1、第五章 材料的光學(xué)性能,主講：胡木林 2016年10月,材料物理性能,5.1 概述,5.2光傳播的基本理論,光的現(xiàn)象,光的微粒說(shuō),光的波動(dòng)說(shuō),光的電磁說(shuō),光的波粒二象性,光的直線(xiàn)傳播,光的傳播速度,光的反射,光的折射,光的干涉,光的衍射,電磁波譜,光譜,?,5.2.1 波粒二象性,介電常數(shù),磁導(dǎo)率,（1）光是一種電磁波,（2）光波是一種橫波(偏振性),（3）偏振性是橫波的特有性質(zhì),5.2.2 光的電磁性,電磁輻射,由于人的視覺(jué)、植物的光合作用，以及絕大多數(shù)測(cè)量光波的儀器對(duì)光的反應(yīng)主要是光波中的電場(chǎng)所引起，磁場(chǎng)對(duì)介質(zhì)的作用遠(yuǎn)比電場(chǎng)弱，因此討論光波時(shí)往往只考慮電場(chǎng)的作用，所以電場(chǎng)強(qiáng)度矢量被直接作為

2、光矢量。,光波的電矢量的振動(dòng)只確定在某個(gè)確定方向稱(chēng)為平面偏振光，亦稱(chēng)線(xiàn)偏振光。,光波的電矢量在垂直光傳播方向的平面內(nèi)隨時(shí)間規(guī)則變化的軌跡呈橢圓或圓，被分別稱(chēng)為橢圓偏振光、圓偏振光。,光波在垂直光傳播方向的平面內(nèi)電矢量振動(dòng)取向機(jī)會(huì)均等，稱(chēng)為自然光。,光波振動(dòng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式：,電磁波光譜, 可見(jiàn)光 (visible light) 能夠引起人的視覺(jué)的電磁波。,光的波動(dòng)性主要表現(xiàn)在它有干涉和衍射及偏振等特性。 雙光束干涉就是指兩束光（同頻率、同振動(dòng)方向）相遇以后，在光的疊加區(qū)，光強(qiáng)重新分布，出現(xiàn)明暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋。,5.2.3 光的干涉和衍射,當(dāng)光波傳播遇到障礙物時(shí)，在一定程度上繞過(guò)障礙物（尺寸與

3、波長(zhǎng)相近）而進(jìn)入幾何陰影區(qū)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為衍射。,愛(ài)因斯坦提出電磁場(chǎng)（或光場(chǎng)）的能量是不連續(xù)的，其數(shù)值為： 式中，為光波電磁場(chǎng)的頻率；h為數(shù)值很小的普適常數(shù)，稱(chēng)為普朗克常數(shù)。 總之，光既可看成為光波又可看成光子流。光子是電磁場(chǎng)能量和動(dòng)量量子化的粒子，而電磁波是光子的概率波。光作為波的屬性可以用頻率和波長(zhǎng)來(lái)描述，而作為光子的屬性則可以用能量和動(dòng)量來(lái)表征。波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一就定量地反應(yīng)在愛(ài)因斯坦兩個(gè)等式之中,5.2.4 光子的能量和動(dòng)量,光波入射到兩種媒質(zhì)的分界面以后，如果不考慮吸收、散射等其它形式的能量損耗，則入射光的能量只在兩種介質(zhì)的界面上會(huì)發(fā)生反射、折射。,5.3 光的反射和折射,（1）光在

4、均勻介質(zhì)中直線(xiàn)傳播，在不同的介質(zhì)中具有不同的傳播速度。（2）光在兩種介質(zhì)的分界面時(shí)遵守反射、折射定律。（3）光路可逆,5.3.1 反射定律和折射定律及其影響因素,5.3 光的反射和折射,1. 光通過(guò)固體現(xiàn)象 光從一個(gè)介質(zhì)進(jìn)入到另一個(gè)介質(zhì)時(shí)，將發(fā)生透射、反射、吸收和散射現(xiàn)象。入射光的能流率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。,0 = + + m+ s,透射、反射、吸收和散射能流率相對(duì)于入射光所占的比率分別被稱(chēng)為透射系數(shù)、反射系數(shù)、吸收系數(shù)m和散射系數(shù)s。 +m+s=1,2. 反射定律和折射定律,5.3 光的反射和折射,（1）構(gòu)成材料元素的離子半徑 當(dāng)離子半徑增大時(shí)，其增大，因而n也增大。陶瓷等

5、無(wú)機(jī)材料的相對(duì)磁導(dǎo)率約等于1,3. 材料折射率的影響因素,（3）材料所受的內(nèi)應(yīng)力 有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小。 （4）同質(zhì)異構(gòu)體 在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時(shí)的晶型折射率n較低，低溫時(shí)存在的晶型折射率n較高。,（2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài) 非晶態(tài)和立方晶體這些各向同性材料，當(dāng)光通過(guò)時(shí)，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個(gè)折射率，稱(chēng)為均質(zhì)介質(zhì)。但是除立方晶體以外的其他晶型，都是非均質(zhì)介質(zhì)（雙折射現(xiàn)象）。,惠更斯原理： 光波波前（最前沿的波面）上的每一點(diǎn)都可以看做球面次波源。 t時(shí)間后，無(wú)數(shù)個(gè)次波的包絡(luò)就是新的波前。,5.3.2 折射率與傳播速度的

6、關(guān)系,導(dǎo)出反射定律和折射定律。 折射定律： 光速與折射率成反比。,5.3.2 折射率與傳播速度的關(guān)系,折射定律： 材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。 光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢； 光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。 材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對(duì)非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性。,5.3.3 反射率和透射率,反射率：反射光的功率與入射光的功率之比。,透射率：透射光的功率與入射光的功率之比。,光的反射率和透射率與光的偏振方向有關(guān)，并隨入射角度而變化。,光是橫波，在垂直于傳播方向上，電矢量可以取任何方向。因此，可以

7、分解成兩個(gè)相互垂直的線(xiàn)偏振分量。即振動(dòng)方向垂直于入射平面的s分量和振動(dòng)方向平行于入射平面的p分量。,當(dāng)入射角和反射角之和為/2時(shí)，反射光沒(méi)有平行入射面的矢量。此時(shí)的入射角稱(chēng)為布儒斯特角。利用布儒斯特角可以產(chǎn)生偏光。,反射率：,垂直入射時(shí)：,5.3.4 光的全反射和光導(dǎo)纖維,當(dāng)光從光密介質(zhì)進(jìn)入到光疏介質(zhì)，當(dāng)入射角達(dá)到某一角度時(shí)，不再有折射光線(xiàn)，光線(xiàn)被全部反射的現(xiàn)象，稱(chēng)為全反射。 全反射臨界角：,光纖結(jié)構(gòu)示意圖,5.3.5 棱鏡、透鏡和反射鏡,棱鏡主要用于分光和偏轉(zhuǎn)光的方向； 透鏡主要是兩個(gè)球面或曲面包圍而成的透明光學(xué)材料，主要用于聚光和成像； 反射是指材料表面潔度非常高的情況下的反射，反射光線(xiàn)具

8、有明確的方向性，一般稱(chēng)之為鏡反射。 漫反射是由于材料表面粗糙，在局部的入射角不同。,5.4 材料對(duì)光的吸收和色散,一束平行光照射各向同性均質(zhì)的材料時(shí)，除了可能發(fā)生反射和折射而變其傳播方向之外，進(jìn)入材料之后還會(huì)發(fā)生兩種變化。 一是光吸收 二是光的色散,5.4.1 光的吸收1. 吸收系數(shù)與吸收率,朗伯特（Lambert）定律： 在價(jià)質(zhì)中光強(qiáng)隨傳播距離呈指數(shù)衰減。當(dāng)光的傳播距離達(dá)到1/a時(shí)，強(qiáng)度衰減到入射時(shí)的1/e。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，透過(guò)光的強(qiáng)度越小。,產(chǎn)生光吸收的原因： 光作為一種能量流，在穿過(guò)介質(zhì)時(shí)，引起介質(zhì)的價(jià)電子躍遷，或使原子振動(dòng)而消耗能量。此外介質(zhì)中的價(jià)電子吸收光子能量而激

9、發(fā)，當(dāng)尚未退激時(shí)，在運(yùn)動(dòng)中與其它分子碰撞，電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥臒釀?dòng)能，從而造成光能的衰減。,任何物質(zhì)都只對(duì)特定的波長(zhǎng)范圍表現(xiàn)為透明，而對(duì)另一些波長(zhǎng)范圍則不透明。 一：金屬對(duì)光吸收較強(qiáng)-金屬的價(jià)電子處于未滿(mǎn)帶，吸收光子后即呈激發(fā)態(tài)，無(wú)需躍遷到導(dǎo)帶即能產(chǎn)生碰撞而發(fā)熱。 二：電介質(zhì)材料，如玻璃、陶瓷等具有較好的透過(guò)性-電子質(zhì)材料的價(jià)電子所處的能帶是滿(mǎn)帶。它不能吸收光子而自由運(yùn)動(dòng)，而光子的能量又不足以使價(jià)電子躍遷到導(dǎo)帶，所以在一定波長(zhǎng)內(nèi)，吸收率數(shù)小。 三：紫外光，能量大，半導(dǎo)體電子就會(huì)吸收能量從滿(mǎn)帶躍遷到導(dǎo)帶，此時(shí)吸收系數(shù)大，禁帶寬度Eg為:,2 光吸收與波長(zhǎng)的關(guān)系,除了真空，沒(méi)有一種物質(zhì)對(duì)所有波長(zhǎng)

10、的電磁波都是絕對(duì)透明的。 在光學(xué)材料中，石英對(duì)所有可見(jiàn)光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為均勻吸收；但在3.55.0m的紅外光，石英表現(xiàn)為強(qiáng)烈吸收，且吸收率隨波長(zhǎng)的變化劇烈變化，這種同一物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的吸收系數(shù)變化的現(xiàn)象為選擇吸收。,均勻吸收和選擇吸收,普通玻璃對(duì)可見(jiàn)光是透明的，但是對(duì)紅外線(xiàn)、紫外線(xiàn)都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。 在紅外光譜儀中，棱鏡常用對(duì)紅外線(xiàn)透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對(duì)紫外線(xiàn)透明的石英制作。 實(shí)際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一定的透光極限。任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收（一般吸收和選擇吸收）只是出現(xiàn)的波

11、長(zhǎng)范圍不同而已。,紅外吸收光譜：研究離子間的彈性振動(dòng)。 紫外吸收光譜：研究半導(dǎo)體的禁帶寬度。,吸收光譜,5.4.2 光的色散,材料的折射率隨入射光的頻率減小（或波長(zhǎng)的增加）而減小的性質(zhì)，稱(chēng)為折射率的色散。,在給定入射波長(zhǎng)下，材料的色散：,最常用的數(shù)值是倒數(shù)相對(duì)色散，即色散系數(shù)： 描述光學(xué)玻璃的色散常用，平均色散：,分別為以鈉的D譜線(xiàn)、氫的F譜線(xiàn)和C譜線(xiàn)為光源測(cè)得的折射率。,經(jīng)典色散理論：（阻尼受迫振子模型） 介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)被看成是正負(fù)電荷之間由一根無(wú)形的彈簧束縛在一起的彈性振子。在光波電磁場(chǎng)的作用下作受迫振動(dòng)，振動(dòng)的相位與振子的固有頻率和光波頻率有關(guān)。 受迫振動(dòng)的振子作為次波源向外發(fā)射散射波

12、，由于固體和液體中的這種散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原來(lái)入射光波方向前進(jìn)。次波和入射波疊加，使得合成波的在介質(zhì)中的傳播速度與入射光波的頻率有關(guān)，導(dǎo)致介質(zhì)對(duì)不同頻率的光有著不同的折射率。,由于折射率與原子緊密堆積有關(guān)，所以對(duì)于各向異性材料，在不同的方向上表現(xiàn)出不同的折射率值，因此，當(dāng)單色光束通過(guò)各向異性介質(zhì)的表面時(shí)，由于在各方向上的折射程度不同，折射光會(huì)分成兩束沿著不同的方向傳播。這種現(xiàn)象稱(chēng)為雙折射。,5.5 晶體的雙折射和二向色性,5.5.1 雙折射,通過(guò)改變?nèi)肷涔饩€(xiàn)的方向，可以找到在晶體中存在一些特殊方向，沿這些方向傳播的光并不發(fā)生雙折射，這些特殊方向稱(chēng)為晶體的光軸。

13、,主截面： 光軸和光的傳播方向構(gòu)成的平面。,上述兩條折射光線(xiàn)，光矢量垂直于主截面的光線(xiàn)的折射率，稱(chēng)為尋常光折射率n0，不論入射光的入射角如何變化，n0始終為一常數(shù)，因而尋常光折射率嚴(yán)格服從折射定律。 另一條光矢量平行于主截面的光線(xiàn)所構(gòu)成的折射率，則隨入射線(xiàn)方向的改變而變化，稱(chēng)為非常光折射率ne ，它不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化。 當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時(shí)，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，ne達(dá)最大值，此值是材料的特性。,尋常光和非常光都是線(xiàn)偏振光，不過(guò)它們的電矢量振動(dòng)方向不同。尋常光的振動(dòng)方向垂直于主截面(光軸和傳播方向構(gòu)成的平面)，而非常光的振動(dòng)方向平行于主截面(不一定都平行于光

14、軸)。,5.5.2 雙折射現(xiàn)象的解釋,5.5.3 折射率橢球,5.5.4 偏振元件 偏振片，四分之一波片，二分之一波片等實(shí)現(xiàn)光束偏振狀態(tài)的改變。 5.5.5 二向色性偏振片 晶體結(jié)構(gòu)的各向異性不僅能產(chǎn)生折射率的各向異性（雙折射），而且能產(chǎn)生吸收率的各向異性，這一性質(zhì)被稱(chēng)為二向色性。,5.6.1 散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系 光通過(guò)含有煙塵、微粒、懸浮液滴或成分不均勻的介質(zhì)時(shí)，都會(huì)有一部分能量偏離原來(lái)的傳播方向而向四面八方彌散，這種現(xiàn)象為光的散射。這比單一吸收衰減（朗伯特定律）更快。,5. 6 介質(zhì)的光散射,光衰減規(guī)律：,光散射強(qiáng)度：,散射系數(shù)與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對(duì)折射率有關(guān)

15、。,根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長(zhǎng)）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射。非彈性散射要比彈性散射低幾個(gè)數(shù)量級(jí) 彈性散射：散射前后光的波長(zhǎng)（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。 非彈性散射：當(dāng)光通過(guò)介質(zhì)時(shí)，從側(cè)向接受到的散射光主要是波長(zhǎng)（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當(dāng)使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們?cè)陬l率坐標(biāo)上對(duì)稱(chēng)地分布在彈性散射光的低頻和高頻側(cè)，強(qiáng)度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質(zhì)發(fā)生非彈性碰撞的結(jié)果，稱(chēng)為非彈性散射。,5.6.1 散射與其他光學(xué)現(xiàn)象的關(guān)系,一、彈性散射分類(lèi) 按照散射中心尺度a0與入射

16、光波長(zhǎng)是大小，分為三類(lèi)： 廷德?tīng)柹⑸?Tyndall Scattering (J.Tyndall，1820-1893) 當(dāng)a0時(shí)，0 即散射中心的尺度遠(yuǎn)大于光波波長(zhǎng)時(shí)，散射光強(qiáng)與入射光波長(zhǎng)無(wú)關(guān) 如粉筆灰、白云呈白色 例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射。,2. 米氏散射 Mile Scattering 當(dāng)a0與相近時(shí)，=04 即散射中心的尺度與光波波長(zhǎng)可以比擬時(shí)， 在04之間,具體取值與散射中心有關(guān). 米氏散射性質(zhì)比較復(fù)雜。,3. 瑞利散射 Rayleigh scattering 當(dāng)a0時(shí)，=4 即當(dāng)散射中心的線(xiàn)度遠(yuǎn)小于入射光的波長(zhǎng)時(shí)，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的4次方成反比 通常我們把線(xiàn)

17、度小于光的波長(zhǎng)的微粒對(duì)入射光的散射，稱(chēng)為瑞利散射（Rayleigh scattering）。 瑞利散射不改變?cè)肷涔獾念l率。,按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時(shí)晨陽(yáng)與午陽(yáng)的顏色不同。 入射波長(zhǎng)越長(zhǎng)，散射光強(qiáng)越小，即長(zhǎng)波散射要小于短波散射。 因?yàn)榇髿饧皦m埃對(duì)光譜上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽(yáng)光透過(guò)大氣層越厚，其中藍(lán)紫色光成分損失越多，太陽(yáng)顯得越紅。,Global,早晨,中午,太陽(yáng)光,彈性散射的原因：,均勻介質(zhì)中存在分布不均、且與其折射率相差較大的雜質(zhì)微粒。 物質(zhì)中具有電結(jié)構(gòu)的原子、分子等微觀(guān)粒子在光波電磁場(chǎng)的作用下受迫振動(dòng)，這些受迫振動(dòng)的粒子成為發(fā)光中心向各個(gè)方向發(fā)射球面次波，由于固態(tài)和液

18、態(tài)粒子的結(jié)構(gòu)致密，微粒中每個(gè)分子發(fā)出的次波相位相關(guān)聯(lián)，合成發(fā)射一個(gè)大的次波。由于各個(gè)雜質(zhì)微粒之間空間位置排列毫無(wú)規(guī)律，這些大次波不會(huì)因?yàn)橄辔魂P(guān)系而相互干涉，因此微粒向各個(gè)方向散射光波。 歸一散射：發(fā)生在光波前進(jìn)方向的散射。,二、非彈性散射分類(lèi) 1. 拉曼散射 （Raman scattering） 是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子（即光學(xué)模）對(duì)光波的散射。 在光譜圖上距離瑞利線(xiàn)較遠(yuǎn)，它們與瑞利線(xiàn)的頻差可因散射介質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu)不同而在100104cm-1之間變化。 2. 布里淵散射 （Brillouin scattering） 是點(diǎn)陣振動(dòng)引起的密度起伏或超聲波對(duì)光波的非彈性散射，即點(diǎn)陣振動(dòng)的聲學(xué)聲子（即聲學(xué)

19、模）與光波之間的能量交換結(jié)果。 由于聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子，所以布里淵散射的頻移比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線(xiàn)旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來(lái)。,波動(dòng)觀(guān)點(diǎn)：光的非彈性散射機(jī)制，是光波電磁場(chǎng)與介質(zhì)內(nèi)微觀(guān)粒子固有振動(dòng)之間的耦合，可激發(fā)介質(zhì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)或?qū)е抡駝?dòng)的淬滅，以至于散射光波頻率相應(yīng)出現(xiàn)“紅移”（頻率降低）或“藍(lán)移”（頻率增高）。 通常產(chǎn)生拉曼振動(dòng)的的介質(zhì)多由相互約束的正負(fù)離子所組成。正負(fù)離子的周期性振動(dòng)導(dǎo)致偶極矩的周期性變化，這種振動(dòng)偶極矩與光波電磁場(chǎng)的相互作用引起的能量交換，發(fā)生光波的非彈性散射。一般認(rèn)為拉曼散射是分子或點(diǎn)陣振動(dòng)的光學(xué)聲子（光學(xué)模）對(duì)光波的散

20、射。 量子力學(xué)觀(guān)點(diǎn)：能級(jí)與虛能級(jí)之間的躍遷與回落。,虛能級(jí)：電磁場(chǎng)和介質(zhì)相互作用過(guò)程中形成的符合態(tài)。 共振拉曼散射：當(dāng)入射光的頻率選擇到使虛能級(jí)正好與介質(zhì)的某個(gè)能級(jí)重合時(shí)，拉曼散射強(qiáng)度會(huì)大大加強(qiáng)。 拉曼（Raman）光譜:主要研究點(diǎn)陣振動(dòng)（分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)）,5.7 材料的光發(fā)射,平衡輻射和非平衡輻射 1. 平衡輻射 只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān)，如白熾燈的發(fā)光。,光發(fā)射的定義 材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過(guò)程。,太陽(yáng)表面5800,1. 平衡輻射 只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān)，如白熾燈的發(fā)光。,2. 非平衡輻射 不需要提高物體的溫度，是物體在某種外界條件的刺激下偏

21、離熱平衡狀態(tài)時(shí)由激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷所產(chǎn)生的輻射。是一種非平衡輻射。,冷光,以某種方式將能量傳遞給物體使電子提升到一定高能態(tài)的過(guò)程，稱(chēng)為激發(fā)過(guò)程。發(fā)光就是將所吸收的激發(fā)能轉(zhuǎn)化為光輻射的過(guò)程。,能量來(lái)源：物理能、機(jī)械能、化學(xué)能、生物能等; 相應(yīng)地有：物理發(fā)光、機(jī)械發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光等。,自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術(shù)所用的發(fā)光材料主要是無(wú)機(jī)化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次的半導(dǎo)體，它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應(yīng)用。 從應(yīng)用的角度，主要關(guān)注材料的光學(xué)性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度及延續(xù)時(shí)間等。,材料的發(fā)光特征,顏色特征 不同的發(fā)光材料有著不同的發(fā)光顏色

22、。 發(fā)光強(qiáng)度特征 發(fā)光強(qiáng)度代表發(fā)射光的能量，是一個(gè)客觀(guān)數(shù)值；發(fā)光的亮度是人眼的感覺(jué)，是主觀(guān)判斷的結(jié)果，其中包含了眼睛對(duì)不同顏色視覺(jué)的差別。,發(fā)光持續(xù)時(shí)間特征 規(guī)定當(dāng)激發(fā)停止時(shí)，其發(fā)光亮度L衰減到初始亮度L0的10%時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間為余輝時(shí)間，簡(jiǎn)稱(chēng)余輝。,人眼能夠感覺(jué)到余輝的長(zhǎng)發(fā)光期間者為磷光； 人眼感覺(jué)不到余輝的短發(fā)光期間者為熒光。 熒光與磷光無(wú)嚴(yán)格區(qū)別。,液晶 顯示,超薄 電視,等離子顯示器,日光燈,精密探頭,手機(jī),發(fā)光材料,筆記本,陰極射線(xiàn),液晶 相機(jī),光源,能夠發(fā)光的物體稱(chēng)為光源, = (E2-E1) / h,E1,E2, 原子光波列 (wave train),（1）熱輻射,（2）電致發(fā)光

23、,（3）光致發(fā)光,（4）化學(xué)發(fā)光,自發(fā) 輻射,（5）同步輻射光源,（6）激光光源,受激 輻射,激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射, = (E2-E1) / h,E1,E2,激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射,材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量,5.7.1 激勵(lì)方式,光激勵(lì)（光致發(fā)光） 通過(guò)光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導(dǎo)致發(fā)光。 激勵(lì)光源可以采用光頻波段、x-射線(xiàn)波段、-射線(xiàn)波段。 如熒光燈：通過(guò)紫外線(xiàn)激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。,電激勵(lì)（電致發(fā)光） 通過(guò)對(duì)絕緣發(fā)光體施加強(qiáng)電場(chǎng)而導(dǎo)致發(fā)光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶（或價(jià)帶），導(dǎo)致載流子復(fù)合而發(fā)光。 如儀器指示燈的發(fā)光二極管

24、：半導(dǎo)體復(fù)合發(fā)光。,陰極射線(xiàn)發(fā)光 利用高能量的電子來(lái)轟擊材料，通過(guò)電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過(guò)程。 如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。,所用材料：主要是透明的無(wú)機(jī)化合物，包括禁帶寬度比較大的絕緣體和半導(dǎo)體材料。有機(jī)發(fā)光材料近來(lái)也得到了較快發(fā)展。 發(fā)光材料的構(gòu)成： 基體（基質(zhì)） 激活劑發(fā)光中心。 助溶劑促進(jìn)材料的結(jié)晶或與激活劑匹配。,5.7.2 材料發(fā)光的基本性質(zhì),一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強(qiáng) 發(fā)射光波長(zhǎng) 指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強(qiáng)按波長(zhǎng)的分布。 其形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)。 反映

25、材料中從高能級(jí)自發(fā)地向下躍遷過(guò)程。,發(fā)射光譜,二、激發(fā)光譜：發(fā)光強(qiáng)度 激發(fā)光波長(zhǎng) 指材料發(fā)射某一特定譜線(xiàn)（或譜帶）的發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光的波長(zhǎng)而變化的曲線(xiàn) 能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長(zhǎng)也一定是材料可以吸收的波長(zhǎng)，但激發(fā)光譜吸收光譜（因?yàn)橛械牟牧衔展夂蟛灰欢〞?huì)發(fā)射光，其可能把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉對(duì)發(fā)光沒(méi)有貢獻(xiàn)的吸收是不會(huì)在激發(fā)光譜上反映的）。 反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過(guò)程。,激發(fā)光譜,三、發(fā)光壽命： 發(fā)光壽命指發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時(shí)間的長(zhǎng)短。 發(fā)光強(qiáng)度也以指數(shù)規(guī)律衰減： 余輝時(shí)間：從激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光強(qiáng)度I0衰減到I0 /10的時(shí)間，按余輝時(shí)間長(zhǎng)短分為： 超長(zhǎng)余輝（1s）、長(zhǎng)余輝

26、（0.11s）、中余輝（1100ms） 、中短余輝（10-21ms） 、短余輝（1 10s）、超短余輝（1s）,n - 初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù) - 電子在單位時(shí)間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率 =1/ 發(fā)光壽命,四、發(fā)光效率 量子效率q： 指發(fā)射光子數(shù)nout與吸收光子數(shù)（或輸入的電子數(shù)） nin之比。 功率效率p： 表示發(fā)光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。 光度效率l： 表示發(fā)射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。 功率效率與光度效率的關(guān)系： （）-人眼的視見(jiàn)函數(shù) I （）-發(fā)光功率的光譜分布函數(shù) D 光功當(dāng)量,按照發(fā)光中心與發(fā)光效率分：,2. 復(fù)合發(fā)光,源于固體本征態(tài)的輻

27、射躍遷 固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內(nèi)） 如II-VI、III-V族半導(dǎo)體發(fā)光,1. 分立中心發(fā)光,3. 特殊的復(fù)合發(fā)光,BaF2型,固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷 位形坐標(biāo)描述 如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）,發(fā)光分類(lèi),5.7.3 發(fā)光的物理機(jī)制,一、分立中心發(fā)光 RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光 其發(fā)光通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，或基質(zhì)材料自身結(jié)構(gòu)的某一個(gè)基團(tuán)。 選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長(zhǎng)，調(diào)節(jié)其光色。 發(fā)光中心分布在晶體點(diǎn)陣中，受晶體點(diǎn)陣作用，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進(jìn)而影響材料發(fā)光性能。,根據(jù)發(fā)光中心與晶體點(diǎn)陣之間相互作用的強(qiáng)弱可分為兩種

28、情況： 發(fā)光中心基本上是孤立的它的發(fā)光光譜與自由離子相似； 發(fā)光中心受基質(zhì)點(diǎn)陣電場(chǎng)（或晶體場(chǎng)）影響較大，其發(fā)光特性與自由離子不同必須把中心和基質(zhì)作為一個(gè)整體來(lái)分析。,晶格場(chǎng)對(duì)發(fā)光離子的主要影響：,（1）晶格場(chǎng)影響光譜結(jié)構(gòu) 用于晶格場(chǎng)的擾動(dòng)會(huì)引起中心離子簡(jiǎn)并能級(jí)分裂，導(dǎo)致發(fā)光譜線(xiàn)分裂。,（2）晶格場(chǎng)影響光譜的相對(duì)強(qiáng)度 改變了躍遷選擇。,（3）晶格場(chǎng)影響發(fā)光壽命 改變了躍遷選擇。,Eu3+離子 在不同基 質(zhì)材料中的發(fā)射光譜,二、 復(fù)合發(fā)光,復(fù)合發(fā)光與分立中心發(fā)光最根本的區(qū)別在于，復(fù)合發(fā)光時(shí)電子的躍遷涉及固體的能帶。由于電子被激發(fā)到導(dǎo)帶時(shí)在價(jià)帶上留下一個(gè)空穴，因此當(dāng)導(dǎo)帶的電子回到價(jià)帶與空穴復(fù)合時(shí)，便

29、以光的形式放出能量。復(fù)合發(fā)光的所發(fā)射光子的能量等于禁帶寬度。通常采用半導(dǎo)體材料，以摻雜的方式提高 發(fā)光效率。,如果在P-N結(jié)上加正向電壓，內(nèi)電場(chǎng)勢(shì)壘的高度降低，勢(shì)壘區(qū)的寬度變窄。由于勢(shì)壘減弱，電子就源源不斷從N區(qū)流向P區(qū)，空穴反之，大量的電子和空穴相遇復(fù)合，并以光的形式釋放能量。,5.8 材料的受激輻射和激光,20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了激光； 輻射能量在空間和時(shí)間上高度集中，其亮度比太陽(yáng)強(qiáng)1010倍； 用途：信息、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、能源和國(guó)防領(lǐng)域。,1917年愛(ài)因斯坦在研究“黑體輻射能量分布”問(wèn)題時(shí)，提出-光與物質(zhì)的相互作用除了光吸收、光發(fā)射著兩個(gè)基本過(guò)程之外，還存在第三個(gè)基本過(guò)程-受激輻射。 問(wèn)題：光

30、與物理相作用的三種過(guò)程以及它們之間的關(guān)系？,5.8.1 受激輻射,光與物質(zhì)相互作用的三個(gè)基本過(guò)程：光的吸收、光發(fā)射、受激輻射,注：從高能E2向低能E1自發(fā)、獨(dú)立地發(fā)射一個(gè)光子，除了能量（頻率）受上式制約之外，其發(fā)射方向和偏振態(tài)都是隨機(jī)和無(wú)規(guī)則的。 單位體積、單位時(shí)間發(fā)生自發(fā)輻射原子數(shù)： N2代表高能E2的原子密度； A21代表自發(fā)輻射躍遷概率-自發(fā)輻射系數(shù)。與原子的性質(zhì)有關(guān)，與輻射場(chǎng)無(wú)關(guān)。負(fù)號(hào)表明自發(fā)輻射導(dǎo)致N2隨時(shí)間減少。,自發(fā)輻射的光子數(shù),如果原子處于低能級(jí)，當(dāng)有能量滿(mǎn)足hv=E2-E1的光子時(shí)，原子則可能吸收一個(gè)光子并躍遷到高能級(jí)E2。由于這個(gè)吸收過(guò)程只有存在適當(dāng)頻率的外來(lái)光子時(shí)才會(huì)發(fā)生

31、，故稱(chēng)為“受激吸收”。 單位體積、單位時(shí)間發(fā)生受激吸收的原子數(shù)：,其中系數(shù)B12稱(chēng)為受激吸收系數(shù)， 輻射場(chǎng)的能量密度， 受激吸收幾率。 吸收的結(jié)果導(dǎo)致高能級(jí)的原子數(shù)增加。,受激輻射的過(guò)程：當(dāng)一個(gè)能量滿(mǎn)足hv=E2-E1的光子趨近高能級(jí)E2的原子時(shí)，有可能入射的光子非但不被吸收，反而誘導(dǎo)高能級(jí)原子發(fā)射一個(gè)和自已性質(zhì)完全相同的光子來(lái)。 特點(diǎn)： 受激輻射的光子和入射光子具有相同的頻率、方向和偏振狀態(tài)。 受激輻射是受激吸收的逆過(guò)程，它的發(fā)生使高能級(jí)的原子數(shù)減少。,單位體積、單位時(shí)間發(fā)生受激輻射的原子數(shù)：,其中系數(shù)B21稱(chēng)為受激輻射系數(shù)， 輻射場(chǎng)的能量密度， 受激輻射幾率。,在熱平衡的條件下，只有當(dāng)輻射

32、體發(fā)射的光子數(shù)（包括自發(fā)輻射和受激輻射）等于吸收的光子數(shù)時(shí)，才能保持輻射場(chǎng)能量密度不變。,受激輻射的意義,愛(ài)因斯坦的黑體輻射理論首次預(yù)言了受激輻射的存在，明確提出了光子和受激輻射概念，以更清晰的物理圖像解釋了黑體輻射的規(guī)律近半個(gè)世紀(jì)后制造出了第一臺(tái)激光器。,5.8.2 激活介質(zhì),1、受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)與受激吸收的光子數(shù)之比等于E2/E1能級(jí)上的粒子數(shù)之比； 2、怎樣才能使受激輻射占主導(dǎo)地位呢？ 關(guān)鍵在于設(shè)法突破玻耳茲曼分布，使上能級(jí)的粒子數(shù)下能級(jí)的粒子數(shù)-稱(chēng)為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。 3、熱平衡下，光波通過(guò)物質(zhì)體系時(shí)總是或多或少的被吸收，因而越來(lái)越弱；但是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系相反。 4、激活介質(zhì)：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)，具有對(duì)光的放大作用。,光波通過(guò)介質(zhì)時(shí)強(qiáng)度隨距離呈： 由于一般介質(zhì)的吸收系數(shù)為正數(shù)，所以II0。對(duì)于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)介質(zhì)，吸收系數(shù)為負(fù)數(shù)，如令 g=-a，g為增益系數(shù)，則有： 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)稱(chēng)為“負(fù)吸收介質(zhì)”