第四章 材料的光学性能-材料的发光(beifu)

对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁， 对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行跃迁， 而不是在分立的能级之间跃迁， 而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个 确定值， 确定值，这使得半导体激光器的输出波长展布在一个 很宽的范围上，因此单色性较差 单色性较差。 很宽的范围上，因此单色性较差。 半导体激光晶体：二元固溶体AlGaAs 半导体激光晶体：二元固溶体AlGaAs 激光晶体的种类： 激光晶体的种类： Nd－YAG（应用最多） 1. Nd－YAG（应用最多） 可调谐激光晶体（波长可调） 2. 可调谐激光晶体（波长可调） 3. 新波长 量子阱激光器：（超小型）信息处理、 ：（超小型 4. 量子阱激光器：（超小型）信息处理、激光打印
4.5无机材料的光学性能 4.5无机材料的光学性能
4.5.1 红外技术的起源与应用 1、简介
本章关键词：光和固体的相互作用
1800年 W.赫胥尔发现红外光谱（人眼不可见） 1800年，W.赫胥尔发现红外光谱（人眼不可见） 赫胥尔发现红外光谱 0K以上物体均发射特征电磁辐射， 称红外线（0.7μm－ 0K以上物体均发射特征电磁辐射， 称红外线（0.7μ 以上物体均发射特征电磁辐射 20μ 20μm ） 应用：辐射测量赫光谱测量（非接触测温） 应用：辐射测量赫光谱测量（非接触测温） 对能量辐射跟踪： 对能量辐射跟踪：导航 红外成像 通信和遥控
典 型 的 红 外 照 片
遥控
最好的可见光控制系统－眼睛
控制光子比控制电 子要困难许多， 子要困难许多，眼睛是控 制可见光成像的最好系统。 制可见光成像的最好系统。 而控制红外光比控制可见 光要困难， 光要困难，那么我们应用 红外光学性能就仿照眼睛 的结构， 的结构，发展材料工程来 适合红外光的“ 制造适合红外光的 制造适合红外光的“晶状 视网膜” 体”和“视网膜”
热探测器材料
1、工作原理 热释电晶体， 热释电晶体，由于热膨胀而产生束缚电 其内部束缚电荷和外部自由电荷中和。 荷，其内部束缚电荷和外部自由电荷中和。辐 射加热作用使材料自发极化强度变化， 射加热作用使材料自发极化强度变化，可测得 电压讯号。 电压讯号。
2、应用 热释电系数大 优值较大
p Fv = c' ε
力学、化学、 4) 力学、化学、物理性质要适合 5) 热导率要高 2、分类 1) 玻璃 2) 晶体 3) 红外透明陶瓷和金刚石
红外探测材料（相当于视网膜） 4.5.2 红外探测材料（相当于视网膜）
1、基本原理
本章关键词：光和固体的相互作用
1) 无选择相互作用：热释电、超导、光声 无选择相互作用：热释电、超导、 选择性作用：外光电、内光电、光生伏打、 2) 选择性作用：外光电、内光电、光生伏打、光磁效 应 外光电效应和内光电效应： 外光电效应和内光电效应： 通常所说的光电效应是指外光 电效应， 电效应，即物体在光的照射下 光电子飞到物体外部的现象。 光电子飞到物体外部的现象。 另一种光电效应叫内光电效应， 另一种光电效应叫内光电效应， 它是物体在光的照射下， 它是物体在光的照射下，内部 原子中的一部分束缚电子变为 自由电子， 自由电子，这些电子仍留在物 体内部，使物体的导电性加强。 体内部，使物体的导电性加强。
2、热辐射
物质被加热到较高温度，电子受热激发到高能级， 物质被加热到较高温度，电子受热激发到高能级， 然后跃迁到低能级而发光 发光与温度有关，强度分布决定于温度， 发光与温度有关，强度分布决定于温度，辐射为连续谱 太阳是我们最大的热辐射光源 烧红的石头 白炽灯泡（发光效率低，已经逐渐被淘汰） 白炽灯泡（发光效率低，已经逐渐被淘汰） 4.4.2 激光 激光（Laser），是受激辐射放大（Light Amplification 激光（Laser），是受激辐射放大（ ）， 放大 Radiation）的首字母， by Stimulated Emission of Radiation）的首字母，又译作 镭射、雷射，最早由爱因斯坦提出。 镭射、雷射，最早由爱因斯坦提出。 它指通过受激辐射放大和必要的反馈，产生准直、单色、 它指通过受激辐射放大和必要的反馈，产生准直、单色、 受激辐射放大和必要的反馈 相干的光束的过程及仪器，激光本质上还是电磁波， 相干的光束的过程及仪器，激光本质上还是电磁波，与普通光 源没有不同。 源没有不同。
激光类型
• 掺杂型：掺杂杂质离子，电子跃迁产生激光 掺杂型：掺杂杂质离子， • 自激活（非掺杂型，掺杂型不宜浓度过高，否则猝灭 自激活（非掺杂型，掺杂型不宜浓度过高， 适于高效、小型化） ，适于高效、小型化） • 色心激光晶体：底层能级为声wenku.baidu.com能级 色心激光晶体：
半导体激光器 半导体是重要的的固体激光器，优点是体积小、 半导体是重要的的固体激光器，优点是体积小、效率 运行简单、便宜， 高、运行简单、便宜，缺点是单色性差 工作原理：三明治结构PNP 工作原理：三明治结构PNP 结构 应用直接带隙半导体（如 应用直接带隙半导体（ GaAs） GaAs）电子从导带底部可以直接 跃迁到价带顶部。Ge、Si等间接 跃迁到价带顶部。Ge、Si等间接 带隙半导体不适合做激光器 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、 半导体激光器的激励方式主要有三种，即电注人式、光 泵式和高能电子束激励式. 泵式和高能电子束激励式. 绝大多数半导体激光器的激励方 式是电注人 即给Pn 结加正向电压， 电注人， 式是电注人，即给Pn 结加正向电压，以使在结平面区域产 生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管， 生受激发射，也就是说是个正向偏置的二极管，因此半导体 激光器又称为半导体激光二极管. 激光器又称为半导体激光二极管.
2、光子型探测材料碲镉汞（MCT） 光子型探测材料碲镉汞（MCT） 仅次于Si、GaAs之后最重要的半导体材料 仅次于Si、GaAs之后最重要的半导体材料 Si
Hg0.795Cd 0.205Te 71K带隙为 在71K带隙为 0.10eV，波长极限为12.4 12.4微米 0.10eV，波长极限为12.4微米
红外光学仪器的晶状体： 红外光学仪器的晶状体：红外透过材料 红外光学仪器的视网膜： 红外光学仪器的视网膜：红外探测材料
红外透过材料（晶状体） 4.5.2 红外透过材料（晶状体） 1、基本要求 1) 透过率高 折射率低（为减少反射） 2) 折射率低（为减少反射） 3) 自发辐射要小
KBr较好，只是易溶于水 KBr较好， 较好
激光工作原理： 激光工作原理：以红宝石激光器为例
红宝石激光器工作物质： Al 2O3 + Cr 红宝石激光器工作物质： 氙灯照射（泵浦光源） 氙灯照射（泵浦光源）
3+
三能级激光器
被激发， Cr 3+ 被激发，实现粒子数反转 （电子大部分都堆积在亚能态） 电子大部分都堆积在亚能态） 产生一个光子之后，诱发 产生一个光子之后， 其他电子受激回到基态， 其他电子受激回到基态， 一个变俩， 一个变俩，俩变四个
激光和普通光源
激光手术
激光应用
望远镜定位目标
激光笔 激 光 炮 摧 毁 导 弹
在真空中，我们是看不到激光的， 在真空中，我们是看不到激光的，我们看到 的这些柱状的激光， 的这些柱状的激光，主要是由于激光在介质中的 散射造成的。因此， 散射造成的。因此，激光的应用受到自然条件的 限制非常严重，例如陆基激光武器， 限制非常严重，例如陆基激光武器，在雨雪天气 其威力的发挥将受到较大限制。 其威力的发挥将受到较大限制。
4.4 材料的发光
4.4.1 发光和热辐射 发光是辐射能量以可见光的形式出现， 发光是辐射能量以可见光的形式出现，激发电子从价 带进入导带，返回时便放出光子，这种发光形式成为冷光 带进入导带，返回时便放出光子，这种发光形式成为冷光 1、荧光和磷光 hc λ= 荧光：电子直接跃迁，寿命10 荧光：电子直接跃迁，寿命10－8s Eg 另一种发光模式为磷光，是主要研究对象 另一种发光模式为磷光， 磷光：电子间接跃迁 磷光： hc λ= E g − Ed 激发后发光强度会逐渐降低， 激发后发光强度会逐渐降低，满足
磷光体组成：基体＋激活体 磷光体组成：基体＋ 1. 黑白电视荧光剂（阴极射线管激发源是电子，发光无颜色） 黑白电视荧光剂（阴极射线管激发源是电子，发光无颜色） 荧光灯： 惰性气体》单色紫外辐射》激发荧光剂（ 2. 荧光灯：汞＋惰性气体》单色紫外辐射》激发荧光剂（卤代 磷酸钙）发光 磷酸钙） 阴极射线管(激发源电子能量非常高) 3. 阴极射线管(激发源电子能量非常高) 雷达扫描显示器（ Mn，黄绿色光） 4. 雷达扫描显示器（Zn2SO4＋Mn，黄绿色光） 长余辉磷光体（夜间路标） 5. 长余辉磷光体（夜间路标）
•直接返回低能级（很少） 直接返回低能级（很少） 直接返回低能级 •衰变为亚稳态，然后返回基态 衰变为亚稳态， 衰变为亚稳态
受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发 受激辐射的光子有显著的特点， 光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、 光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、 偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子， 偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子， 就会出射两个完全相同的光子。 就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大 这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。 这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。 激光器把自然光转变为激光 激光器把自然光转变为激光 自然光转变为
综合描述材 料热探测性 能的物理量
属于直接带隙半导体， 属于直接带隙半导体，而且其 带隙随成分呈线性变化
Eg = f ( x)
X为汞的摩尔分数 1. MCT带隙随成分呈线性变化 MCT带隙随成分呈线性变化 2. 电子迁移率高 3. 膨胀系数与硅相近
PN结光电激发 PN结光电激发
缺点：技术复杂，成分难控制，低温工作， 缺点：技术复杂，成分难控制，低温工作，纯度要求极高
I t ln( ) = − τ I0
最初人们很难区分荧光和磷光，1658年Cellini最早 最初人们很难区分荧光和磷光，1658年Cellini最早 记录到磷光现象
本章关键词：光和固体的相互作用
磷光体： 磷光体：激发停止后一段时间内能发光的复杂晶体无机物质 实用磷光 体特征： 体特征： 高效 希望的反光颜色 适当的余辉时间 与集体的结合力强 激发源 紫外光 电子 X射线
激光器分类
• 固体：激活离子密度大，振荡频带宽，产生频谱窄 固体：激活离子密度大，振荡频带宽， 单色性好） （单色性好） • 液体 • 气体
Nd 3+ 离子激光器，为四能级激光器 离子激光器，
1、槛值低 是最强大的商用激光器
2、高效、长辐射受命 高效、 基体为SiO2，GeO2等，其中搀杂各种离子，称为掺杂型 基体为SiO 其中搀杂各种离子，