《无机材料光学》PPT课件.pptVIP

无机材料光学性能 无机材料2007教师 李享成同学 2 无机材料的光学性能 无机材料的主要用途 器件 窗口 透镜 激光器 光导纤维等除了大量使用玻璃 还有部分需要使用透明陶瓷 如高压钠灯的外壳用透明陶瓷 激光陶瓷日用陶瓷的颜色 光泽等也和陶瓷的光学性能有关 3 光速 真空 折射率 折射定律 三线共面 1 两媒质界面上光的折射和反射 4 折射 光在不同材料中速度不同 材料对光有折射 折射率为 n c v材料 n 1N的影响因素 构成材料元素的离子半径 离子半径越大 材料极化 折射率增加 5 材料的结构 晶型和非晶态 材料的各向同性 材料一个折射率 各向异性 材料有双折射率材料的内应力 应力将改变材料的折射率同质异构体 高温型的折射率低 低温型较高 6 2 光的反射与折射折射率与传播速度的关系 折射定律 材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢 光密介质 在折射率大的介质中 光的传播速度慢 光疏介质 在折射率小的介质中 光的传播速度快 材料的折射率从本质上讲 反映了材料的电磁结构 对非铁磁介质主要是电结构 在光波作用下的极化性质或介电特性 7 正是因为介质的极化 拖住 了电磁波的步伐 才使得其传播速度变得比真空中慢 铁磁性材料非铁磁性材料 8 在真空中 光以恒定的速度传播 与光的频率无关 然而 在通过任何物质时 光的传播速度要发生变化 而且不同频率的光在同物质中的传播速度也不同 这一事实在折射现象中最明显地反映了了出来 即物质的折射率与光的频率有关 折射率n取决于真空中光速c和物质中光速u之比 即这种光在介质中的传播速度 或介质的折射率 随其频率 或波长 的减小而减小的现象 称为光的色散现象 6 4 3介质对光的色散色散的一般现象 9 1672年牛顿首先利用棱镜的色散现象 把日光分解成了彩色光带 棱镜的折射率为在棱镜顶角A已知的条件下 通过最小偏向角 m的测量 利用上式可以得到棱镜材料对该波长的光的折射率n 用各种波长 的光入射 即可得到 m和n随波长 的变化关系 10 4反射 反射率R 透射系数 1 R 11 光疏介质和光密介质全反射 当光从光密介质射向光疏介质 且入射角大于临界角时 光线被100 反射的现象 此时不再有折射光线 入射光的能量全部回到第一介质中 临界角 光纤导光原理 全反射 光的全反射 12 光纤结构示意图 纤芯 5 75 m掺杂了的SiO2 n一定或随半径增加而减小 包层 总直径为100 200 m 折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2 涂敷层 硅铜或丙烯酸盐 隔离杂光 护套 尼龙或有机材料 增加强度 保护光纤 光的全反射 13 5介质对光的吸收 在光束通过物质时 它的传播情况将要发生变化 首先光束越深入物质 它的光强将越减弱 这是由于一部分光的能量被物质所吸收 而另一部分光向各个方向散射所造成的 这就是光的吸收和散射现象 其次 光在物质中的速度将小于光在真空中的速度 并将随频率而改变 这就是光的色散现象 光的吸收 散射和色散这三种现象 都是由于光与物质的相互作用引起的 实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的 14 换言之 若入射光强为I0 则通过l的物质后的光强为称为布格定律 Bouguerlaw 或朗伯定律 式中 是与光强无关的比例系数 称为该物质的吸收系数该定律是布格 P Bouguer 1698 1758 在1729年发现的 后来朗伯 J H Lambert 1728 1777 在1760年又重新作了表述 吸收定律 15 可见光中波长最短的是紫光 波长最长的是红光 所以 Eg 1 8eV的半导体材料 是不透明的 因为所有可见光都可以通过激发价带电子向导带转移而被吸收 Eg 1 8 3 1的非金属材料 是带色透明的 因为只有部分可见光通过激发价带电子向导带转移而被材料吸收 吸收的物理机制 16 除了真空 没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的 任何一种物质 它对某些波长范围内的光可以是透明的 而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的 例如 在光学材料中 石英对所有可见光几乎都透明的 在紫外波段也有很好的透光性能 且吸收系数不变 这种现象为一般吸收 但是对于波长范围为3 5 5 0 m的红外光却是不透明的 且吸收系数随波长剧烈变化 这种现象为选择吸收 换言之 石英对可见光和紫外线的吸收甚微 而对上述红外光有强烈的吸收 一般吸收和选择吸收 17 又例如 普通玻璃对可见光是透明的 但是对红外线主紫外线都有强烈的吸收 是不透明的 因此在红外光谱仪中 棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作 而紫外光谱仪中 棱镜常用对紫外线透明的石英制作 实际上 任何光学材料 在紫外和红外端都有一定的透光极限 任何物质都有这两种形式的吸收只是出现的波长范围不同而已 6 3 18 光的散射导致原来传播方向上光强的减弱如果只计及各种散射因素 光强随传播距离的散射减弱仍符合指数衰减规律 对于一般介质中光强的减弱 来自两个方面 吸收和散射 因此光强衰减为 6介质对光的散射光散射现象 19 一 弹性散射分类按照散射中心尺度a0与入射光波长 是大小 分为三类 1 廷德尔散射TyndallScattering J Tyndall 1820 1893 当a0 时 0即散射中心的尺度远大于光波波长时 散射光强与入射光波长无关如粉笔灰 白云呈白色例如在胶体 乳浊液以及含有烟 雾或灰尘的大气中的散射 20 2 米氏散射MieScattering当a0与 相近时 0 4即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时 在0 4之间 具体取值与散射中心有关 米氏散射性质比较复杂 21 3 瑞利散射Rayleighscattering当a0 时 4即当散射中心的线度远小于入射光的波长时 散射强度与波长的4次方成反比通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射 称为瑞利散射 Rayleighscattering 瑞利散射不改变原入射光的频率 22 为了解释天空为什么呈蔚蓝色 瑞利 J W S Rayleigh 1842 1919 研究了线度比光的波长小的微粒的散射问题 在1871年提出了散射光强与波长的四次方成反比的关系 即这就是瑞利散射定律 瑞利散射定律 23 按照瑞利散射定律 我们不难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同 入射波长越长 散射光强越小 即长波散射要小于短波散射 因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚 阳光透过大气层越厚 其中蓝紫色光成分损失越多 太阳显得越红 Global 早晨 中午 太阳光 24 7无机材料的透光性 介质对光的吸收光在介质内部因为碰撞及热效应使得光的能量衰减 既光被介质吸收郎伯特定律 光强度随着厚度的变化符合指数衰减规律半导体对光的波长有选择性吸收 因为半导体的Eg关系 半导体对满足其电子跃迁的能量有选择 这样材料有透光性 25 无机材料的透光性 无机材料是多晶多相体系 除了晶体外 还有气孔 杂质 晶界 微裂纹等 它们将对光波产生散射 一般地 无机材料是不透明的透光度 综合指标 光能通过陶瓷材料后 剩余光能所占的百分比 如教材第185页图4 6影响因素多 具体有如下原因 26 吸收系数 材料对光的吸收 不是主要原因反射系数 反射越大 材料的透光性越差散射系数 影响材料透光性的主要原因 有材料的宏观及显微缺陷 晶粒的排列方向 气孔引起的散射 这将非常影响材料的透光性能 27 提高无机材料透光性的措施 提高原料的纯度添加外加剂 一方面这些质点将降低材料的透光率 但由于添加这些外加剂将可以降低材料的气孔 从而提高材料的透光率工艺措施 采用热压法比普通烧结法更容易排除气孔 即降低气孔 将晶粒定向排列将可以提高材料的透光率 28 8激光 图4 1原子的三种激发方式 29 三种激发方式 受激吸收 入射光的能量hv被吸收 原子从E1跃迁到E2 hv E2 E1 自发辐射 原子从高能级自发跃迁到低能级 辐射光子hv E2 E1 光的方向的随机的 受激辐射 受入射光hv激发 原子从E2跃迁到E1 辐射出二个与入射光同方向同相位的光 二个光又去诱发更多的发光粒子 30 激光原理 图4 25激光原理 a 原子在入射光hv3的激发下 从基态跃迁到最高能带E3 b 在E3上的原子迅速跃迁到亚稳带E2 辐射出hv32 c E2是亚稳态能级 粒子在其上作较长时间停留 实现粒子数反转 d 在任一入射光的辐射下 产生受激辐射出激光 31 粒子数反转 E2上的原子比E1上的多 激光工作物质 二能级系统 E1 E2 既使有光的激励 也不能实现粒子数反转 需有一个能级 粒子能在该能级上具有较长的停留时间或较小的自发辐射机率 此能级称为亚稳态能级 图4 2 32 泵浦 粒子从低能级进入高能级实现粒子数反转的过程 泵浦源 实现泵浦的装置 如自发辐射的强光或激光束 辉光或高压放电 电子空穴复合 化学反应等 工作 激活 物质 能够实现粒子数反转的物质 处于亚稳态 激活态 谐振腔 把激光介质放在一对反向镜之间 R1 1 R2 1 只在谐振腔轴线方向及其附件能够得到激光输出 33 光纤放大器示意图 激光二极管发出种子光 经耦合器 进入到掺铒光纤中 将光纤泵浦 34 激光特点 极好的方向性 单色性 极小的线宽 相干性强 极高的亮度 35 激光种类 按工作物质分 气体LaserHe Ne 1 10 小功率 离子气体 Ar 染料激光器泵浦源 CO2大功率Laser KrF准分子 液体Laser染料Laser固体LaserNd YAG半导体Laser输入能量低 效率高 体积小 重量轻 GaAs AlGaAs GaAs AlGaAs 36 37 Example Calculatetherangeofmagnitudeofenergytransitionsthatareinvolvedintheabsorptionofvisiblelightbytransitionmetalions 38 Solution Ineachcase theabsorptionmechanisminvolvesaphotonbeingconsumedbygivingitsenergyasgivenbythefollowedequationtoanelectronthatispromotedtoahigherenergylevel Th