光功能与复合材料.ppt

1 上节回顾: 电子能带和直接带间跃迁间接带间跃迁 带内跃迁 2 光的发射 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） 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 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。 自发辐射(Spontaneous Emission) 根据电子跃迁所需时间，发射的光可分为： 根据发光产生的原因，可分为： 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 蜡烛，白炽灯等 3 受激辐射（激光）(Stimulated Emission) LASER: light amplification by stimulated emission of radiation 特点：单色性；准直性（collimation） 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。 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 4 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 四能级激光 5 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）。 6 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 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 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 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 7 300 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。 8 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 9 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 色彩图，其中一些商用的二极管被标出 10 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。 11 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 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。 12 光存储器件 13 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。 光学计算机 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 14 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。 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。KX射线：L-K；KX 射线：M-K。 15 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。 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6-10m）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。 16 透明玻璃钢性能的特点： 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 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%。 17 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。 玻璃纤维的直径及其在玻璃钢中的体积含量 直径越细，透光系数越小。在相同纤维含量下，纤维的直径越细，表面积越大， 玻璃钢的反射系数越大，因而降低玻璃钢的透光系数。 一般情况下，玻璃钢的透光系数随玻璃纤维体积含量的增加而减少，但如果玻璃纤 维的折射率与黏结剂的折射率相差很小，且玻璃纤维的吸收系数小得多，则可能发生 玻璃钢的透光率随玻璃纤维体积含量的增加而增大的情况。 影响玻璃钢透光率的因素： 18 透光复合材料的应用与发展 透光复合材料的性能取决于树脂基体、玻璃纤维以及填料、纤 维与树脂间界面的黏结性能以及光学参数的匹配。 强度和刚度取决于纤维，纤维的光学性能一般较固定；而树脂 在相当程度上与其化学、物理性能有关。 目前研究工作的重点之一是如何使树脂的光学性能与玻璃 纤维相匹配，同时兼顾如力学性能、阻燃性、耐老化性、色泽 等其他性能。 19 光致变色复合材料 光致变色复合材料是指能在激发下产生变色作用的复合材料，它是光 功能复合材料中比较有特殊性的一类。 原理： 所谓光致变色是指一个单一化学物质A在受到某种波长光的照射时， 结构发生变化，形成B；若用另一种波长光照射或在热的作用下，物 质B又可以可逆地形成物质A。 光色玻璃 用玻璃作基体的光致变色复合材料 在紫外光或可见光中的蓝紫光辐照下，能够在可见光区域产生光 吸收而着色，去除辐射后又回复原始状态。目前的光色玻璃大致 有还原性碱金属硅酸盐玻璃、含卤化银玻璃和以CdO为主的玻璃 20 感光复合材料 在光的作用下能迅速发生光化学反应，引起物理和化学变化的复合 材料。其功能体通常有感光树脂和感光化合物。 感光树脂：在光作用下，短时间发生化学反应，并使其溶解性发生变 化的一类高分子。即