吸收与色散•反射•吸收•色散•色散方程二、光学玻璃1、分类•冕牌玻璃•低折射率、低色散•火石玻璃•高折射率、高色散•国家标准《无色光学玻璃》（GB903－87）•18种类型•冕牌玻璃：60种•火石玻璃：75种•光学玻璃nd －νd领域图•K9 H-K9L N-BK7•成都光明光电股份有限公司、Schott •玻璃编码：517642成都光明光电股份有限公司•环境友好光学玻璃•包括H-FK、H-QK、H-K、H-BaK、H-ZK、H-QF、H-F、H-ZF、H-ZBaF、H-LaK、H-LaF、H-ZLaF共14个类别100多个牌号。
环境友好光学玻璃具有无铅、无砷、无镉、密度低、化学稳定性好等优点，对环境保护事业贡献较大，主要应用于数码相机、数码摄像机、数码复印机、扫描仪和天文望远镜等光学装置和设备中。
•常用谱线•i（365.01nm）•h（404.66nm）•g（435.84nm）•F/（479.79nm）•F（486.13nm）•e（546.07nm）•d（587.56nm）•D（589.29nm）•c/（643.85nm）•C（656.27nm）•r（706.52nm）•s（852.11nm）•t（1013.98nm）•（632.8nm）2、质量指标、类别和级别•折射率、色散系数•根据同一批玻璃中，折射率及色散系数的最大差值，玻璃的一致性分为4级•光学均匀性•分类方法一•分类方法二•应力双折射•以玻璃最长边中部单位长度上的光程差表示•应力双折射•以距其边缘5％直径或边长处单位厚度上的最大光程差表示•条纹度•用投影条纹仪观测（距离单位mm）•气泡度•光吸收系数•玻璃的光吸收系数用白光通过玻璃中每厘米路程的内透过率的自然对数的负值表示3、玻璃热学性能、机械性能、化学稳定性•玻璃折射率温度系数•转变温度•导热系数•热膨胀系数•弹性模量、剪切模量•泊松比•显微硬度、研磨硬度•密度•化学稳定性（耐酸、耐潮）三、特殊玻璃1、低膨胀玻璃•熔融石英•线膨胀系数：5.5×10－7/0C •BK7线膨胀系数：7.1×10－6/0C2、红外光学玻璃•含砷的硒玻璃3、梯度折射率玻璃•8.66μm：n=4.0036•11.04μm：n=4.0020•13.02μm：n=4.0016五、光学塑料六、吸收滤光片七、散射材料和投影屏八、偏振材料九、光学胶和液体•冷杉树脂胶（光学树脂胶、加拿大树脂胶）——热胶•甲醇胶——冷胶•环氧树脂胶——冷胶•杉木油。
optical materials 缩写
optical materials 缩写Optical materials是一种用于制造光器件的材料。
它们包括一系列可透过光线的元素、化合物和合金，如玻璃、晶体、半导体和塑料等。
近年来，随着光电子技术的飞速发展，光学材料的应用越来越广泛，因此各种新的光学材料也不断涌现。
下面我们将围绕“optical materials 缩写”来详细介绍这方面的内容。
其中，OM是optical materials的缩写，下文将以OM作为代称。
一、OM的种类OM按照用途可以分为吸收材料、荧光材料、非线性光学材料、电光材料和全息材料等。
吸收材料是指对光线有一定吸收作用的物质，常用于制造滤光器、偏光器等光学器件；荧光材料可以在激发后发出特定波长的荧光，常用于制造荧光标记材料；非线性光学材料可以引发光学非线性效应，如二次谐波产生、自聚焦、自相位调制等，常用于制造激光器、频率倍增器等；电光材料具有光电效应，可以通过电场控制光学特性，常用于制造显示器等；全息材料可以记录光场信息，从而形成具有三维立体感的全息图像。
二、OM的性能OM的性能包括透过率、折射率、色散性、吸收性和非线性系数等。
透过率是指物质对光线的透过程度，与材料的厚度和波长有关；折射率是指光线从空气或其他介质入射到材料中时，光线的弯曲程度，与材料的成分和密度有关；色散性是指光线经过物质后，不同波长的光线折射角度不同，与材料的成分和结构有关；吸收性是指材料对特定波长的光线有一定吸收作用，与材料的成分和结构有关；非线性系数是指材料对大功率激光的响应程度，与材料的成分、结构和组织形态有关。
三、OM的应用OM在光电子技术中有着广泛的应用，如激光器、光纤通信、光学传感、生物荧光标记等领域。
其中，激光器是OM的主要应用之一，可以用于医学、工业加工、军事等领域。
光纤通信中，OM作为传输介质，可以实现低损耗、高带宽、高速率等优势；光学传感中，OM可以用于制造各种传感器，如温度传感器、压力传感器、气体传感器等。
光学材料手册
光学材料手册【原创版】目录1.光学材料的定义和分类2.光学材料的应用领域3.光学材料的性能指标4.光学材料的发展趋势正文一、光学材料的定义和分类光学材料是指在光学领域中具有特定光学性能和应用价值的材料。
根据其性质和用途，光学材料可分为以下几类：1.透镜材料：用于制造光学透镜，如玻璃、塑料和晶体等。
2.反射镜材料：用于制造反射镜，如金属薄膜和玻璃等。
3.光学薄膜材料：用于制造光学薄膜，如金属膜、介质膜和复合膜等。
4.光学晶体材料：具有特定光学性能的晶体材料，如激光晶体、光纤晶体等。
5.光学塑料材料：用于制造光学零件的塑料材料，如聚光学材料、光敏塑料等。
二、光学材料的应用领域光学材料广泛应用于以下领域：1.光学仪器：显微镜、望远镜、摄影镜头等。
2.光通信：光纤、光缆、光开关等。
3.光显示：液晶显示器、投影仪、显示器等。
4.光存储：光盘、光存储器等。
5.光能源：太阳能电池、光热发电等。
6.光学传感器：光电传感器、光纤传感器等。
7.照明：灯具、光源等。
三、光学材料的性能指标光学材料的性能指标主要包括：1.折射率：表示材料对光的传播速度的影响。
2.色散：表示材料对不同波长光的折射率差异。
3.透光率：表示材料对光的透过能力。
4.反射率：表示材料对光的反射能力。
5.光学均匀性：表示材料内部光学性能的一致性。
6.抗光损伤性：表示材料对光的损伤抵抗能力。
7.热稳定性：表示材料在高温下的光学性能稳定性。
四、光学材料的发展趋势光学材料的发展趋势主要表现在以下几个方面：1.高性能：追求更高的折射率、更低的色散、更高的透光率等性能指标。
2.轻量化：发展轻质、高强度的光学材料，以满足光学器件的轻量化需求。
3.环保化：研究绿色、环保的光学材料制造工艺，以减少对环境的影响。
4.智能化：开发具有自适应、可调谐等智能特性的光学材料。
光学材料的种类与特性分析
光学材料的种类与特性分析光学材料是指在光学领域中应用的材料，它们对光的传播和相互作用具有特殊的性质。
光学材料的种类繁多，每种材料都有其独特的特性和应用领域。
一、透明材料透明材料是指能够使光线通过并且不发生明显散射的材料。
常见的透明材料包括玻璃、水晶、塑料等。
透明材料具有良好的光学透过性和折射性能，被广泛应用于光学仪器、光纤通信等领域。
二、吸收材料吸收材料是指能够吸收光线并将其转化为热能或其他形式能量的材料。
常见的吸收材料包括染料、颜料、半导体材料等。
吸收材料的特性使其在太阳能电池、激光器、光敏材料等方面有着广泛的应用。
三、散射材料散射材料是指能够将入射光线按照一定规律散射的材料。
常见的散射材料包括磨砂玻璃、乳胶等。
散射材料的特性使其在照明、光学涂料等领域有着重要的应用。
四、非线性光学材料非线性光学材料是指在高光强下，其光学性质随光强的变化而发生非线性变化的材料。
常见的非线性光学材料包括非线性晶体、有机分子等。
非线性光学材料具有光电效应、光学非线性效应等特性，被广泛应用于激光技术、光纤通信等领域。
五、光学陶瓷材料光学陶瓷材料是指通过陶瓷工艺制备的具有光学性能的材料。
光学陶瓷材料具有高硬度、高熔点、低热膨胀系数等特点，被广泛应用于高温、高压、强辐射等恶劣环境下的光学器件。
光学材料的特性不仅取决于其化学成分，还与其微观结构和制备工艺有关。
例如，玻璃的光学性能与其成分、制备工艺以及冷却速度等因素密切相关。
同样，非线性光学材料的非线性效应与其分子结构、晶体结构以及外界光场的强度有关。
除了上述常见的光学材料，还有一些新型光学材料正在不断涌现。
例如，纳米材料、光子晶体等具有特殊结构的材料，具有优异的光学性能和应用潜力。
此外，多功能光学材料也受到越来越多的关注，这些材料不仅具有传统光学材料的特性，还具备其他功能，如电磁屏蔽、防护等。
光学材料的发展离不开科学研究和技术进步。
随着材料科学、纳米技术、光学工程等领域的不断发展，新型光学材料的开发和应用前景将更加广阔。
什么是光的光学元件和光学材料
什么是光的光学元件和光学材料？要点：1. 光学元件的定义和分类2. 光学材料的特性和分类3. 光学元件和光学材料的应用一、光学元件的定义和分类：光学元件是用于控制和操纵光的能量、传播和相互作用的器件。
它们可以改变光的传播方向、聚焦光束、分离光谱成分等。
常见的光学元件包括透镜、反射镜、光栅、偏振片、光纤等。
透镜是一种光学元件，可以将光聚焦到焦点或将光分散。
它们根据曲率形状和透镜材料的不同，可以分为凸透镜和凹透镜。
反射镜是一种光学元件，可以通过反射光来实现光的控制和操纵。
它们根据反射面的形状和材料，可以分为平面镜、球面镜和抛物面镜等。
光栅是一种光学元件，可以将光分散成不同波长的光谱成分。
它们通过周期性结构和光栅常数来实现光的分散和衍射效果。
偏振片是一种光学元件，可以选择性地传递或阻挡特定方向的偏振光。
它们通过材料的分子结构和取向来实现对光的偏振控制。
光纤是一种光学元件，可以将光信号传输到远距离的器件。
它们基于光的全反射原理和光纤材料的折射率差异来实现光信号的传输和传播。
二、光学材料的特性和分类：光学材料是用于制造光学元件的材料，其特性直接影响着光学元件的性能和功能。
光学材料应具有透明度、光学均匀性、机械强度和化学稳定性等特性。
透明度是光学材料的重要特性，指的是材料对光的透射能力。
透明度好的材料可以使光线传播过程中的损耗最小。
光学均匀性是指材料内部的折射率和吸收系数的均匀分布。
光学均匀性好的材料可以减小光学元件的像差和散射。
机械强度是材料的耐力和刚度，直接影响光学元件的稳定性和寿命。
化学稳定性是指材料在不同环境条件下的化学反应和腐蚀性。
化学稳定性好的材料可以保证光学元件的长期使用。
根据光学材料的特性和用途，可以将其分为以下几类：玻璃类材料：如石英玻璃、光学玻璃等。
玻璃类材料具有良好的光学均匀性和透明度，广泛应用于透镜、窗口和光学器件等。
晶体类材料：如人造晶体、天然晶体等。
晶体类材料具有优良的光学性能和大的折射率，常用于光学器件和激光器等。
光学材料手册
光学材料手册一、光学材料的概述光学材料是指那些具有特殊光学性能，可以用于制造光学元件、光学系统和光学器件的物质。
光学材料在科学技术、国防、民用等领域具有广泛的应用。
二、光学材料的分类1.透明光学材料：如玻璃、塑料、晶体等，具有良好的光透射性能。
2.光学薄膜材料：如金属薄膜、介质薄膜等，具有调节光透射、反射、折射等性能。
3.光学纤维材料：如石英光纤、塑料光纤等，用于光通信、光学传感等领域。
4.光学晶体材料：如石英、锂niobate 等，具有良好的光学性能和电学性能。
5.光学玻璃材料：如硼硅酸盐玻璃、氟化玻璃等，具有高折射率、低光学损耗等特点。
三、光学材料的性能与参数1.折射率：光学材料的一个重要性能参数，影响光在材料中的传播速度和光透射性能。
2.光透射率：指光通过材料时的透射程度，与材料的透明度、颜色等有关。
3.光学损耗：光在材料中传播过程中能量的衰减，与材料的吸收、散射等有关。
4.光学均匀性：指材料的光学性能在空间和时间上的稳定性。
5.机械强度：光学材料在加工和使用过程中的力学性能。
四、光学材料的制备与加工1.制备方法：包括熔融法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等。
2.加工技术：如光学加工、精密加工、化学腐蚀等，用于制备光学元件和器件。
五、光学材料的应用1.光学元件：如透镜、反射镜、光栅等，用于光学系统中的成像、分光等。
2.光学仪器：如望远镜、显微镜、干涉仪等，应用于科学研究和实际生产。
3.光通信：光纤、光放大器等，实现信息的高速传输。
4.光学显示：如投影仪、显示器等，用于图像显示和虚拟现实等领域。
5.光学存储：如光盘、蓝光盘等，用于信息的存储和读取。
六、光学材料的发展趋势与展望1.技术创新：新型光学材料的研发，提高光学性能和降低成本。
2.产业应用：光学材料在电子信息、生物医学、新能源等领域的广泛应用。
3.国际化合作：加强国际间光学材料研究和产业发展的交流与合作。
综上所述，光学材料具有广泛的应用领域，其性能和制备技术不断取得突破。
第七讲光学材料
? 材料容易作成n型及p型；
? 有效率高的发光中心或复合发光； ? 效率降到初始值一半的时间要大于105h，
发光二极管
? 材料要能生长成单晶，并能规模生产且价廉。
?28
? 发光二极管和器件已经实现了 红、橙、黄、绿、青、蓝、 紫七彩原色的生产和应用 ，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。
? 要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学 材料。
太阳光
星光
灯光
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? 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。
发光颜色 浅蓝 绿 黄 橙红
发光光谱峰值/nm 455 510 580 650
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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；
? 雷达显示屏 要求长余辉，一般采用双层屏。在电子束轰击下，电 子束激发第一层材料 ZnS:Ag ，发出短余辉的蓝光，它再激发第 二层材料 (Zn,Cd)S:Cu,Al ，发射长余辉的黄光。
倒车雷达显示屏
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? 阴极射线发光材料可用于制备阴极射线管，具有广泛的用 途。阴极射线管可大量用于制造彩色电视机的显像管 ，对 人们的生活造成巨大影响。阴极射线管还可用于示波器、 雷达以及特殊要求的显示屏。发光亮度高的阴极射线管则 可用于投影管、飞机上的平视仪及露天的大屏幕显示等。
光学材料及其光学性质研究
光学材料及其光学性质研究光学材料指的是能对光进行一定的作用的材料，包括透明材料、光学玻璃、光学陶瓷、半导体材料等等。
这些材料的光学性质被广泛运用在通信、显示、光学存储、光学传感等领域。
一、光学材料的分类根据光学性质的不同，可以将光学材料分为荧光材料、非线性光学材料、量子点材料等几类。
荧光材料是指当这些材料受到激发后，会发射出比入射光更长波长的光。
其中较为常见的是荧光粉，它可用于显示领域中的荧光灯和荧光屏幕。
非线性光学材料是指光在这些材料中的传输和导致响应的方式不符合线性关系，在材料中会产生倍频、和频和差频等非线性效应。
这类材料主要应用于调制光的强度和频率等光学器件中。
量子点材料是指由少量原子构成的纳米结构，其所表现出来的光学特性源于尺寸量子限制。
量子点材料具有可调节的波长、高效的荧光等特性，在显示、生物医学成像等领域具有广泛应用。
二、光学材料的光学性质光学性质包括色散、透射率、光学吸收、光学发射等。
其中色散是指光在材料中传播时，波长和折射率的关系；透射率是指光进入材料后，能透过材料并出射到另一侧的能力；光学吸收是指材料能够吸收光的能力，其中能量被转化为材料的内部能和激发电子的动能；光学发射是指材料因光激发而导致的光发射。
三、光学材料在实际应用中的应用在通信领域，光学材料被广泛用于光纤通信中的测量仪表、光学信号处理器以及光学脉冲压缩等关键技术。
在显示领域，量子点材料可以制成发光二极管、荧光调制器等显示器件，其表现出来的纯净发光和可调的波长，可以满足当前液晶显示技术无法实现的局限性。
在生物医学成像领域，荧光材料被广泛应用于生物标记和显微成像。
随着技术的不断进步，许多新型的光学材料，如荧光量子点材料、磁性光学材料等也已经广泛应用于生物医学领域。
总之，光学材料及其光学性质的研究和应用，对于当今技术领域的进步起到了重要作用。
随着科技的不断发展，我们相信这个领域还有着巨大的潜力可以挖掘。
optical materials
常用的X射线发光材料
光色材料
光色现象及光色材料：材料受光照射着色， 停止光照时，又可逆地退色。 光色材料种类
光色玻璃：AgCl化合物的分解与复合 光色晶体：掺Sm、Eu的CaF2、两种电子陷阱的 光致可逆电荷转移
光色存储材料：写入型、消除型
用于全息存储的光色材料
作业
物体能量发射有哪两种途径？什么是粒子数反转？ 晶体激光工作物质中的激活离子起什么作用？ 固体激光器主要由哪三个部件构成？简述其作用 半导体激光器中，引起激光震荡的三个条件是什 么？ 5. 光纤按纤芯折射率分布不同可分为哪两种类型？ 在光纤中，光的传送原理是什么？简要叙述。 6. 材料发光具有哪三个特征？ 1. 2. 3. 4.
单晶制备方法：导模法、浮区熔融法
红外光纤：氧化物玻璃、卤化物玻璃、硫系玻璃 和卤化物晶体等
晶体单晶光纤制备
半导体激光器的结构示意图
半导体激光器件
常用的固体激光材料
激活离子 Cr3+ Pr3+ 基质材料 Al2O3 CaWO4 LaF3 BaF2 SrF2 CaF2 CaMoO4 Gd2O3 LaF3 玻璃 波 长 0.6943 1.0400 0.5985 1.060 1.043 1.046 1.067 1.079 1.063 1.060 激活离子 Eu3+ Sm2+ 基质材料 Y2O3 CaF2 SrF2 CaF2 CaWO4 玻璃 BaF2 CaF2 SrF2 玻璃 玻璃 波 长 0.6110 0.7085 0.6969 2.0900 2.0500 2.0400 2.55
钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd3+)
属四能级结构，阈值低，但不易积累，常温使用 应用：测距仪和制导
半导体激光材料
第一章光学材料
第一章 光学材料
二、无色光学玻璃的分类及命名（牌号）
大都采用拉丁字母作为品种的标志，在品种标志之后附有牌 号的标志。
1、分类划分界限： 按光学玻璃折射率和阿贝数的大小将其分为冕牌玻璃和火石
玻璃两大类。
例如：德国规定nd＜1.6，υd＞50为冕牌类，其余则为火石类； 日本规定nd＜1.6，υd＞55为冕牌类，其余则为火石类。
显的界限。
强调：远程无序、近程有序。
第一章 光学材料
❖ § 1-2 无色光学玻璃
一、光学玻璃的组成
光学玻璃是由多种氧化物组成的，这些氧化物分为两大类： 一类氧化物是能生成玻璃网络结构的氧化物，如SiO2、B2O3、
P2O5等，属AO2、A2O3、A2O5型氧化物，称之为玻璃形成体 或玻璃网络体； 另一类氧化物，不能生成玻璃的网络体，只是插入玻璃的网 络结构中间，如Na2O、K2O、CaO、BaO、PbO等，属于 A2O、AO型氧化物，他们称之为玻璃的网络外体。
第一章 光学材料
❖ 一、光学材料的种类
光学玻璃：
光学晶体：
KDP类型晶体
第一章 光学材料
光学塑料：
光学玻璃: ①是光学设计最常用的光学材料； ②为满足光学设计对多种光学常数、高度均匀性、高度透明性
及化学稳定性的要求，应具有复杂的组成和严格的熔炼过程。
第一章 光学材料
（一）光学玻璃与普通玻璃的区别: ①折射率：
普通玻璃的组成：SiO2+Na2O+CaO 光学玻璃的组成：成分复杂
现代光学玻璃所含元素几乎遍及化学元素周期表，每一 种光学玻璃都要由硅、磷、硼、铅、钾、钠、钡、钙、砷、 铝等多种氧化物组成。 ②高度透明： ③高度均匀性：各点各处的光学常数和其它一些物理化学性质 一致
optical materials缩写
optical materials缩写Optical materials缩写，也就是OM，是指那些特殊的材料，它们能够在光学系统中使用，实现对光的有效控制、传输、调节、扩散等，有时也包括那些能够与光产生特定相互作用的物质。
OM是光电子学、光通信、光存储、生物医学光学等领域的核心材料，成为现代科技和生活中不可或缺的部分。
以下，将从OM的分类、特性及应用三个方面，深入探究这类神奇材料。
一、OM的分类 OM的分类可以从多个角度进行，例如： 1. 根据组成成分划分，可以分为无机晶体、有机高分子、玻璃材料等； 2. 根据结构形态划分，可以分为单晶、多晶、非晶态、薄膜、纤维等； 3. 根据光学性能划分，可以分为吸收、透明、折射、反射、发光等； 4. 根据应用特征划分，可以分为激光材料、非线性光学材料、光存储材料、生物医学光学材料等。
二、OM的特性 OM有许多独特的光学特性，以下列举几个典型的： 1. 折射率：OM的折射率是指其对光的弯曲能力，它与材料的化学成分、晶格常数、密度等有关。
根据Snell定律，光经过不同折射率的介质时，会发生折射、反射等。
因此，折射率是OM一个非常重要的参数。
2. 散射：OM中存在一些不同尺度的散射中心，例如晶格缺陷、非均匀纳米结构等，这些中心可以使光发生散射，改变其传输方向和发散角度。
散射也是OM中经常用到的现象之一，比如激光器的光学腔中经常需要添加一些散射颗粒，增加光的反弹次数，提高激光的放大效率和阈值功率。
3. 吸收和发光：OM中的电子和分子可以通过吸收光子，从基态激发到激发态，或者通过受激辐射过程，从激发态发射光子回到基态。
吸收和发光是OM中应用最广泛的光学特性之一，例如LED、激光器、量子点等都是基于这种原理工作的。
三、OM的应用 OM的应用非常广泛，以下列举几种典型的应用： 1. 激光器：OM中的激光材料是激光器中的核心部件，主要包括晶体、玻璃材料、半导体等。
不同激光器需要的材料也不同，例如气体激光器需要的是气体分子，固态激光器需要的是晶体和玻璃材料等。
The Study of Optical Properties of Materials
The Study of Optical Properties ofMaterials光学材料的研究是现代物理学领域的重要方向之一。
光学材料是指在光学中具有特殊性质的材料，包括各种光纤、半导体材料、晶体材料等。
光学材料具有广泛的应用价值，如通信、激光技术、光纤通讯、太阳能电池等，因此对其光学性质的研究具有很高的重要性。
一、光学材料的定义光学材料是指在光学中具有特殊性质的材料，包括折射率、反射、吸收、色散、散射等性质。
这些性质决定了光学材料在光学器件和光学系统中的应用。
二、光学材料的分类根据光学性质的不同，光学材料可以分为线性光学材料和非线性光学材料。
线性光学材料是指其光学性质与入射光线强度成线性关系的材料，如普通玻璃、空气等。
而非线性光学材料则是指其光学性质与入射光线强度成非线性关系的材料。
在非线性光学中，有许多的效应，如二次谐波产生、双光子吸收效应、三波混频等。
三、光学材料的折射率折射率是光线通过材料时产生折射的比率，通常用n表示。
折射率随着光线的波长而变化，在可见光范围内，不同颜色的光的折射率不同，因此报道折射率时需注明光线波长。
折射率对光线的传播方向和光程长度都有影响，因此在光路设计中必须准确地考虑可用材料的折射率。
四、光学材料的反射在光线通过材料界面时，部分光线会反射回去，这就是光学材料的反射。
反射率取决于两种材料的折射率、入射角和极化状态。
反射在很多光学器件中都是不可避免的，但是可以通过特殊的涂层、反射棱镜或波导等器件来减小反射。
五、光学材料的吸收光线通过光学材料时，部分光线会被材料吸收，这就是光学材料的吸收。
吸收系数决定了某种波长的光线有多少被吸收，而材料的吸收系数大小又取决于材料的化学成分、制备工艺和材料的纯度等因素。
对于许多应用，如激光器，吸收是不可避免的，因此材料的吸收特性也是非常重要的。
六、光学材料的色散材料的色散是指折射率随着入射光线的波长而变化的过程。
不同材料对于不同波长的光有不同的折射率，因此色散现象会导致不同波长的光有不同的走向。
光学材料手册
光学材料手册
【实用版】
目录
1.光学材料的概述
2.光学材料的分类
3.光学材料的应用
4.光学材料的发展趋势
正文
一、光学材料的概述
光学材料是指具有光学性能的材料，它可以引导、传输、反射、吸收和变换光波。
在现代科技领域，光学材料被广泛应用于成像、显示、照明、通信等众多领域。
根据其光学性能和使用环境的不同，光学材料可分为多种类型。
二、光学材料的分类
1.根据光学性能分类
（1）折射率较高的光学材料：如光学玻璃、光学晶体等；
（2）折射率较低的光学材料：如光学塑料、光学涂层等；
（3）线性光学材料：如光学玻璃、光学晶体等；
（4）非线性光学材料：如激光晶体、光子晶体等。
2.根据使用环境分类
（1）大气光学材料：如光学玻璃、光学晶体等；
（2）真空光学材料：如光学玻璃、光学晶体等；
（3）半导体光学材料：如 LED、激光二极管等。
三、光学材料的应用
1.光学成像：如摄影镜头、显微镜物镜等；
2.光学显示：如显示器、投影仪等；
3.光学通信：如光纤、光开关等；
4.光学照明：如 LED 灯、光学反射器等；
5.光学传感：如光电传感器、光纤传感器等。
四、光学材料的发展趋势
1.高性能光学材料：具有高折射率、低损耗、大口径等性能；
2.新型光学材料：如光子晶体、超材料等具有特殊光学性能的材料；
3.绿色环保光学材料：采用环保材料和技术制备的光学材料；
4.可持续发展光学材料：具有可持续发展理念的光学材料生产和应用。
综上所述，光学材料在科技领域具有广泛的应用前景，未来发展趋势可观。
光学材料的研究和应用
光学材料的研究和应用随着光学领域的不断发展，光学材料的研究和应用也越来越广泛。
光学材料是指具有良好光学性能的材料，若与光子相互作用，能够吸收、反射、折射、透射以及改变光传播方向等性质。
本文将从光学材料的分类、研究、制备和应用方面进行探讨。
一、光学材料的分类根据用途和光学性能，光学材料可分为天然光学材料和人造光学材料。
1.1 天然光学材料天然光学材料是指生物体或矿物质等自然形成的具有特殊光学性质的物质。
例如，某些昆虫的翅膀，珊瑚，贝壳等都是天然光学材料，它们能够表现出各种奇特的光学效应。
1.2 人造光学材料人造光学材料是指通过人为方式制备的具有特殊光学性质的材料，其应用领域很广，如光电子器件、信息存储、激光材料、太阳能电池等。
根据其成分和结构，人造光学材料又可以分为晶体、非晶体、微纳结构等多个类别。
二、光学材料的研究光学材料的研究，主要包括光学性能研究、结构与性能关系的探究和工艺技术研究等。
2.1 光学性能研究从光学性能上，光学材料可分为反射、透射、散射等多种类型。
在透射方面，光学材料正常透射能力与其制备工艺密切相关。
例如，氧化物玻璃、聚合物、碳材料等材料常用于制备透明的光学元件，如窗户、屏幕、透镜等。
而光学材料的散射特性则是实现光控制和光处理的关键，如利用光散射可实现分子探测、传感和光学成像等。
2.2 结构与性能关系的探究材料的光学性能与其结构和组成有密切的关系。
通过研究材料的结构，可以深入了解它的光学性能，从而改进材料性能。
例如，在二维材料中，厚度和结构的不同会导致它们在光学性质上表现出不同的行为，如表面等离子频率或纳米缝隙效应等，这可以为光学传感的应用提供基础。
2.3 工艺技术研究随着技术的不断提高，光学材料的加工技术也不断进步。
目前，材料的表面处理和纳米加工等技术已经发展成熟，能够制备出具有非常高精度、高可靠性的光学元件。
例如，扫描探针显微镜(SPM)技术可用于制备和探测纳米结构，可应用于制备具有规则形状的纳米粒子、纳米线、纳米点等晶粒并实现对它们进行可定制化的制导。
光学材料手册
光学材料手册光学材料手册一、光学材料种类光学材料主要分为无机材料和有机材料两大类。
无机材料包括玻璃、晶体、陶瓷等，有机材料包括聚合物、液晶、塑料等。
这些材料具有不同的光学性质，如折射率、透射率、反射率等，适用于不同的光学应用领域。
二、光学材料性质光学材料的性质主要包括折射率、透射率、反射率、双折射率、色散等。
这些性质决定了材料在光学系统中的性能，如成像质量、光能利用率等。
对于不同的光学应用，需要选择具有合适光学性质的材料。
三、光学材料制备光学材料的制备方法主要有熔融法、凝固法、薄膜法等。
熔融法是将原料加热至熔融状态，然后进行冷却和成型；凝固法是将原料加热至液态，然后冷却至固态；薄膜法则是通过物理或化学气相沉积技术制备薄膜。
不同的制备方法适用于不同的材料和产品要求。
四、光学材料应用光学材料广泛应用于军事、航空航天、信息通信、医疗、教育等领域。
在军事领域，光学材料被用于制造各种光学仪器，如望远镜、潜望镜等；在航空航天领域，光学材料被用于制造卫星、空间望远镜等；在信息通信领域，光学材料被用于制造光纤通信系统中的光缆等；在医疗领域，光学材料被用于制造医疗设备，如内窥镜等；在教育领域，光学材料被用于制造显微镜等教学仪器。
五、光学材料性能测试为了确保光学材料的性能和质量符合要求，需要进行一系列的性能测试。
这些测试包括折射率测试、透射率测试、反射率测试、双折射率测试、色散测试等。
通过这些测试，可以了解材料的各项光学性质和性能指标，从而保证其在实际应用中的可靠性。
六、光学材料计算模拟随着计算机技术的不断发展，光学材料的计算模拟逐渐成为一种重要的研究手段。
通过计算模拟，可以在计算机上模拟材料的结构和性能，从而预测其在实际应用中的表现。
这种方法可以大大缩短材料的研发周期，提高研发效率，同时也可以降低研发成本。
七、光学材料标准与规范为了保证光学材料的质量和性能符合要求，需要制定相应的标准与规范。
这些标准与规范规定了材料的各项性能指标和测试方法，以及产品的质量要求等。
光学 材料 开放课题
光学材料开放课题一、光学材料的概念和分类1.1 光学材料的定义光学材料是指在光学领域中使用的具有特定光学性质的材料。
它们可以对光的传播和相互作用产生特殊的影响。
1.2 光学材料的分类光学材料可以根据其组成、结构和性质进行分类。
常见的光学材料分类包括：1.无机材料：如玻璃、晶体、金属等；2.有机材料：如聚合物、液晶等；3.复合材料：如纳米材料、光子晶体等。
二、光学材料的性质和应用2.1 光学材料的基本性质光学材料的基本性质包括折射率、透射率、吸收率、散射率等。
这些性质决定了材料对光的传播和相互作用的特性。
2.2 光学材料的应用领域光学材料在各个领域都有广泛的应用，包括但不限于：1.光学器件：如透镜、棱镜、滤光片等；2.光纤通信：光学材料在光纤传输中起到重要作用；3.光电子学：光学材料在光电转换、光探测等方面应用广泛；4.光学传感：利用光学材料的特性进行传感，如光学传感器、光学测量等。
三、光学材料的研究进展3.1 新型光学材料的合成和制备技术随着科技的发展，人们对新型光学材料的需求越来越高，因此研究人员致力于开发新的合成和制备技术。
包括化学合成、物理制备、生物合成等多种方法。
3.2 光学材料的改性和优化为了提高光学材料的性能和应用范围，研究人员对已有材料进行改性和优化。
这包括添加掺杂物、改变材料的结构和组成等方法。
3.3 光学材料的性能测试和表征对光学材料的性能进行测试和表征是研究的重要一环。
常用的测试手段包括透射率测量、折射率测量、散射测量等。
3.4 光学材料的未来发展方向光学材料的研究仍然面临许多挑战和机遇。
未来的发展方向包括但不限于：开发更高性能的材料、实现光学器件的微型化和集成化、探索新的应用领域等。
四、结论光学材料作为光学领域的重要组成部分，具有广泛的应用前景。
随着科技的不断进步，光学材料的研究和应用将会取得更大的突破和发展。
我们期待未来能够有更多创新的光学材料问世，为人类的生活和科学研究带来更多的便利和进步。
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主要内容：
激光材料 光纤材料 发光材料 红外材料 液晶材料 光存储材料
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
第一节 激光材料
一、激光的特性和激光器的基本结构
激光的特性
①定向性或准直性好 一般光线是发散开来的。
②波长单一，即单色性好 一般光通常是由几种不同频率的光组成的。
二、固体激光器材料
固体激光器材料应具备的条件
①应具有合适的光谱特性 ②激发态吸收要小 ③具有良好的光学均匀性和稳定性 ④应具有良好的物化性能
固体激光工作物质
固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。
1、激活离子
（1）激活离子的作用 实现粒子数反转。 激活离子在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
2、基质晶体
（1）基质晶体的要求 基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小
的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。 基质晶体都是“宝石”。
YAG : Nd（Y3Al5O12）
KTP（KTiOPO4）
一些常见的激光晶体
CLBO（CsLiB6O12）
③具有相干性 激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。
④强度大，亮度高。
激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许 多重要的应用。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
激光器的基本结构
①激光介质
高
部
即激光材料。
分
反
透
②激励装置
过
激光产生的能源，作用
射
反
是把原子源源不断地激励
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
三、半导体激光器的基本结构
基本结构
激光束
空穴流
电极
+ +p区+ +
活性区 - -n区- -
电流
激光束 +
反射镜面
（晶体劈开面）
半导体激光器的基本结构
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
半导体激光器产生激光的条件
（1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。 一般必须是直接带隙半导体。
长的激光，即实现将低能级上的粒子“抽运”到高能级上去。激活离子 是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
（2）激活离子的种类 ①过渡金属离子 Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+等，在不同晶体中，其光谱特性有 很大差异。 ②三价稀土离子 镧系稀土元素Nd3+(钕)、Pr3+(镨)、Sm3+(钐)、Eu3+(铕)、Dy3+(镝)、 Ho3+(钬)、Er3+(铒)、Tm3+(铥)和Yb3+(镱)等，以Nd3+最常见。对一般光 泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提 高效率。 ③二价稀土离子 Sm2+、Tm2+、Er2+和Dy2+等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。 ④锕系离子 主要是U3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。
向
镜
镜
到高能级上，实现“粒子
数反转”。激励装置也叫
“泵浦”，它可以是光源
泵、电流泵，也可以是激
光器泵另一个激光器。
激光器的三个基本组成部分
③反馈系统
又称谐振腔。通常由两端各一个反射镜组成，镜子能将激光介质所产
生的相干光反射回到介质中，使其来回振荡，光子就越积越多，产生 “放
大”的作用。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
E1 694.3nm 受激辐射跃迁
E0
红宝石中铬离子能级示意图
主要用途： 激光器基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光照相和全息技
术、激光雷达与测距技术等。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
钕钇铝石榴石激光晶体 (YAG:Nd3+)
优点：
属四能级系统，产生激光的阈值较低。 力学、热学和光学性能良好。
（2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。 载流子浓度低于某一阈值，仅引起注入发光，但不会发生激光。
（3）具备谐振器。 利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜即可。
小提示：
直接带隙半导体——又称直接跃迁半导体，导带的最小值和价带的最大值均位于 布里渊区内同一波数处的半导体，毋须声子参与，其中自由电子和空穴间能直接 复合。它具有量子效率高的特点，GaAs是一种典型的直接带隙半导体。 间接带隙半导体——又称间接跃迁半导体，导带底和价带顶都不在布里渊区内相 同波数处的半导体，其中自由电子和空穴间不能直接复合，必须有声子参与才能 复合，量子效率低。GaP是此类半导体之一。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
缺点：
荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作 粒子在激光跃迁到高能级上不易得到大 量积累，激光储能较低，以脉冲方式运 转时，输出激光脉冲的能量和峰值功率 都受到限制。
能 E3 量
非辐射跃迁
E2 受激辐射跃迁
E1 E0
钕钇铝石榴石激光晶体中 Nd+3的四能级系统示意图
主要用途：
主要应用于军用激光测距仪和制导用激光照明器。这种激光器还是唯一能 在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
红宝石激光晶体（Al2O3:Cr3+）
优点：晶体的物化性能好，硬度高，抗破坏能力强，同时对泵浦光的吸 收特性好，可在室温条件下获得694.3nm的可见激光振荡。 缺点：属三能级结构，产生激光的阈值较高。 工作原理：
红宝石激光器的基本构造
能 量
E3 E2
非辐射跃迁
第四章 光学材料－§4.1 激光材料
（2）基质晶体的种类 ①氟化物晶体 CaF2、BaF2、SrF2、LaF3、MgF2等，立方形晶体结构。 特点：熔点较低，易于生长单晶。宜在低温下工作，现应用较少。 适用的激活离子：锕系离子U3+，稀土元素Sm3+、Dy3+、Tm3+、Nd3+和过 渡金属离子Co2+、Ni2+等。 ②含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物） CaWO4、CaMnO4、LiNbO4、Ca(PO4)3F等。 特点：掺杂时需要电荷补偿，是一种四能级机构的工作物质。 适用的激活离子：三价稀土离子。 ③金属氧化物晶体 如Al2O3、Y3Al5O12、Er2O3、Y2O3等。 特点：熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，应用最广泛。 适用的激活离子：三价过渡金属或三价稀土离子，如Cr3+、Nd3+等。