光学材料 含(发光材料 红外光学材料 固体激光材料 光色材料).ppt

现代新型材料与纳米材料NewMaterialsandNanometer Materials 9 材料科学与工程学院刘颖教授主讲 2 第九讲光学材料 OpticalMaterials 3 主要内容发光材料红外光学材料固体激光材料光色材料 4 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 太阳光 星光 灯光 5 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 夜明珠 珍珠 猫眼石 6 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 青铜镜 望远镜 7 光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用 一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼 8 科学研究 工农业生产和人类生活等需要使用显微镜 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 光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料 望远镜 摄相机 眼镜 9 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 光学材料 10 发光材料 11 发光现象 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 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 绿色极光 荧光现象 12 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 实际应用的发光材料大多是激活型发光材料 13 发光微观过程 材料发光时 吸收外界的能量 产生高能电子和空穴 高能电子和空穴经过相互碰撞 又产生能量较低的电子及空穴 这个过程一直持续下去 直到电子的能量降低到和发光体禁带能量相匹配为止 期间发出光子 产生光 红色极光 半导体发光 14 发光的特征有三个 发光材料的发光颜色彼此不同 都有各自特征 选用不同的发光材料可得各种发光颜色 发光材料种类很多 发光颜色也覆盖整个可见光范围 材料的发光光谱可分为以下3种类型 宽带 半宽度一100nm 如CaWO4 窄带 半宽度一50nm 如Sr2 PO4 Cl Eu3 线谱 半宽度一0 1nm 如GdVO4 Eu3 究竟一种材料的发光光谱属于哪一类 既与基质有关 又与杂质有关 15 发光的第二个特征是它的强度 发光强度随激发强度而变 激光出现前 电子束能量较高 强度较大 一般不发光或发光很弱的材料 在阴极射线激发下可发出可觉察的光或较强的光 激光出现后 其强度可以大于107W cm2 在它激发下很容易引起发光 Samsung超薄CRT电视 16 发光的第三个特征是发光持续时间 最初发光分为荧光及磷光两种 荧光是在激发时发出的光 磷光是在激发停止后发出的光 瞬态光谱技术已把测量范围缩小到1ps 10 12s 以下 最快的脉冲光输出已短到8fs 1fs 10 15s 荧光及磷光的时间界限已不清楚 发光总是延迟于激发 当激发停止后 发光亮度从J0衰减到10 J0时 经历的时间为余辉时间 荧光现象 磷光夜明珠 17 发光材料由此可划分为6个范围 极短余辉 1 s 短余辉 1 10 s 中短余辉 10 2 1ms 中余辉 1 100ms 长余辉 0 1 1s 极长余辉 1s 18 自然界中很多物质或多或少都可以发光 发光材料中既有无机化合物 也有有机化合物 发光材料使用最多的是粉末状多晶固体无机化合物 其次是单晶和薄膜 根据发光类型 可把发光材料分为光致发光材料 阴极射线发光材料 X射线发光材料 场致发光材料 发光二极管等 蝴蝶翅膀上的磷粉具有发光现象 磷光虾 19 光致发光材料 光致发光是指发光材料从较高能量的光辐射 如紫外光 中得到能量 击发光子发光的现象 光致发光材料主要是荧光粉 早期的荧光粉是MgWO4与 Zn Be 2SiO4 Mn2 将荧光粉涂在充满汞的玻璃管内侧 汞在电场作用下放电产生紫外线 荧光粉吸收紫外线的能量 将其转化为白光放出 荧光高压汞灯 日光灯照明 20 荧光粉中加入Eu2 Ce3 Tb3 Yb3 等稀土离子 可使发光效率和显色性能得到显著提高 发红光的荧光粉有Y2O3 Eu3 很容易被254nm的射线激发 发蓝光的荧光粉有BaMgAl10O17 Eu3 和Sr2Al6O12 Eu3 等 发绿光的离子是Tb3 不容易被254nm的射线激发 常用Ce3 做为敏化剂 21 蓄光型发光材料也是光致发光材料中的重要一种 更注意发光的衰减规律和热释光性能 蓄光型发光材料可直接制成各种制品应用 如发光涂料 塑料膜板 纤维 陶瓷和玻璃等 稀土长余辉蓄光材料标示牌 22 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屏所发出的光 发光区域只局限于电子所轰击的区域附近 由于电子的能量在几千电子伏以上 除发光以外 还可以产生x射线 扫描仪中的阴极射线管 23 阴极射线发光材料 24 阴极射线发光材料可制备阴极射线管 用途广泛 阴极射线管大量用于彩色电视机的显像管 对人们的生活有巨大影响 阴极射线管还可用于示波器 雷达以及特殊要求的显示屏等 舰用雷达显示屏 投影管 电视显像管 25 飞点扫描管要求发光的上升及衰减都很快 Ce2 可满足这个要求 Y2SiO3 Ce Y3A15O12 Ce及它们的混合物的余辉约为10 7 10 8s 雷达显示屏要求长余辉 一般采用双层屏 在电子束轰击下 电子束激发第一层材料ZnS Ag 发出短余辉的蓝光 它再激发第二层材料 Zn Cd S Cu Al 发射长余辉的黄光 倒车雷达显示屏 26 场致发光材料 半导体材料在外电场作用下 出现发光的现象称为场致发光 半导体材料场致发光的微观过程主要是碰撞激发或离化杂质中心 场致发光玻璃饰品 场致发光纤维 27 半导体材料与金属电极相接的界面上形成势垒 电子从金属一侧隧穿到半导体的几率很大 电子进入半导体后被其体内电场加速 当它与发光中心或基质某个电子碰撞 会将部分能量交给中心或基质电子 使它们被激发或被离化 激发 电子从激发态跃迁到基态 发射出光来 离化 电子进入导带成为整个晶格所有 电子与离化中心复合时 发出光束 28 场致发光材料在交流电压或直流电压作用下都可发光 最常用的直流场致发光材料有ZnS Mn Cu 亮度约350Cd m2 发光效率为0 5lm W ZnS Ag可发出蓝光 ZnCd S Ag可发出绿光 改变配比 ZnCd S Ag可发出红光 近年来还试用在CaS SrS等基质中掺杂稀土元素的直流场致发光材料 蓝色场致发光材料 黄色场致发光材料 红色场致发光材料 29 交流场致发光效率较高 可达15lm W 场致发光的研究和应用都以交流场致发光为主 交流场致发光材料 30 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 发光二极管所用材料具有下述特性 发光在可见光区 Eg 1 8eV 700nm 材料容易作成n型及p型 有效率高的发光中心 效率降到初始值一半的时间要大于105h 材料能生长成单晶 能规模生产 价廉 发光二极管 31 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 各色发光二极管 作为强光源使用的发光二极管 32 发光二极管最有前景的用途是照明 发光二极管照明具有高效节能 环保 寿命长 易维护等特点 被认为是进入普通照明领域的一种新型固态冷光源 以发光二极管为主的半导体照明被誉为是人类照明史上继白织灯 荧光灯之后的又一次革命 照明用发光二极管 33 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 LED显示屏 Sony LED电视 34 北京奥运会开幕式开场的画轴打开在一个巨大的LED屏幕上 LED屏幕长147米 宽22米 总面积3234平方米 上面铺了44000颗LED LED地面完全经得住演员踩踏 水浸等考验 LED大屏分辨率高达7052 1056 是普通电脑的5倍 制造的光影效果和表演密切结合 将观众引入梦幻世界 35 光立方是国庆60周年联欢晚会的一个表演区 以天安门广场国旗旗杆为中心 四周有4028棵的LED 发光树 每一棵发光树的LED管通过电脑操作可变换 种颜色 高度也可以变换 且左右摇摆 4028名表演者站在 树 下 用手持道具配合 发光树 按照指令进行表演 36 国庆彩车 2009年春节联欢晚会 37 上海世博会 LED继续大放异彩 舞台上空出现了一只巨型 白鸽 随着音乐挥动翅膀 白鸽 由770个LED灯球组成的矩形方阵 在随后节目中 这些灯球随旋律的变化变幻出EXPO 世博会中国馆等造型 同时伴随着的是蓝色 紫色 红色等绚烂颜色 38 283 5米宽 26 4米高 总面积达7000多平方米的LED巨型屏幕呈现出美丽画面 这一目前世界上最大的电视屏幕 在呈现给观众视觉盛宴的同时 也给黄浦江新增一道美丽的风景 39 卢浦大桥经LED光源改造后 宛如天际一道绚丽的彩虹6000只LED发光球变幻着红 橙 黄三色从黄浦江上游的卢浦大桥顺流而下 来到江心舞台 形成一派锦绣灿烂的场面 40 世博园区内共有10 3亿颗LED芯片使用 世博场馆室内照明电源中约有80 采用LED绿色光源 相较于普通白织灯 省电90 油立方 41 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 吴有训 康普顿 1927年诺贝尔物理学奖 42 根据对发光材料的要求 参照在其他激发方式下发光材料的性能 已研制出一系列X射线发光材料 X射线发光材料 43 X射线发光材料可将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 用于X射线远视及照相 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 医用CT系统 44 红外光学材料 45 红外线 红外线同可见光一样都是电磁波 它的波长范围很宽 从0 7 m到1000 m 红外线具有波粒二象性 遵守光的反射和折射定律 在一定条件下产生干涉和衍射现象 每种处于0K以上的物体均发射特征电磁波辐射 主要位于电磁波谱的红外区域 这个特征对于军事观察和测定肉眼看不见的物体具有特殊意义 46 红外材料 红外材料是指能透过红外线 并对不同波长红外线具有不同透光率 折射率及色散的材料 红外材料主要包括碱卤化合物晶体 碱土 卤族化合物晶体 氧化物晶体 无机盐晶体及半导体晶体 单质晶体 单质锗 硅可作为红外光学材料 碱卤化合物晶体 如LiF NaF KCl KBr等碱土 卤族化合物晶体 如CaF2 BaF2 SrF2 MgF2等 氧化物晶体 Al2O3 SiO2 MgO TiO2等氧化物无机盐化合物晶体 SrTiO3 Ba3Ta4O15 Bi4Ti3O2等 47 红外材料的用途 红外光学材料主要应用于以下方面 辐射测量 光谱辐射测量 如非接触温度测量 农业 渔业 地面勘察 探测焊接缺陷 微重力下热流过程研究 对能量辐射物的搜索和跟踪 如宇航装置导航 火箭 飞机预警 遥控引爆管等 红外测量 红外遥控 红外警报器 48 制造红外成像器件 夜视仪器 红外显微镜等 用于红外光学系统中的窗口 整流罩 透镜棱镜 滤光片等 可用于军事上的伪装识别 半导体元件和集成电路的质量检查等 军用红外夜视仪 红外显微镜 红外窗口 49 通信和遥控 宇宙飞船之间进行视频和音频传输 海洋 陆地 空中目标的距离和速度测量 这种红外通信比其他通信 如无线电通讯 抗干扰性好 也不干扰其他信息 保密性好 而且在大气中传杨 波长愈长 损耗衰减愈小 手机红外通讯口 红外通讯适配器 50 固体激光材料 51 激光 材料中原子处于不同能量状态 一个原子吸收外界能量后由低能态跃迁到高能态的过程称为 激发 处于高能态的原子是不稳定的 它可自发恢复到低能态 并伴随有光的发射 称为自发辐射 高能原子发生自发辐射前 受外来光子 能量为E2 E1 的刺激 可从E2跃迁到E1 同时辐射一个与外来光子同频率 同位相 同方向 同偏振态的光子 称为受激辐射 受激辐射 52 用一个光子去激发位于高能级的电子或离子 使之放出光子 受激发射产生的光就是激光 如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于激发状态 再用外界光感应 使所有处于激发状态的原子和离子几乎同时产生受激辐射而回到低能态 将发出具有强大能量密度的光束 高度的方向性 亮度高 单色性好 相干性好 高能激光束 53 激光材料 激光系统最重要的是激光工作物质 分为固体 液体和气体激光工作物质 固体激光器是最重要的一种 不但激活离子密度大 振荡频带宽 能产生谱线窄的光脉冲 而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能 固体激光器 54 晶体激光材料 绝大部分激光晶体是含激活离子的荧光晶体 按照晶体组成可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类 前者占现有激光晶体的绝大部分 掺杂型激光晶体由激活离子和基质晶体组成 掺杂激光晶体发射的激光束 55 激活离子 过渡族金属离子 三价稀土离子 二价稀土离子等 Nd3 激光阈值极低 可实现连续运转 已成为晶体激光器中最重要 应用最广的激活离子 金属激活离子 56 基质晶体 氧化物和复合氧化物晶体具有熔点高 硬度大 物理化学性能稳定 掺入三价激活离子不需电荷补偿等特点 是应用最广的一类基质晶体 如Al2O3 Y2O3 La2O3 Gd2O3 Y3Al5O12 YAG Gd3Al5O12 GAG Y3Ga5O12 YGG 等 Al2O3 YAG等氧化物晶体已获得广泛的应用 激光舞台应用 57 掺杂型激光晶体有稀土激活离子和过渡族激活离子两大类 前者以掺Nd钇铝石榴石 Nd3 YAG 为代表 后者以红宝石 Cr3 Al2O3 为代表 红宝石激光器发射的波长为可见红光 很容易进行探测和定量测量 在激光器的基础研究 强光光学研究 激光光谱研究 激光全息技术 激光雷达与测距方面有广泛应用 红宝石激光器 58 Nd YAG激光器阈值比红宝石低 增益系数大 重复率可达每秒几百次 每次输出功率可达百兆瓦以上 用于军用激光测距和制导用激光照明等领域 这种激光器是唯一能在常温下连续工作 且具有较大功率的激光器 Nd YAG激光器 美国进行大功率激光发射实验 59 半导体激光材料 受激辐射的激发方式主要有三种 光辐照 电子轰击和向p n结注入电子 其中pn结注入电子是半导体产生激光的重要方式 半导体激光器是固体激光器中重要的一类 又称激光二级管 它是利用少数载流子注入产生受激发射的器件 60 三明治夹层结构 p型的GaAs夹在GaAlAs之间 GaAlAs一个p型 一个n型 GaAlAs比GaAs有高的带隙 可借助高带隙界面位垒把电子限制在激活区内 电子及其产生的光被限制在激活区内 大大减少器件中的电流密度 可允许器件在较高的温度下工作 体积小 效率高 运行简单 价廉 半导体激光器的基本结构 61 用于近红外短波长半导体激光器的材料主要是780nm的A1GaAs GaAs材料 800nn的GaInP GaAs和980nm的GaInAs GaAs材料 前者主要用来制备CD系列光盘的读 写 擦用半导体激光器 后者主要用来制备用作光纤放大器的半导体激光器 光盘读写激光器 光纤放大器泵浦源 62 用于近红外长波长半导体激光器材料是指对应于1 3 1 55 m波段的InP基激光器材料 与InP衬底晶格匹配的InGaAs InGaAsP AlInGaAs等材料的带隙正好覆盖1 3 m和1 55 m这两个重要的光纤通信窗口 因而InP可作光纤通信的核心器件 近红外长波长激光器 lnP基半导体材料在探测器