材料现代分析与测试 第六章 材料光学性能分析汇总

第六章 材料光学性能分析第一节 透射光谱和吸收光谱材料的光学性能主要包括对光的折射、反射、吸收、透射以及发光等诸多方面，光学性能与材料的某些应用领域密切相关，比如用作反射镜、光导纤维窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光探测器件等。

鉴于篇幅，本章着重介绍折射率、色散、透过、吸收以及激发、发射、亮度、效率等发光性能的测试。

一、基本概念光作为一种能量流，在穿过介质时，能引起介质的价电子跃迁或影响原子的振动而消耗能量。

即使在对光不发生散射的透明介质如玻璃或水溶液中，光也会有能量的损失，即光的吸收。

1.吸收光谱设有一厚度为x 平板材料，入射光强度设为I 0，通过此材料后光强度为I ′。

选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸收损失-dI 正比于此处光强度 I 和薄层厚度dx ，即:则可得到光强度随厚度呈指数衰减规律，即朗伯特定律：α为物质对光的吸收系数，单位为cm-1。

α的大小取决于材料的性质和光的波长。

对于相同波长的光波，α越大，光被吸收得越多，能透过的光强度就越小。

α随入射光波长(或频率)变化的曲线，叫作吸收光谱。

2.透射光谱透光性是表征材料被光穿透能力的高低，透光性的好坏可用透过率指标T 来衡量。

透过率T 是指光通过材料后，透过光强度占入射光强度的百分比。

剩余光强度应是从初始入射光强度I 0中扣除造成光能衰减的表面上的反射损失、试样中的散射损失和吸收损失等。

一般地，反射、吸收和透过的关系可用下式表示：dI I dx α-=⋅⋅'0xI I e α-=⋅2(1)exp()T R d α=--⋅T——透过率；R——反射系数；α——吸收系数；d——试样厚度，单位cm。

透过率T随波长变化的曲线即称为透射光谱曲线。

透射光谱曲线可用分光光度计来测定。

光强的大小用光透过试样照到光电管上产生的电流的大小来表示。

某个波长的光通过空气（作为空白样）后的光强设为I0，再通过一定厚度的试样后的光强设为I′，即可通过I′/ I0得到针对该波长的透过率Tλ，如此依次测得其他各波长的透过率就可得到透过率T随波长变化的透射光谱。

二、光谱测试1.测试仪器：分光光度计图6-1 721型分光光度计的光学系统示意图1—光源2, 8—聚光透镜3—反射镜4—狭缝5, 12—保护玻璃6—准直镜7—色散棱镜9—比色皿10—玻璃试样11—光门13—光电管2.透射光谱测试由光源发出的连续辐射光线，经过聚光透镜汇聚到反射镜，转角90°反射至狭缝内。

由此入射到单色器内准直镜的焦面上，被反射后，以一束平行光射向色散棱镜（棱镜背面镀铝），光在棱镜中色散，入射角在最小偏角时，入射光在铝面上反射后按原路返回至准直镜，再反射回狭缝，经聚光透镜再次聚光后进入比色皿中，透过试样到光电管。

光电管所产生的电流大小表示试样的透过率，直接从微安表读出，从而可得T—λ曲线，即透射光谱。

图6-2 ZnSe晶体的透过率曲线3．吸收光谱测试若试样为粉末状，精确测量粉末试样的吸收光谱存在很大困难，由于粉末层足够厚时，透射很少，可以忽略，光在粉末中通过无数次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射那一侧，因此通常通过测试其反射光谱来粗略地估计他们对光的吸收。

Rλ为被测材料的反射系数，可以认为散射、透射很小，则吸收系数α近似等于（1-Rλ），这样，就可以通过测量材料表面对各波长入射光的反射率来确定其吸收光谱。

图6-3 Cr3+: Al2O3透明陶瓷的室温吸收光谱第二节荧光材料的光谱特性一、激发光谱与发射光谱1.激发光谱与发射光谱概念发光材料的发射光谱（也称发光光谱）是指发光的能量按波长或频率的分布。

由于发光的绝对能量不易测量，通常实验测量的都是发光的相对能量，因此在发光光谱图中，横坐标为波长（或频率），纵坐标为单位波长间隔（或单位频率间隔）里的相对能量（相对强度）。

激发光谱是指发光的某一谱线或谱带的强度随激发光波长（或频率）变化的曲线，横轴代表激发光波长，纵轴代表发光的强弱。

发光材料在指定方向的单位立体角内所发出的光通量称为发光材料在该方向的发光强度，简称光强，单位为坎德拉（cd）。

2.激发光谱与发射光谱测试发光光谱和激发光谱通常使用荧光分光光度计测量。

光源多选用氙灯。

激发单色仪用于选择激发光源的波长和调节激发光源的发射能量。

发射单色仪用来测量材料发光的波长，精度比激发单色仪高。

所使用的光电倍增管要求其波长响应范围宽、灵敏度高。

由光源发出的光，通过激发单色仪后变成单色光，而后照在荧光池中的被测样品上，由此激发出的荧光被发射单色仪收集后，经单色器色散成单色光而照射在光电倍增管上转换成相应的电信号，再经放大器放大反馈进入A/D转换单元，将模拟电信号转换成相应的数字信号，并通过显示器或打印机显示记录下被测样品的谱图。

以上就是荧光分光光度计的基本工作原理。

荧光分光光度计的工作原理如所示：图6-4荧光分光光度计工作原理图二、亮度1.概念亮度：发光材料在指定方向上的单位投影面、单位立体角中发射的光通量称为发光材料在该方向的亮度。

单位：cd/m2。

光通量：发光材料的辐射通量对人眼引起的视觉强度称为光通量，单位为流明（lm）。

光通量实质上就是用眼睛来衡量光的辐射通量。

辐射通量：光材料在单位时间内所辐射的能量。

单位：W2.亮度测量图6-5亮度计原理示意图图中，O——物镜，P——带孔反射板，H——小孔，F——滤光片，D——探测器，FD的组合使D的光谱灵敏度和人眼视觉函数V（λ）一致。

I/V——交换器，A——放大器，R——显示器。

图的上部由反射镜P′和目镜系统E组成，用于观察和对准被测目标。

表6-1 国内外几种亮度计的主要性能指标三、余辉特性（1）光致发光材料在激发光停止后，仍可持续发光，但发光强度逐渐减弱，直到完全消失，这一过程就是发光衰减。

激发停止后所持续发出的光称为余辉。

（2）余辉持续的时间称为余辉时间。

习惯上，把激发停止后发光亮度降至人眼可辨认最小值（0.32mcd/m 2）的这段时间称为余辉时间。

（3）光致发光材料都具有余辉特性，只不过是衰减快慢、余辉长短不同而已，甚至差别很大。

发光衰减特性可以用余辉衰减曲线表示。

余辉衰减曲线是指激发停止后发光强度（或相对强度）随时间变化的曲线。

发光衰减特性若发光衰减是指数式，表示：式中B 是激发停止后t 时间的发光亮度；B0是t=0时的发光亮度；a 是一常数。

若发光是双曲线式的衰减，表示：其中a 、b 是常数，a ＜2。

余辉衰减曲线表示：横轴为时间，纵轴为相对发光亮度。

激发作用刚停止时的时间为零、亮度最大，随时间延长亮度逐渐降为零。

直观，较为常用。

目前文献中所给出的余辉时间数据，多是指激发停止后发光亮度下降到起始发光亮度10％所经过的时间。

激发停止后发光强度随时间变化的曲线。

横坐标为时间，纵坐标为发光强度(或相对发光强度)。

02004006008001000020406080100120140160i n s t e n s i t y /a .u .t/s图6-6绿色长余辉材料SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ 的余辉衰减曲线根据余辉时间的长短，可对发光材料进行以下分类：极长余辉 余辉时间大于1秒；长余辉 余辉时间小于1秒大于10-1秒；中余辉 余辉时间小于10-1秒大于10-3秒；ate B B -⋅=0b ta B B +=0短余辉 余辉时间小于10-3秒大于10-6秒；超短余辉 余辉时间小于10-6秒。

长余辉发光材料余辉时间的测量比起短余辉材料要简单、容易得多，其测试装置由激发光源、样品盘、亮度计、数据处理系统等组成。

图6-18是蓝色长余辉材料CaAl 2Si 2O 8:Eu 2+的余辉衰减曲线。

由图可知：衰减曲线由三个衰减寿命组成，并且它们之间相差较大，可能来自三个不同能级之间的跃迁，从而证明材料中至少存在三个不同Eu 2+的发光中心[12]。

图6-18 CaAl 2Si 2O 8:Eu 2+的余辉衰减及拟合曲线四、发光效率发光材料的发光效率通常有三种表示方法：即量子效率q η，能量效率（或功率效率）p η和流明效率（或光度效率）l η。

量子效率q η是指发光材料发射的光子数N 发光与激发时吸收的光子数N 吸收之比，即：q N N η=发光吸收（6-20） 但我们知道，一般总有能量损失，激发光光子的能量通常大于发射光光子的能量，尤其是当激发光波长比发光波长短很多时，这种能量损失（斯托克斯损失）会很大。

然而量子效率不能反映发光材料在被激发和发光过程中的能量损失，比如用254nm 紫外光激发某一发光材料产生550nm 的绿色可见光发射，该过程的量子效率可高达90%以上，但是激发能量却相应损失50%以上。

为此要引入能量效率定义。

能量效率p η是指发光材料发光的能量与吸收的能量之比，即：p E Eη=发光吸收（6-21）作为发光材料或发光器件发出的光来说，总是作用于人眼的。

人的眼睛只能感觉到可见光，而且在可见光范围内，对于不同波长的光的敏感程度也是差别极大的。

人眼对不同波长的光的反应可用光谱光效能K(λ)表征，K(λ)表示在某一波长的单位功率可产生多少流明的光通量。

在可见光光谱范围内，K(λ)随波长λ变化而变化。

人眼在几个尼特（cd/m2）以上的强光环境下的亮适应所形成的视觉称为明视觉，在百分之几尼特的弱光环境下的暗适应所形成的视觉称为暗视觉。

在明视觉条件下，经过实验测试人眼对波长为555nm的黄绿光最敏感，即λ=555nm时K(λ)达到最大值，可用K m表示。

对K m值进行归一化，其他波长的K(λ)与K m 之比值V(λ)就称为视见函数。

在暗视觉条件下，人眼对波长为507nm的绿光最敏感。

不同波长光波的视觉颜色对人眼的视见函数的明视曲线和暗视曲线如图6-19所示。

图6-19人眼视见函数的明视曲线和暗视曲线（A—明视曲线；B—暗视曲线）显然，能量效率很高的发光材料发出的光，人眼看起来不见得很亮。

因此，用人眼来衡量某一发光材料的发光效果时，就必须引进另一个发光效率定义，即流明效率。

流明效率lη是指发光材料发射的光通量L（以流明为单位）与吸收的总功率之比，即：lL Pη=吸收（6-22）对于光致发光来说，如果激发光是单色或接近单色的，波长为λ吸收，发射光也是单色或接近单色的, 波长为λ发射, 则能量效率和量子效率之间的关系可推导如下： p q q E N h E N h λννηηηννλ⋅===⋅=⋅⋅吸收发光发光发光发光吸收吸收吸收吸收发射对于大多数光致发光材料（上转换发光材料除外）来说，λ吸收＜λ发射，由上式可知，能量效率要比量子效率低。

下面介绍一种发光材料能量效率的测试方法。

直接测量粉末发光材料的吸收能量，在实验技术上是无法做到的，通常是通过测量反射能量的方法，来得到吸收能量值。

图6-20是测量能量效率的实验装置示意图[13]。