第六章光學材料第1頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第2頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第3頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第4頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三一、螢石的基本性質

（一）礦物名稱

螢石（Fluorite）。

（二）化學成分

CaF2，含雜質較多，Ca常被Y和Ce等稀土元素替代，此外還含有少量的Fe2O3，SiO2和微量Cl，O3，He等。

（三）晶系及結晶習性

螢石為等軸晶系。單晶主要為立方體，少數為菱形十二面體、八面體。立方體晶面上常出現(xiàn)與棱平行的網格狀條紋，集合體為粒狀、晶簇狀、條帶狀、塊狀等。

（四）光學性質

1．顏色

純凈的螢石為無色，但因含有較多Y、Ce、Ca等元素，造成螢石結構空位，產生色心而致色，常見的顏色有淺綠色至深綠色，藍、綠藍、黃、酒黃、紫、紫羅蘭色、灰、褐、玫瑰紅、深紅等第5頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射激光原理第6頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第7頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第8頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第9頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第10頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第11頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第12頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第14頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三Nd:GlassNd:YAGNd:YVO4Nd:LSBNd:YLFRuby激光晶體第15頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

激光炮第16頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

激光炮原理第17頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

第18頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三發(fā)明了被譽為“中國牌晶體”的非線性光學晶體BBO、LBO。其中BBO晶體獲1986年度中科院科技進步特等獎，LBO晶體獲1990年度中科院發(fā)明壹等獎，1991年度國家發(fā)明壹等獎。BBO、LBO晶體還分別于1987、1989年獲美國光電子產業(yè)界頒發(fā)的十大光電子產品獎。陳創(chuàng)天本人也先后獲得1987年度第3世界科學院化學獎，1990年激光集錦（LaserFocusWorld）雜志頒發(fā)的工業(yè)技術成就獎人工晶體陳創(chuàng)天第19頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三偏硼酸鋇BBO晶體人工晶體第21頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三BBO晶片第22頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三LBO四硼酸鋰晶體適于用作聲表面波器件和體波器件的溫度補償型基片材料，特別是甚高頻和超高頻器件。

第23頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三BTO鈦酸鋇晶體鈦酸鋇晶體光折變晶體在光的全息存儲、光通訊、圖象處理、激光器頻率鎖定、光學神經網絡以及干涉儀方面有著很大的應用潛力。

第24頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三紅外材料可怕的紅外鏡片

第25頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第26頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第27頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第28頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第29頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第30頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第31頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第32頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三拿一般家用電器的紅外線遙控器對著相機鏡頭按下遙控器按鍵,同時從相機的LCD或EVF看是否可見明亮光點,如果遙控器上的紅外燈的光點明顯可見那就是好消息了。第33頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第36頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第38頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第39頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第40頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第41頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三第42頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三《光頻率的介質纖維表面波導》光纖之父高錕光纖材料第43頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三以玻璃制造一條比頭發(fā)還要纖幼的光纖，代替體積龐大的千百萬條銅線，作為傳送容量幾近無限的信息傳送管道。第44頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三光纖材料

20世紀60年代發(fā)現(xiàn)了激光，這是人們期待已久的信號載體。要實現(xiàn)光通訊，還必須有光元件、組件及信號加工技術和光信號的傳輸介質。1966年英國標準電信實驗室(STL)的中國科學家高錕(K．C．Kao)發(fā)表論文，論證了把光纖的光學損耗降低到20dB／km以下的可能性（當時光纖的傳輸損耗約為1000dB／km），預測光纖通訊的未來，被譽為光纖通訊的先驅。1970年，美國康寧玻璃公司拉制出世界第一根低損耗光纖，這是一根高二氧化硅玻璃光纖，長數百米，損耗低于20dB／km(降低為1966年光纖損耗的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纖的損耗又降低了兩個數量級，約為0.2dB／km，幾乎達到了材料的本征光學損耗。第45頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

然而，多組分玻璃光纖因其材料難以提純，以及此類玻璃的均勻性差，而使光纖的最低損耗仍相當大，約為4dB／km。近20年，各種各樣的光纖層出不窮，除了通信用多模、單模光纖外，近年來又出現(xiàn)各種結構不同高雙折射偏振保持光纖、單偏振光纖，以及各種光纖傳感器用的功能光纖、塑料光纖等。光纖的最初應用是制作醫(yī)用內窺鏡，但其大量地應用仍在通信方面，現(xiàn)在已成為通訊的重要網絡。許多國家建造了光纖通信系統(tǒng)，橫跨大西洋、太平洋的海底光纜已投入使用，使全世界進入信息時代。

圖6-1為為光纖通訊過程示意圖。

第46頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三圖6-1光纖通訊過程示意圖第47頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

光纖通訊發(fā)展如此之快的原因是由于它具有一些優(yōu)點，如傳輸損耗低，頻帶寬；小的尺寸和彎曲半徑及重量輕等，使它在飛機、輪船、擁擠的城市地下管道的應用都具有優(yōu)越性。由于是介電波導，可以避免許多問題，如輻射干涉等。因為光纖損耗恒定，所以可以很容易滿足系統(tǒng)高參量傳輸的需要，特別是對傳送聲、數據和圖象信號。另外，光纖不只是作為通訊載體介質，還可以作為傳感器材料，在各學科領域都得到應用。有人估計飛機上的測試設備及自動駕駛系統(tǒng)都可實現(xiàn)光控過程，以減輕重量、小型化，并使信息傳遞保密性更好，比電控更具優(yōu)越性。

第48頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三6.1.1光纖構成及分類

光纖是用高透明電介質材料制成的非常細(外徑約為125~200μm)的低損耗導光纖維，它不僅具有束縛和傳輸從紅外到可見光區(qū)域內的光的功能，而且也具有傳感功能。一般通信用光纖的橫截面的結構如圖6-2所示。

圖6-2光纖橫截面結構示意圖（a）光纖

（b）三層結構心線

第49頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三光纖本身由纖芯和包層構成，見圖6-2(a)，纖芯是由高透明固體材料(如高二氧化硅玻璃，多組分玻璃、塑料等)制成，纖芯的外面是包層，用折射率較低(相對于纖芯材料而言)的有損耗(每公里幾百分貝)的石英玻璃、多組分玻璃或塑料制成。這樣就構成了能導光的玻璃纖維—光纖，光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質。

上述光纖是很脆的，還不能付諸實際應用。要使它具有實用性，還必須使它具有一定的強度和柔性，采用圖6-2(b)所示的三層芯線結構。在光纖的外面是一次被覆層，主要目的是防止玻璃光纖的玻璃表面受損傷，井保持光纖的強度。因此，在選用材料和制造技術上，必須防止光纖產生微彎或受損傷。第50頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三通常采用連續(xù)擠壓法把熱可塑硅樹脂被覆在光纖外而制成，此層的厚度約為100~150μm，在一次被覆層之外是緩沖層，外徑為400μm，目的在于防止光纖因一次被覆層不均勻或受側壓力作用而產生微彎，帶來額外損耗。因此，必須用緩沖效果良好的低楊氏系數材料作緩沖層，為了保護一次被覆層和緩沖層，在緩沖層之外加上二次被覆層。二次被覆層材料的楊氏系數應比一次被覆層的大，而且要求具有小的溫度系數，常采用尼龍，這一層外徑常為0.9mm。光纖芯部的材料一般是非晶態(tài)的SiO2、摻雜GeO2、P2O5等。根據設計變化成分取得必要的折射率。包覆層的折射率要與芯部材料匹配，以改善強度，降低污染，減少光的散射損失。

第51頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三光纖按芯部折射率變化來分類，有突變(階躍)光纖和漸變(梯度)光纖兩大類，見圖6-3。圖6-3光纖的種類和光的傳播（a）階躍型多模光纖（SI光纖）（b）度型多模光纖（GI光纖）（c）單模光纖（SM光纖）

第52頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三階躍型多模光纖和單模光纖的區(qū)別僅在于，后者的芯徑和折射率差都比前者小。設計時，適當地選取這兩個參數，以使得光纖中只能傳播最低模式的光，這就構成了單模光纖。階躍型多模光纖和單模光纖的折射率分布都是突變的，纖芯折射率均勻分布具有恒定值nl，而包層折射率則為稍小于n1的常數n2，n(r)可表示為：

其中，r為離纖芯縱軸的徑向坐標，a為纖芯半徑。

第53頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三在梯度光纖中，纖芯折射率的分布是徑向坐標的遞減函數，而包層折射率分布則是均勻的，可用下式表示：其中g為冪指數，一般取2。按材料種類分，可以有玻璃光纖、塑料光纖和紅外光纖。塑料光纖一般直徑較大(1mm)，傳輸距離較近，在幾十米以內，大孔徑，光耦合效率高。由于遠紅外區(qū)域石英光纖損耗較大，所以正在研究紅外用光纖。應用前景較大的是氟化物光纖。從傳感的角度來分，可以分為傳輸光纖和功能光纖。

第54頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三按光在光纖中傳播的模式來分有單模和多模光纖(見圖6-4)。圖6-4單模和多模光纖的幾何尺寸

第55頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三6.1.2光在光纖中傳輸的基本原理

如果有一束光投射到折射率分別為n1和n2的兩種媒質界面上時，(設n1＞n2)，入射光將分為反射光和折射光。入射角θ1與折射角θ2之間服從光的折射定律：

當θ1=sin-1n2/nl時，折射角θ2為直角，這時入射光線全部返回到原來的介質中去，這種現(xiàn)象叫光的全反射。此時的入射角θ1=sin-1n2/nl叫做臨界角。在光纖中，光的傳送就是利用光的全反射原理，當入射進光纖芯子中的光與光纖軸線的交角小于一定值時，光線在界面上發(fā)生全反射。第56頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

發(fā)生全反射時，光將在光纖的芯子中沿鋸齒狀路徑曲折前進，但不會穿出包層，這樣就完全避免了光在傳輸過程中的折射損耗，如圖6-5所示。圖6-5光在光學纖維中的傳播途徑

第57頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

傳輸模式是光學纖維最基本的傳輸特性之一。若一種光纖只允許傳輸一個模式的光波，則稱它為單模光纖。如果一種光纖允許同時傳輸多個模式的光波，這種光纖為多模光纖。光學上把具有一定頻率，一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式，或稱光的一種波型。

多模光纖直徑為幾十至上百微米，與光波長相比大得多，因此，許多模式的光波進入光纖后都能滿足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。在光纖的輸出端可以看到光強度分布的不同花樣，即在輸出端出現(xiàn)多個亮斑，一個亮斑代表多模光纖所傳輸的一種模式的光波。第58頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三單模光纖的直徑只有3~10μm，同光波的波長接近。在這樣細的光纖中，只有沿著光纖軸線方向傳播的一種模式的光波滿足全反射條件，在光纖中得到正常的傳輸。其余模式的光波由于不滿足全反射條件，在光纖中傳送一段距離后很快就被淘汰。多模光纖的傳輸頻率主要受到模式色散的限制，所以傳輸的信息量不可能很高。單模光纖不存在模式色散，所以傳輸頻帶比多模光纖寬，傳輸的信息容量大。在大容量、長距離光纖通信中單模光纖具有美好的應用前景。但單模光纖直徑太細，制造工藝要求高，所以目前使用還不普遍。多模光纖由于直徑較粗，制造工藝比單模光纖簡單些，在使用中光纖的連接與耦合也比單模光纖容易得多。目前光通信所使用的光纖，大多是多模光纖。

第59頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

光在光纖中傳播是有損耗的，這是光纖通信中最重要的問題。這是由于在光纖中存在兩種損耗機制：一種是吸收，這是光與光纖本身（在某些波長情況下）和光纖中的雜質相互作用的結果，引起電子躍遷。其后這些電子放出另一種波長的光子或者把能量變成機械振動（熱的形式）放出。另一種能量損失是散射的方式，纖維的組織結構的不完整性（尺寸上可能大于或小于所傳導的波長）可以引起光更改傳播方向，逸出光導纖維。這些損耗都需要通過控制光纖的制備過程及選擇合適的工藝參數來降低。

第60頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三6.1.3石英光纖制備方法

迄今為止，

大量付諸于實際應用的光纖仍只有玻璃光纖和塑料光纖兩種，特別是二氧化硅石英光纖。當今實用的石英光纖制造技術，是首先生產預制棒，預制棒由芯層和包層組成，它的截面的幾何尺寸和折射率分布與其控制的光纖一致，然后將預制棒加熱的一端拉制成光纖。為了提高生產效率和降低成本，預制棒向大棒的方向發(fā)展，目前一根預制棒可以拉制200Km光纖。特別是采用了高純度的合成管技術后，縮短了制棒時間，稀釋了雜質，降低了光纖的光損耗，提高了光纖的機械性能，改善了光纖質量。當今加工技術的發(fā)展和計算機控制技術的應用，幾乎可以使人們得到任意形狀和折射率分布的預制棒。第61頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

目前用于實際生產的制棒工藝主要有四種：即美國康寧公司發(fā)明的OVD法，美國前AT&T公司開發(fā)的MCVD法，日本NTT公司研究出的AVD法及荷蘭前Philps公司發(fā)明的PCVD法。（1）管外氣相沉積——OVD法OVD法生產預制棒分兩步進行。首先，將一根熔融石英玻璃母棒沿其縱軸在車床上轉動，將氧氣和摻雜劑如SiCl4，GeCl4，BCl3，POCl3，送進噴燈，噴出的氣體在高溫燃燒時，發(fā)生水解反應生成氧化物粉塵沉積在均勻旋轉的母棒上，見圖6-6。如果噴燈也沿縱向來回運動，就一層層地生成一個多孔預制棒。第62頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三OVD法通過改變送進噴燈的每路氣體的流量來控制沉積在母棒上每層的摻雜含量，從而實現(xiàn)對折射率分布的控制。對于梯度型折射率分布的多模光纖來說，逐層減少GeCl4的流量，直到最后沉積純SiO2作為包層，這樣就可以實現(xiàn)其折射率分布。圖6-6OVD法工藝簡圖

第63頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三當用作光纖纖芯和包層的沉積層達到一定的量后，停止沉積過程，從大的多孔預制棒中取出作為沉積基礎的母棒。第二步是對多孔預制棒在1400-1600℃之間進行燒結，使疏松的氧化物粉末熔縮成一根透明的，無氣泡的固體玻璃棒，即所謂的玻璃化過程。在燒結期間，要不斷地用Cl2作為干燥劑噴吹預制棒，使殘留水從玻璃上除去，從而降低因為OH離子吸收而帶來的光纖衰減的增加。第64頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三（2）氣相軸向沉積法——AVD法AVD法與OVD法一樣，均屬管外沉積法。這兩種沉積方法的基本原理是一致的，區(qū)別在于沉積次序。OVD法沿縱向逐層沉積，并沿縱向逐漸變粗。AVD法逐層沉積預制棒橫截面并沿縱向逐漸增長的過程，其工藝簡圖見圖6-7。圖6-7AVD法工藝簡圖

第65頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三預制棒的折射率分布是利用摻雜材料的混合比例隨反應溫度而變化的性質，通過控制氫氧噴燈的個數、位置、角度和火焰形成來加以實現(xiàn)的。

AVD法在對多孔棒進行玻璃化燒結的同時，要進行脫水處理，脫水處理的基本原理是把OH根與Cl，Br，F(xiàn)等鹵族元素進行置換，經加水分解反應而合成玻璃煙塵。脫水燒結過程即玻璃化的過程，給制造低衰減光纖提供了良好的條件。

第66頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三（3）改進的化學氣相沉積法——MCVD法美國Bell實驗室首先利用MCVD法得到了摻Ge的熔融硅化學纖維。圖6-8是MCVD工藝的設備及工藝簡圖。

圖6-8MCVD法工藝簡圖

第67頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三MCVD工藝的基本設備包括三大部分：車床、供氣系統(tǒng)和廢氣處理系統(tǒng)。車床具有很好的穩(wěn)定性，主要起夾持、穩(wěn)定旋轉預制棒的功能，另外支持氫氧噴燈的來回移動。供氣系統(tǒng)是將金屬鹵化物與高純O2一起送入石英管內。反應方程式如下：SiCl4+O2→SiO2+2Cl2↑GeCl4+O2→GeO2+2Cl2↑沉積過程中產生的氯氣為有害氣體，同時廢氣中還含有未附著在管壁的細小玻璃粒子。所以在排氣端有一凈化處理系統(tǒng)，讓尾氣被含有NaOH的堿溶液沖刷，發(fā)生酸堿中和反應。第68頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三（

4）等離子體化學氣相沉積法——PCVD法1976年，荷蘭Philips公司發(fā)明了等離子體化學沉積方法來制作光纖預制棒。PCVD和MCVD法均屬管內法，兩者大同小異，主要區(qū)別在于提供反應能量的方式不同，反應機理有些不同。圖6-9為PCVD工藝簡圖。圖6-9PCVD法工藝簡圖

第69頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三矩形波導將磁控管產生的微波傳至諧振腔內再集中反射于石英襯管的管子中心，這一強電磁場將會使通過石英襯管的低壓氣體電離，而形成等離子態(tài)。在此狀態(tài)之下，粒子之間充分反應，反應效率遠比其他工藝效率高。

由于反應所需的能量是由電磁波的方式直接耦合到石英襯管中央的，這就一方面避免了從外部過度加熱石英襯管而導致的變形，另一方面也使OH離子向芯部的擴散速度減緩，保證了光纖的幾何性能和光學性能。

PCVD避免了反應物的蒸發(fā)，提高了原材料的利用率。反應后產生的尾氣和未沉積在管壁的反應物經由過濾器和NaOH清洗劑中和反應后變?yōu)闊o害物質。第70頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三(5)

光纖拉絲工藝石英光纖制作的第二階段是把預制棒拉絲成光纖，目前拉絲正朝著大長度、高速率、在線改善光纖指標、在線篩選和著色等綜合化的方向發(fā)展。圖6-10為拉絲工藝簡圖。

圖6-10光纖拉絲工藝簡圖

第71頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

首先將預制棒夾持于預制棒饋送架上，該架可以自動控制進棒的速度和深度。石墨爐提供一個2000℃左右的高溫環(huán)境，為避免高溫氧化，爐中通以惰性氣體。預制棒被加熱熔化，其頂端的懸垂玻璃頭靠重力下落。絲徑降到一定值時開始穿絲，拉絲速度達到一定值后開始打開涂覆器及固化裝置，對裸光纖涂上樹脂加以保護。整個光纖拉絲塔是一個自動控制系統(tǒng)。在未加樹脂之前的裸光纖由一激光測徑儀測控，若光纖直徑偏離設定值，如大于設定值，則可以通過加快拉絲速率，減緩進棒速率或降低爐溫等方式加以調整。

第72頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三經兩次涂覆的光纖最終被盤在收線盤上，拉絲工序即告完成。拉絲工藝要解決三個方面的問題：一是光纖的幾何尺寸。如裸光纖的直徑要控制在125±1μm范圍內，除了有一個良好控制的負反饋系統(tǒng)外，同時也要求設備的狀態(tài)穩(wěn)定，另外兩層涂覆層均要與裸光纖同心。這就要求預制棒饋送路徑與光纖所經歷的路徑完全在一條垂線上，即與垂線正交的平面為水平面。二是光纖的光學性能，如衰減。殘存應力的存在會增大衰減，若是涂覆層和裸光纖之間存在內應力還會增加彎曲損耗。當今高速率大容量的傳輸要求，對光纖的偏振模色散(PMD)指標提出了很高的要求。由于PMD主要由光纖中的殘存應力和其幾何不均勻性引起，所以在拉絲過程中要嚴格控制拉絲張力和爐溫。三是機械強度問題。

第73頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三光纖的機械強度在拉絲過程中主要受五個因素的影響：①預制棒表面本身存在缺陷，如劃傷、雜質附著和清洗液殘留等；②爐內保護氣體不純，爐體上下出口處漏氣和氣流不穩(wěn)帶進O2等；③高溫下石墨爐中發(fā)熱體或其他配體游離出來的C離子會與SiO2中的Si4+生成非常堅硬的SiC粒子，裸光纖也會在表面形成缺陷；④光纖在石墨爐和涂覆器之間氣體環(huán)境不純；⑤塔身準直不好，或附件沒有與塔身保持平直，使光纖在拉絲過程中被損傷。

第74頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三6.2光色材料

材料受光照射著色，停止光照時，又可逆地退色，這一特性稱為材料的光色現(xiàn)象。這類材料稱為光色材料。

6.2.1光色玻璃根據照相化學原理制成的含鹵化銀的玻璃是一種光色材料。它是以普通的堿金屬硼硅酸鹽玻璃的成分為基礎，加入少量的鹵化銀如氯化銀（AgCl）、溴化銀（AgBr）、碘化銀（AgI）或它們的混合物作為感光劑，再加入極微量的敏化劑制成，加入敏化劑的目的是為了提高光色互變的靈敏度。敏化劑為砷、銻、錫、銅的氧化物，其中氧化銅特別有效。將配好的原料采用和制造普通玻璃相同的工藝，經過熔制、退火和適當的熱處理就可制得鹵化銀光色玻璃。

第75頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三著色和退色機理如下：鋁硅酸鹽玻璃中引入的銀鹽(0.2～0.7%)和鹵素(0.2%Ag化學計量)，經過熔化、成型和熱處理后，會使鹵化銀亞微晶體聚集成一定大小(100~250?)，在紫外線或太陽光等短波長的光線輻照下，將引起光分解，產生膠態(tài)銀原子，當銀原子集中到一定程度，就形成Ag膠體，產生著色。由于光分解后的鹵素不能從玻璃基體的晶格中逸出，因此，當停止光輻照后，由于熱或長波長的光的作用，銀原子與鹵素再結合，又回到原有的鹵化銀狀態(tài)：

在式中，當hν1>hν2時，反應向左邊進行，此為著色過程。而當hν2＞hν1或被加熱時，反應向右邊進行，稱為退色過程。在黑暗中及室溫下，由于分子熱運動，玻璃也會緩慢退色。

第76頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三玻璃中加入微量氧化銅會引起敏化劑(即增感劑)作用，促使上述反應向左進行。Cu+在鹵化銀的微晶中，是作為空穴的俘獲中心，能提高Ag的著色靈敏度至若干數量級。

光色玻璃的性能可根據需要進行調節(jié)。改變光色玻璃中感光劑的鹵素離子種類和含量，就可調節(jié)使光色玻璃由透明變暗所需輻照光的波長范圍。如僅含氯化銀晶體的光色玻璃的光譜靈敏范圍為紫外光到紫光；若含氯化銀和溴化銀晶體，則其靈敏范圍為紫外光到藍綠光區(qū)域。光色玻璃熔制后，要進行熱處理。通過控制溫度與時間，可控制玻璃中析出的鹵化銀晶體顆粒大小，從而達到調節(jié)光色玻璃的光色性能的目的。

第77頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三一些單晶體也具有光色互變特性，用白光照射摻稀土元素(Sm)和銪(Eu)的氟化鈣(CaF2)單晶體時，晶體呈綠色；如果這晶體用紫外光照射一下，綠色就退去，變成無色，如再用白光照射，又會變成綠色。

對于光色晶體顏色的可逆變化，通常是由于材料中(含微量摻雜物)存在兩種不同能量的電子陷阱，它們之間發(fā)生光致可逆電荷轉移。在熱平衡時（光照處理前），捕獲的電子先占據能量低的A陷阱，吸收光譜為A帶。當在A帶內曝光時，電子被激發(fā)至導帶，并被另一陷阱B(能量高于A陷阱)捕獲，材料轉換成吸收光譜為B帶的狀態(tài)，即被著色了。如果把已著色的材料在B帶內曝光（或用升高溫度的熱激發(fā)）時，處于B陷阱內的電子被激發(fā)到導帶，最后又被A陷阱重新捕獲，顏色被消除。

第78頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三

光色材料一個重要用途是作為光存儲材料，由于光色材料的顏色在光照下發(fā)生可逆變化，所以產生兩種型式的光學存儲，即“寫入”型與“消除”型，寫入型是用適當的紫光或紫外線輻射來“轉換”最初處于熱穩(wěn)定或非轉換態(tài)的材料；消除型是用適當的可見“消除”光對預先在轉換輻射下均勻曝光而變黑了的材料進行有選擇的光學消除。光色材料用于全息存儲具有如下特點：(1)存儲信息可方便地擦除，并能重復進行信息的擦寫；(2)具有體積存儲功能，利用參考光束的入射角度選擇性，可在一個晶體中存儲多個厚全息圖；(3)可以實現(xiàn)無損讀出。

第79頁，共84頁，2023年，2月20日，星期三6.3紅外材料

1800年，英國物理學家赫舍爾發(fā)現(xiàn)太陽光經棱鏡分光后所得到光譜中還包含一種不可見光。它通過棱鏡后的偏折程度比紅光還小，位于紅光譜帶的外側，所以叫紅外線。紅外線同可見光一樣在本質上都是電磁波。它的波長范圍很寬，從0.7μm到1000μm。紅外線按波長可分為三個光譜區(qū)：近紅外(0.7~15μm)，中紅外(15~50μm)和遠紅外(50