功能材料PPT系列：光学材料

（红外发射率要尽量低）
主要应用:红外光学仪器透镜、棱镜、调制盘、整流罩。
＊红外成像技术是把人眼看不到的红外信号转换成可见光信号，
实现夜视功能。但若使可见光也能透过，则背景和目标物的 光亮度差别不大，使得图像不清楚，甚至无法成像。
4.光纤材料
什么是光纤？
按光学材料的分类，属于光介质？光功能材
现实中的发光现象
夜明珠
通常“在黑暗中发光”的材料都是磷光性材料，属于长余辉材料。
闪电：正负极电压大到使气体电离，产生导电电路，正负电荷中和，
释放能量。
地光：磁场异常使大气放电
放射性物质流在低空引起大气电离
极光：
太阳放射出的无数带电微粒进入地球磁场的范围时，受后者的影响， 沿地球磁力线高速进入到南北磁极附近的高层大气中，与氧原子、 氮分子等质点碰撞，使它们激发，由此产生极光。
发光中心受激后，电子从基态G跃迁到高能级A，吸
收外界能量；
当电子由Ａ回到Ｇ态时对外辐射光子，即发光。
若受激发电子不受外界因素影响，只决定于内部电
场，则称为自发发光；
若受激发电子只有在外界因素影响下才发光，则称
为受迫发光(受激发光)。
受迫发光
特征：发射过程分为两个阶段(如图)。
受激电子M
原位复合发光
双分子复合发光
V
发光材料的特性
一般而言，对发光材料的特性有三个要求： １.发光颜色：可用发射光谱进行表征，对应谱峰的波长就是 发光的颜色。一般说来其波长大于吸收光谱的波长。
图5.9 发光材料的发射光谱和吸收光谱
发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越窄，发光
材料的单色性越好，反之亦然。 将谱峰1/2高度时缝的宽度称作半宽度，依照发射峰的半宽度 可将发光材料还分为3种类型：
体呈深红色，即红宝石，均可以吸收可见光。
晶体呈红色，表示什么意思？ 吸收红光？还是吸收其他波长的光波？
1.发光材料
发光：一般用来描述某些固体材料由于吸
收能量而随之发生的发射光现象。是一种 物体把吸收的能量不经过热的阶段，直接 转换为特征辐射的现象。
发光机理：单分子过程、双分子过程
单分子过程发光
颜色坐标图
２.发光效率
发光材料的另一重要特性是发光强度，它随激发强度而改
变。材料的发光本领通常以发光效率表征，有3种表示方法：
量子效率：发射物质辐射的量子数N发光与激发光源输入的量子数N吸收（若
是光致发光Ｎ为光子数；如系电子发光Ｎ为电子数，余类推）的比值。 B量子 = N发光 / N吸收 能量效率：发光能量与激发源输入能量之间的比值。 B量子 = E发光 / E吸收 光度效率：发光的流明数与激发源输入流明数的比值。 B量子 =光度发光 / 光度吸收
光学材料
主讲：刘守华 课件制作：刘守华
光功能材料
固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相
互作用。 包括：晶体对光辐射的反射和吸收 晶体在光作用下的发光
光在晶体中的传播和作用
„„等
定义

根据光与材料的相互作用时产生的不同物理效应可将其分为光介质材料
和光功能材料。

光介质材料：用以输送光线的材料，以折射、反射和透射方式，改变光 线的方向、强度和位相，使光线按预定的要求传输，也可以吸收或透过
常温远红外线的辐射机理

T>0K(- 273℃)， 物体中的电子振动或激发，就会向外放出辐射能。振
动随温度的升高而增加，并使许多粒子发生冲撞，冲撞的结果使电子得
到能量变成了激发态，向较高的能位跃迁。

但电子的这种高能位是不稳定的，随时有回复原位的趋势。电子每往回
跳一次就会产生一个量子能，向外辐射出能量。对于具有高红外辐射能
来的介质中去，称为光的全反射。
全反射的条件
反 射 镜 闪烁灯 开关 激光束
相干辐射脉冲强度变大。
红宝石
红宝石激光器的设计
激光的特点：
相干性好
方向性好
光亮度高
单色性纯
3.红外材料
红外辐射材料
理论上只要T>0K，物体均可对外辐射红外线，
故红外线是一种热辐射。
但工程上，红外辐射材料仅指能吸收热物体辐 射而发射大量红外线的材料。
激活剂：决定激光的光谱特性
激光产生过程（以红宝石激光器为例）
E3 快速无辐射跃迁
红宝石中Cr3＋的能级属三能级系统 在泵浦源（脉冲氙灯）未工作前，处于热平衡态，
泵 浦 跃 迁
自 发 辐 射
E2 自 发 辐 射
受 激 辐 射
hν≈E2-E1
E1
铬离子的能级分布服从玻尔兹漫分布，几乎全部处于基态E1上(N1>N2>N3)。
一定波长的光线而改变光线的光谱成分。

光功能材料：在电、声、热、磁、压力等外场作用下，其光学性质能发 生变化或在光的作用下其结构和性能能发生变化的材料。
固体的光吸收
基础吸收或固有吸收： 绝缘体和半导体的能带结构如图所示，
导带
价带为满带
导带为空带
导带和价带之间存在一定宽度的禁带，其 中不允许电子占据
缺陷存在时晶体的光吸收
晶体的缺陷有本征的，如间隙原子和空位，也有非本 征的，如杂质等。
这些缺陷的能级定域在价带和导带
之间的能隙之中。当材料受到光照时， 受主缺陷能级接受价带迁移来的电子， 而施主能级上的电子可以向导带迁移， 这样就使原本不能发生基础吸收的物质
导带
施主能级
能隙(禁带）
受主能级
由于缺陷存在而发生光吸收，因此呈现
能隙 （禁带）
在固体受到光辐射时，如果辐射光子的
能量太小，不足以使电子由价带跃迁至导 带，那么晶体就不被激发，也不会发生对
价带
光的吸收。
例：离子晶体的禁带宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的 能量。
纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发
生光吸收，都是透明的。 碱金属卤化物晶体对透波区域可由~25μm到250nm，相当于 0.05~5ev的能量。但当有足够强的辐射(如紫光)照射离子晶体 时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样 就发生了光吸收，晶体就会失透。 这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收 或固有吸收。
h－普朗克常数6.63×10-34 J· s，c为光速。
如前所述，在晶体中引入杂质离子后，由于杂质缺陷能级位于禁带之 中，使能带间的能隙小于Eg，吸收限往往落在可见光区，结果发生固体的
杂质光吸收。
例： Al2O3晶体中Al3+和O2-离子的基态能级为填满电子的的封 闭电子壳层，其能隙为9ev，它不可能吸收可见光，所以是 透明的。 若0.1% 的Cr3+ 时，晶体呈粉红色，掺入 1% 的Cr3+ 时，晶
泵浦源灯点亮，电子吸收辐射能从E1向E3跃迁。由于选择定则的限制，E3上的电子
不稳定，多数经快速无辐射跃迁转移到E2上。E2上的电子寿命较长，只要脉冲氙灯的 光能密度足够强，就会出现E2和E1能级上的电子数反转，即N2>N1。
引入一个v＝(E2-E1)/h的光子，E2上的一个电子就会受其感应而向E1跃迁，同时向
注意：
白炽灯为连续光谱，而日光灯则为单色光谱，因
此在日光灯下看到物体颜色发生改变，而白炽灯虽
然颜色发暗，但颜色却很真实。
日光灯壁上的荧光粉为中长余辉材料，所以在电
源切断后，仍会发一短时间的光。
2.激光材料
Laser －“Light amplification by stimulated emission of radiation”首写字母的缩写，意为 受激发射光放大。
料？
光纤的结构
纤：细，可我们看到的光纤都是粗管子？
内层材料（芯料）+包层材料（涂层）
为保护其不受损坏，最外面再加一层塑料套管。
1).光在光纤中传播的基本原理
折射定律： sin 1 n 2
sin 2 n1
由上式得，入射角 ，折射角 。
折射角=90°时，这时入射光线全部返回到原

三基色原理 自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之， 这些彩色也可以分解成三基色； 三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基 色混合得到； 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定；混合色的亮度是三
基色亮度之和。
另外，任一种颜色都有一个相应的补色。即：它与某一颜色以适当比 例混合时，可产生白色。例：红、绿、蓝的补色分别是青、紫、黄。
白炽灯和日光灯
白炽灯发光：利用热效应发光。
日光灯发光：图绘出了荧光灯的构造示意图。通电后，
汞原子受到灯丝发出电子的轰击，激发到较高能态。
当它返回到基态时便发出波长为254和185nm的紫外
光，涂在灯管内壁的磷光体受到紫外光辐照，就随之
玻璃壳 磷光体料涂层
发出白光。
185nm
Hg
254nm
白光
图5.17 日光灯的构造示意图
外辐射一个与入射光子相同的光子，这就是所谓的受激辐射。
这对光子在红宝石中传播会激发出另外两个相同的光子，实现一次光放大。当这些光
子向红宝石外传播时，由光学谐振腔的反射作用，只有沿腔轴方向传播的光被反射回 来再次通过红宝石，光又一次被放大。如此反复被多次放大最后形成一束极强的相干 光(激光)。
红宝石激光器的主体是一根长数百厘米、直径1-2厘米的 红宝石晶体棒，周围环绕着闪烁灯，还可以在两侧也装上灯， 使得它从各方向都受到有效的辐照。 棒的一个侧端装有1个镜子，使得发出光又返回棒中。另 一侧端装有Q阀。实际上是个可旋转的的镜子，既可允许激 光束从系统中射出，又可将光束返回棒中，只有当光束强度 达到最佳要求时才被发射出来。 激光束在棒中往返通过，形 成了更多的活化中心，就使初始
G;
且M上的电子也不是直接有Ｇ上跃迁而来，而是先由G跃迁
到Ａ，再到Ｍ。即：
1 2 G A M （亚稳态）
第一阶段：热起伏，即 M A
Ａ 泵 浦 跃 迁 自 发 辐 射
快速无辐射跃迁 Ｍ
第二阶段：由Ａ来自百度文库
Ｇ
自 发 辐 射
受 激 辐 射
hν≈E2-E1
Ｇ
双分子过程发光
激光的产生
激光的产生：激光器
激光器的组成：泵浦源(用以提供能量) 激光工作物质(核心构件) 光学谐振腔 激光工作物质：可以是固体、液体和气体，其中又以 固体最为重要，相应的激光器叫固体激光器。
固体激光工作物质
构成
基质材料 ＋
激活剂（少量添加剂）
基质材料：决定激光器的理化特性
可选物质：晶体、玻璃
３. 发光持续时间
依发光持续时间长短，可将发光分为荧光和磷光： 荧光(Fluorescence)：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为<10-8秒。只要光源 一离开，荧光就会消失； 磷光(Phosphorescence)：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。 物质发光的持续时间的另一种表示法是余辉。 余辉：当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到10%时，所经历的时间称余 辉时间，简称余辉。 根据余辉可将发光材料分为六个范围： 极短余辉 中短余辉 长余辉 <1μs 10-2~1ms 0.1~1s 短余辉 中余辉 极长余辉 1~10μs 1~100ms >1s
一定的颜色。
价带
无机离子固体的光吸收
无机离子固体的禁带宽度较大，一般为几个电子伏特，相当于紫外光 区的能量，故对可见光到红外光，能量不足以使其电子越过能隙，由价带 跃迁至导带，晶体不被激发，不发生光的吸收，晶体都是透明的。 当紫外光辐照晶体时，就会发生光的吸收，晶体变得不透明。禁带宽 度Eg和吸收波长λ的关系为 Eg = hν= hc/λ
材料吸收能量发生跃迁，产生电子－空穴对；
电子和空穴相遇就可复合并释放能量（光），即为复合发光。
复合发光可以在一个发光中心上直接进行，即原位复合，这
叫做单分子过程； 如果电子在脱离原来的发光中心后，在导带中移动了一定的距 离后遇到其他发光中心(空穴）复合发光，呈双分子过程。
激发
C
Eg

Eg h
宽带材料：半宽度~100nm，如CaWO4； 窄带材料：半宽度~50nm，如Sr(PO4)2Cl：Eu3+； 线谱材料：半宽度~0.1nm，如GdVO4)：Eu3+；
半宽度
图5.10 发射峰的半宽度
三基色原理

单一波长和波谱宽度小于5nm的光称为单色光。含有两种或两种以上波
长成分的光称为复合光，复合光使人眼产生混合色。
力的材料，辐射能以红外线的形式输出。
当T 0，EA E2 当T 0，Ｅ 1 =E C
这说明，常温（内能不变）远红外材料从外界 吸收能量，而后以红外线形式对外输出能量， 保持能量守恒。
EA E1 E2 EC
材料
外 界
透红外材料
性质要求:对红外线有较高的透过率，一般>５０％;
透过的短波限要低＊，透过的频带要宽。