7第七讲 光功能与复合材料PPT课件
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ຫໍສະໝຸດ Baidu
一定加速电压下发射的连续 X射线的强度随波长的变化
示意图。
激发K电子和空位被L电子填
充而引起的特征X射线发射示
意图。KαX射线：L-K；KβX
射线：M-K。
14
光功能复合材料
光功能复合材料是指具有光学或光电功能特性的复合材料，它可以 由具有光功能特性的功能体与普通基体复合而成，也可以由具有光功 能特性的功能体与具有光功能特性的基体复合而成。
特点：单色性；准直性（collimation）
3
泵浦效率(pumping efficiency)和占据数反转 （population inversion） 在两能级体系中相互制 约，所以不会产生激光 行为。
测不准原理：
➢三能级激光：非辐射、声子辅
助的衰退用虚线表示，E2、E3分别是 高反转数和高泵浦效率的能级
✓蜡烛，白炽灯等
2
受激辐射（激光）(Stimulated Emission)
条件：电子占据数的反转，并且电子能够在高能态停留一定时间
产生过程：发射光子，能量
；发射的光子可以激励第二个
电子的到低能级，同时位相相干；最终大量的光子产生。
LASER: light amplification by stimulated emission of radiation
色彩图，其中一些商用的二极管被标出 9
液晶显示器
不发射光，依靠外部光照。
液晶显示器单元示意图（a）透光模式；（b）不通光模式，所 加电压改变了液晶分子的取向。
10
发射平板显示器（Emissive flat-panel displays）
电 致 发 光 器 件 ： 在 导 电 材 料 Al 和 ITO间加脉冲电压，电子注入到磷 光材料中，当电压超过一定值，电 子加速并激发磷光材料中活跃原子 如 ZnS 中 的 Mn 到 更 高 能 级 ， 电 子 跃回发生光子。 ZnS:Mn: 橘黄 ZnS:Tb和SrS:Ce：绿等
根据发光产生的原因，可分为：
➢光致发光； ➢场致发光：由于应用电场引起； ➢阴极发光(cathodoluminescence)：由于高能电子照射物体表面引起。
✓电视机屏幕（ZnS；掺银蓝色；掺铜绿色）
✓荧光灯：钨酸盐，硅酸盐；由于水银辉光放电产生的紫外光照射
✓电子显微镜的图像: 由于磷光剂，比如ZnS
缺点： ➢耐久性差：7-10年； ➢透明度差：玻璃透光率99%；玻璃钢最高90%。
16
影响玻璃钢透光率的因素：
➢玻璃纤维和黏结剂的折射率
折射率的差值越小，玻璃钢的透射率越大。
➢玻璃纤维和黏结剂的光吸收系数
材料本身的性质。另一方面在粒子体积含量不变时，散射随粒子尺寸成三次幂增 加。对于聚合物，若能将粒子尺寸减少至100nm，其散射强度将非常小。
➢透明玻璃钢的透光率高达85%-90%，与普通玻璃向近似，但他具 有足够的强度和刚度，特别是冲击强度优于玻璃，不像玻璃那样容 易自爆，是一种能采光又能承受载荷的多功能材料。 ➢透明玻璃钢的密度小于玻璃约为玻璃的60%-80%，同时使用时玻 璃钢可以很薄，如温室用玻璃5 mm，而玻璃钢为0.8-1.5 mm。 ➢透明玻璃钢属非均质透光材料，光线透过时能产生散射作用，而使 室内光线均匀。 ➢透明玻璃钢可按设计研究任意配色，使制品色泽鲜艳、美观 ➢透明玻璃钢成型工艺简便
透光功能复合材料
通常所说的透光复合材料主要指玻璃纤维增强透明基体的复合材料， 其透明基体可以是透明的聚合物、玻璃、单晶或玻璃陶瓷等。
透明玻璃纤维增强塑料，俗称透明玻璃钢是目前最常用的聚合物基透光 复合材料，它是以玻璃纤维（直径6-10μm）与不饱和聚酯或丙烯酸酯复 合而成的一种新型的采光材料。
15
透明玻璃钢性能的特点：
:
电子能带和直接带间跃迁
间接带间跃迁
带内跃迁
1
光的发射
自发辐射(Spontaneous Emission)
发光：由于电子从较高的能态跃迁到较低空能态而发射光子，同 时可能伴随热量的产生（声子）
根据电子跃迁所需时间，发射的光可分为： ➢荧光：纳秒或更快； ➢磷光：微秒或毫秒； ➢余晖：秒
磷光材料：ZnS, 钨酸盐；Zn过剩的ZnO, 许多有机物
晶体管换相器中的光波示意图，窗口的反射率大约90%。(a)形成干涉：腔体的长 度等于半波长的整数倍；(b)没有形成相干，前进波和反射波的总和降低了光强。
非线性光学材料：光强的变化 改变材料的折射率。
“AND”门
13
X射线
一束电子被强的电场向电极加速，会产生连续X射线和单色（特征）x 射线。连续x射线由于原子中电场减速电子而引起，特征 X射线依赖 于材料的电子结构如图所示。
等离子显示器件：和荧光灯类似。He/Ne气体等在较高的交流电压 下放电，产生等离子体，电子和离子的复合产生高能光子（如紫 外），被磷光剂吸收而发射可见光。
场发射显示器：和阴极射线管类似。通过尖端场发射发射电子， 然后打到磷光剂上发光。
11
光存储器件
12
光学计算机
晶体管换相器：具有小强度的一束光能够激发具有高强度光的发射。
6
300 K下一些三元和四元化合物半导体的晶格常数、 能隙、发射波长。二元化合物之间的线表示三元。
阴影表示间接带间跃迁。
7
同质结和异质结激光
量子阱激光
同质结二极管激光器的耗尽层附近声子分布示意图
活跃区包含n型掺杂GaAs层的双异质 结激光器的示意图
单量子点结构的能带结构
8
发光二极管（Light-Emitting Diodes (LED)） 原理和半导体激光类似，只是表面没有处理
正偏压下重掺杂半导体的能带示意图 和半导体激光器结构示意图
间接带隙半导体中的直接带间跃迁导致的 电子注入和声子参与的间接电子复合
➢直接带隙半导体材料比间接带隙 半导体具有高很多的发光效率。 ➢声子的参与使得电子复合时间变 长（0.25 s），此时间内电子和空 穴可以和材料内的缺陷态发生某 种非辐射的复合
➢四能级激光
4
He-Ne激光
（a）激光谐振腔示意图；（b）He和Ne的能级示意图。电子 在电场下加速，通过电子-原子碰撞激发He气，一些He能级与 Ne能级共振，通过共振能量传递使Ne原子激发，这使得电子 非常有效的注入到Ne的2s和3s能级（电子和Ne原子的直接碰 撞也有贡献）。
5
半导体激光
腔体包括重掺杂的 n-和p-型半导体材 料，如GaAs。在正 偏压下，在耗尽区 存在电子的反转
一定加速电压下发射的连续 X射线的强度随波长的变化
示意图。
激发K电子和空位被L电子填
充而引起的特征X射线发射示
意图。KαX射线：L-K；KβX
射线：M-K。
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光功能复合材料
光功能复合材料是指具有光学或光电功能特性的复合材料，它可以 由具有光功能特性的功能体与普通基体复合而成，也可以由具有光功 能特性的功能体与具有光功能特性的基体复合而成。
特点：单色性；准直性（collimation）
3
泵浦效率(pumping efficiency)和占据数反转 （population inversion） 在两能级体系中相互制 约，所以不会产生激光 行为。
测不准原理：
➢三能级激光：非辐射、声子辅
助的衰退用虚线表示，E2、E3分别是 高反转数和高泵浦效率的能级
✓蜡烛，白炽灯等
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受激辐射（激光）(Stimulated Emission)
条件：电子占据数的反转，并且电子能够在高能态停留一定时间
产生过程：发射光子，能量
；发射的光子可以激励第二个
电子的到低能级，同时位相相干；最终大量的光子产生。
LASER: light amplification by stimulated emission of radiation
色彩图，其中一些商用的二极管被标出 9
液晶显示器
不发射光，依靠外部光照。
液晶显示器单元示意图（a）透光模式；（b）不通光模式，所 加电压改变了液晶分子的取向。
10
发射平板显示器（Emissive flat-panel displays）
电 致 发 光 器 件 ： 在 导 电 材 料 Al 和 ITO间加脉冲电压，电子注入到磷 光材料中，当电压超过一定值，电 子加速并激发磷光材料中活跃原子 如 ZnS 中 的 Mn 到 更 高 能 级 ， 电 子 跃回发生光子。 ZnS:Mn: 橘黄 ZnS:Tb和SrS:Ce：绿等
根据发光产生的原因，可分为：
➢光致发光； ➢场致发光：由于应用电场引起； ➢阴极发光(cathodoluminescence)：由于高能电子照射物体表面引起。
✓电视机屏幕（ZnS；掺银蓝色；掺铜绿色）
✓荧光灯：钨酸盐，硅酸盐；由于水银辉光放电产生的紫外光照射
✓电子显微镜的图像: 由于磷光剂，比如ZnS
缺点： ➢耐久性差：7-10年； ➢透明度差：玻璃透光率99%；玻璃钢最高90%。
16
影响玻璃钢透光率的因素：
➢玻璃纤维和黏结剂的折射率
折射率的差值越小，玻璃钢的透射率越大。
➢玻璃纤维和黏结剂的光吸收系数
材料本身的性质。另一方面在粒子体积含量不变时，散射随粒子尺寸成三次幂增 加。对于聚合物，若能将粒子尺寸减少至100nm，其散射强度将非常小。
➢透明玻璃钢的透光率高达85%-90%，与普通玻璃向近似，但他具 有足够的强度和刚度，特别是冲击强度优于玻璃，不像玻璃那样容 易自爆，是一种能采光又能承受载荷的多功能材料。 ➢透明玻璃钢的密度小于玻璃约为玻璃的60%-80%，同时使用时玻 璃钢可以很薄，如温室用玻璃5 mm，而玻璃钢为0.8-1.5 mm。 ➢透明玻璃钢属非均质透光材料，光线透过时能产生散射作用，而使 室内光线均匀。 ➢透明玻璃钢可按设计研究任意配色，使制品色泽鲜艳、美观 ➢透明玻璃钢成型工艺简便
透光功能复合材料
通常所说的透光复合材料主要指玻璃纤维增强透明基体的复合材料， 其透明基体可以是透明的聚合物、玻璃、单晶或玻璃陶瓷等。
透明玻璃纤维增强塑料，俗称透明玻璃钢是目前最常用的聚合物基透光 复合材料，它是以玻璃纤维（直径6-10μm）与不饱和聚酯或丙烯酸酯复 合而成的一种新型的采光材料。
15
透明玻璃钢性能的特点：
:
电子能带和直接带间跃迁
间接带间跃迁
带内跃迁
1
光的发射
自发辐射(Spontaneous Emission)
发光：由于电子从较高的能态跃迁到较低空能态而发射光子，同 时可能伴随热量的产生（声子）
根据电子跃迁所需时间，发射的光可分为： ➢荧光：纳秒或更快； ➢磷光：微秒或毫秒； ➢余晖：秒
磷光材料：ZnS, 钨酸盐；Zn过剩的ZnO, 许多有机物
晶体管换相器中的光波示意图，窗口的反射率大约90%。(a)形成干涉：腔体的长 度等于半波长的整数倍；(b)没有形成相干，前进波和反射波的总和降低了光强。
非线性光学材料：光强的变化 改变材料的折射率。
“AND”门
13
X射线
一束电子被强的电场向电极加速，会产生连续X射线和单色（特征）x 射线。连续x射线由于原子中电场减速电子而引起，特征 X射线依赖 于材料的电子结构如图所示。
等离子显示器件：和荧光灯类似。He/Ne气体等在较高的交流电压 下放电，产生等离子体，电子和离子的复合产生高能光子（如紫 外），被磷光剂吸收而发射可见光。
场发射显示器：和阴极射线管类似。通过尖端场发射发射电子， 然后打到磷光剂上发光。
11
光存储器件
12
光学计算机
晶体管换相器：具有小强度的一束光能够激发具有高强度光的发射。
6
300 K下一些三元和四元化合物半导体的晶格常数、 能隙、发射波长。二元化合物之间的线表示三元。
阴影表示间接带间跃迁。
7
同质结和异质结激光
量子阱激光
同质结二极管激光器的耗尽层附近声子分布示意图
活跃区包含n型掺杂GaAs层的双异质 结激光器的示意图
单量子点结构的能带结构
8
发光二极管（Light-Emitting Diodes (LED)） 原理和半导体激光类似，只是表面没有处理
正偏压下重掺杂半导体的能带示意图 和半导体激光器结构示意图
间接带隙半导体中的直接带间跃迁导致的 电子注入和声子参与的间接电子复合
➢直接带隙半导体材料比间接带隙 半导体具有高很多的发光效率。 ➢声子的参与使得电子复合时间变 长（0.25 s），此时间内电子和空 穴可以和材料内的缺陷态发生某 种非辐射的复合
➢四能级激光
4
He-Ne激光
（a）激光谐振腔示意图；（b）He和Ne的能级示意图。电子 在电场下加速，通过电子-原子碰撞激发He气，一些He能级与 Ne能级共振，通过共振能量传递使Ne原子激发，这使得电子 非常有效的注入到Ne的2s和3s能级（电子和Ne原子的直接碰 撞也有贡献）。
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半导体激光
腔体包括重掺杂的 n-和p-型半导体材 料，如GaAs。在正 偏压下，在耗尽区 存在电子的反转