光学材料的研究现状及应用

光学材料的研究现状及应用

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发光材料已成为人们日常生活中不可缺少的材料,被广泛地用在各种显示、照明和医疗等领域,如电视屏幕、电脑显示器、X射线透射仪等,显微镜、望远镜、经纬仪、摄像机等各种光学仪器,核心部分都是由光学材料制造的光学零件。目前发光材料主要是无机发光材料,从形态上分,有粉末状多晶、薄膜和单晶等。

一、引言

光充满着整个宇宙,各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星光。要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料。

自然中存在一些天然光学材料：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，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。

光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。

光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料和光色材料等。

二、研究现状及主要应用领域

1.发光材料

发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光向外辐射的过程，是热辐射外另一种能量辐射现象。光子是电子在受激高能态返回低能态时发出的,当发出光子能量在1.8-3.1eV时，便是可见光。而材料发光所需能量可从较高能量的电磁辐射(如紫外光)中得到，也可从高能电子或热能、机械能和化学能中得到。

发光材料是指吸收光照，然后转化为光的材料。发光材料的晶格要具有结构

缺陷或杂质缺陷，材料才具有发光性能。结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷，由其引起的发光称为自激活发光，所以制备发光材料采用合适的基质十分重要。如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格中形成杂质缺陷，由其引起的发光叫激活发光，掺入的微量杂质一般都充当发光中心，称为激活剂。我们实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。

根据发光类型，可以把发光材料分为光致发光材料、阴极射线发光材料、电致发光材料、X射线发光材料、发光二极管等。

1.1光致发光材料

发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。光致发光材料一个主要的应用领域是照明光源，包括低压汞灯、高压汞灯、彩色荧光灯、三基色灯和紫外灯等。其另一个重要的应用领域是等离子体显示。光致发光粉是制作发光油墨、发光涂料、发光塑料、发光印花浆的理想材料。光致发光材料在安全方面上的应用是其最为普遍的。在安全方面，光致发光材料可用作安全出口指示标记、撤离标记等。其次用光致发光材料制作精美产品，一些不属安全标志的产品,T恤衫、宣传品、儿童玩具、小标签等可以利用光致发光材料进行装饰印刷。

1.2阴极射线发光材料

阴极射线发光是在真空中从阴极出来的电子经加速后轰击荧光屏所发出的光。所以发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。又由于电子的能量在几千电子伏以上，所以除发光以外,还产生X射线。X射线对人体有害,因而在显示屏的玻璃中常添加一些重金属(如Pb)，以吸收在电子轰击下荧光屏所产生的X射线。阴极射线发光是继发光二极管、无机电致发光、有机电致发光之后的第四种发光形式。这是一类在阴极射线激发下能发光的材料。用电子束激发时，其电子能量通常在几千电子伏特以上甚至几万电子伏特，而光致发光时，紫外线光子能量仅5-6eV甚至更低，而光致发光材料在电子束激发下都能发光，甚至有些材料没有光致发光，但却有阴极射线发光。

阴极射线发光材料一般用于电子束管用荧光粉，它是发光材料中产量仅次于灯用荧光粉的一种产量较大的荧光粉。它除用于电视、雷达、示波器、计算机终端显示的荧光屏之外，还用于商用机器、光学字体辨认、照相排版、医学电子仪器、飞机驾驶舱表盘等。

1.3 电致发光材料

电致发光(电场发光，EL)是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象，也就是电能转换为光能的现象，在消费品生产中有时被称为冷光。具有这种

性能的物质可作为一种电控发光器件。一般它们是固体元件，具有响应速度快、亮度高、视角广的特点，同时又具有易加工的特点，可制成薄型的、平面的、甚至是柔性的发光器件。目前电致发光的研究方向主要为有机材料的应用。

商业领域：主要应用在POS机和ATM机、复印机、自动售货机、游戏机、公用电话亭、加油站、打卡机、门禁系统、电子秤等产品和设备的显示屏。

消费类电子产品：主要应用有装饰用品(软屏)与灯具、各类音响设备、计算器、数码相机、数码摄像机、便携式DVD、便携式电视机、电子钟表、掌上游戏机、各种家用电器(OLED电视)等产品的显示屏。

工业应用场合：主要应用有各类仪器仪表、手持设备等的显示屏。

通信领域;主要应用有3G手机、各类可视对讲系统(可视电话)、移动网络终端、e-book(电子图书)等产品的显示屏。

交通领域:主要应用有GPS、车载音响、车载电话、飞机仪表和设备等各种指示标志性的显示屏。如微显示器,这种技术最早用于战斗机飞行员,现在的穿戴式电脑也用它。有了它,移动设备就不再受显示器体积大、耗电多的限制。

1.4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。

发光二极管和器件已实现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色的生产和应用，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。发光二极管的发光效率也提高上千倍。使用GaN基材料的二极管，可发出高亮度的白光，在20mA的电流下，发光强度达到2Cd，能作为强光源使用。

发光二极管也可做成指示器和数字显示器，用于计算机、广告、家用电器、车辆、交通信号等仪器仪表的显示中。

1.5 X射线激发发光材料

在X射线照射下，发光材料可发生康普顿效应，也可吸收X射线，它们都可产生高速光电子。光电子又经过非弹性碰撞，产生下一代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需能量时，就可发出光。

X射线发光材料可使X光转换为可见光，并显示成像。它可将X射线透过人体或物体后所形成的X射线潜像转换成可见图像，既可用肉眼观察，也可用胶片照相，还可用光电器件将它转换成电信号后再处理。主要用于X射线远视及照相还有由X射线像增强器和电视组成的X射线显示系统，X射线扫描及计算机配合组成断层分析系统也就是常说的CT系统。

2.红外光学材料