第10章材料的光学性能.ppt

第10章材料的光学性能 Opticalpropertiesofmaterials 10 1光与材料的作用 Interactionbetweenlightsandmaterials 10 1 1光的物理本质 Physicalessenceoflights 可见光 波长处于人眼能够感知范围的那部分电磁波 波长范围很窄 颜色随波长改变 白光是各色光的混合 光波也由电场分量与磁场分量组成 这两种分量彼此垂直且都垂直于光的传播方向 电磁波在真空中的传播速度c 3 108m s 且有 其中 0和 0分别为真空中的介电常数和磁导率 光在非真空介质中传播时光速 其中 和 分别为介质的介电常数和磁导率 r和 r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率 考虑光的量子性 将光看成粒子 其能量量子即为光子 光子的能量 其中 为频率 为波长 h为普朗克常数 10 1 2光与材料作用的一般规律 Generalrulesoftheinteractionbetweenlightsandmaterials a 吸收 b 散射 b 透射 b c d 反射 入射到材料表面的光的能流率为 0W m2 则有 0 T A R S其中 T A R S分别是透射 吸收 反射 散射的能流率 用 0除等式两边 则有T A R S 1 分别称为透射率 吸收率 反射率和散射率 折射 反射 散射 吸收各有其微观机制 光与固体中的原子 离子 电子等的相互作用 第一 引起材料中的电子极化 光波的电场分量与传播路径上的原子作用 造成电子云的负电荷中心与原子核的正电荷中心发生相对位移 光的部分能量被吸收 光速降低 折射 第二 引起材料中电子能态的改变 光子能量恰好为孤立原子两能级差 将电子激发到高能级 光子消失 吸收 这种吸收的条件为 E h ij其中i j为原子中电子的两个能级 E Ei Ej为这两个能级的能级差 ij为能量恰好为这一能级差的光子的频率 h为普朗克常数 只有能量为电子能级差的光子才能被吸收 可被孤立原子吸收的光子是不多的 固体中 能带准连续 不同能量 频率 的光子都有可能被吸收 吸收了光子的电子处于高能量的受激态 不稳定 又会按不同途径衰变返回基态 同时发射不同波长 能量 的电磁波受激电子又直接衰变回原能级 发射与入射光同样波长的光波 反射 10 1 3金属材料对光的吸收和反射 Absorptionandreflectionofmetallicmaterialstolights 金属对可见光一般不透明 能带结构决定 费米能级以上有许多空能级 可吸收不同波长的光子将电子激发到空能级上 大部分被激发电子又会衰变回基态 放出与所吸收的光子同波长的光子 反射光 大多数金属的反射率在0 9 0 95之间 其余能量转换成其他形式的能量 如热量 金属对不同波长的光的反射能力不同 反射光的波长不同 颜色不同 10 1 4非金属材料对光的反应 Interfactionbetweennon metalmaterialsandlights 光从真空进入材料时速度降低 光在真空中的速度c和材料中的速度v之比即为材料的折射率n c v 当光从材料1中通过界面进入材料2时 在材料1中入射光与界面法线所成的角即入射角为i1 在材料2中折射光与界面法线所成的角即折射角为i2 1非金属材料对光的折射 n21 称为材料2相对于材料1的相对折射率 n1 n2分别为材料1 2的折射率 v1 v2分别为材料1 2中的光速 由材料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得 其中 r和 r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率 大多数非金属材料的磁性很弱 r 1 有 由于 r 1 材料的折射率总是大于1的 大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相对位移 r增大 可用大离子构成高折射率的材料 小离子构成低折射率的材料 均质介质 非晶态材料和立方晶系的晶体 对光是各向同性的 只有一个折射率 非均质介质 非立方晶系的晶体 光线入射到该介质中会产生双折射现象 即出现两条振动方向相互垂直 转播速度不等的折射线 双折射导致双折射率 平行于入射面的光线的折射率为常数 与入射角无关 称为常光折射率n0 严格服从折射定律 另一条与之垂直的光线不严格遵守折射定律 所构成的折射率的大小随入射光方向变化 称为非常光折射率ne 双折射现象 例如对石英 n0和ne分别为1 543和1 552 对方解石 n0和ne分别为1 658和1 486 一般沿晶体密堆方向ne较大 光线从一种透明介质进入另一种折射率不同的介质时 总有一部分光线在界面处被反射 光线垂直于或接近垂直于界面入射时 反射率 2非金属材料对光的反射 n1 n2 两种介质的折射率 如果是从真空或空气射入到某种材料 则有 n 该材料的折射率 折射率高则反射率高 光从介质1进入介质2后可发生连续多次的反射和折射 反射光强是各次反射的总强度 透射光强是在介质2中反复传播过程中吸收和散射损失以及反射以外的光的总强度 3非金属材料对光的吸收 吸收机理 电子极化 电子受激吸收光子跃迁 到禁带以上的能级或禁带中的杂质或缺陷能级 显然 光子能量 E大于禁带宽度Eg 将电子从满价带激发到空导带上 并在价带留下一个空穴 c为真空中的光速 和 分别为光的频率和波长 可计算出Eg 3 1eV时波长最短的紫光 0 4 m 也不能将电子激发 不吸收可见光 可能是无色透明的 Eg 1 8eV时波长最大的红光 0 7 m 也可将电子激发到空导带中 吸收所有颜色的可见光 不透明 对于1 8eV Eg 3 1eV的非金属材料 则可能吸收波长较短 部分颜色 的可见光 可能是带色透明的 禁带较宽的介电材料不纯时也可吸收光子 杂质和缺陷在禁带中引入中间能级 使低能量光子能够将电子从满价带激发到中间能级或从中间能级激发到空导带 吸收光子 不同材料对电磁波 光 的吸收率与波长的关系 红外吸收 与晶格振动有关 离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量所致 金属和半导体的禁带宽度为0或很窄 对可见光有很大的吸收率 吸收光子后受激发的电子处于高能态 会以不同的形式释放能量 衰变回满价带 电子经中间能级返回满价带 发射出两个低频率光子 直接返回满价带 与空穴结合 发射出原频率的光子 电子经中间能级返回满价带 发射出一个低频率光子和一个声子 放热 吸收系数 介质的厚度为x 光射入介质时的强度为I0 经吸收后的射出介质的强度为I 吸收能量损失正比于光强度I和厚度x 则有 dI Idx I I0e x 称为材料对光的吸收系数 吸收后的光强度随材料厚度增大呈指数衰减 朗伯特定律 例 空气的 10 5cm 1 玻璃的 10 2cm 1 金属的 104 105cm 1 金属实际上不透明 4非金属材料对光的散射 介质中含有折射率不同的第二相粒子 晶界 气孔 夹杂物等不均匀结构 使光偏离原来的折射方向 从而引起光的散射 经散射后的射出介质的光强度I I0e Sx其中I0为光射入介质时的强度 x为介质的厚度 S称为材料对光的散射系数 一般通过透射率和反射率的测试间接测量吸收系数 或散射系数S 二者引起的光强度的总衰减I I0e S x Bouguer定律 散射光的波长可能与入射光相同 也可能不同 散射系数不仅与介质中的缺陷 如散射颗粒 的大小 分布 数量等有关 还与散射相和基体的相对折射率有关 部分散射强烈依赖于入射光的波长 在某一粒子直径下散射最大 散射系数最大时的质点直径 n 散射质点与玻璃基体的相对折射率 为入射光的波长 当散射质点直径d 波长 时 可以认为所引起的散射系数与散射质点的投影面积成正比 即 S KN R2N 单位体积内的散射质点数 R 散射质点的平均半径 K 基体与散射质点的相对折射率决定的系数 当两者的折射率相近时为0 假设散射质点的体积分数为V 则有 散射质点体积分数一定时 质点直径越大 散射系数越小 5非金属材料的透光性 反射 折射 散射 二次反射 强度为I0的光线从介质1 假设为空气或真空 垂直入射到厚度为x的材料 介质2 中 射出 至少有四次能量损失 第一次反射损失 R为反射率 n为介质2的折射率 所以进入介质2的光强度为I0 1 R 经吸收和散射后其能量损失E23 I0 1 R 1 e S x 其中 和S分别为介质2的吸收系数和散射系数 光线到达介质2的右表面的强度只有I0 1 R e S x 二次放射的能量损失E4 I0R 1 R e S x 传出介质2的透射光强度只有I I0 1 R 2e S x 此时的I I0才是近似的透射率 忽略了多次反射后形成的透射光 略低于实际测得的透射率 影响透射率的因素 吸收系数 散射系数和反射率都影响透射率 非金属材料吸收系数较低 对透射率影响不大 其透射率的主要因素是散射系数 宏观和微观缺陷 如第二相粒子 夹杂物 气孔 孔洞等在相界面产生散射 气孔和孔洞与基体的相对折射率大 引起的散射损失大 一般陶瓷材料的气孔直径大约为1 m 用特殊的工艺消除大尺寸气孔 使气孔直径减小到0 01 m的数量级 散射系数可降低三个数量级以上 得到透明陶瓷 多晶材料晶粒的取向差 常光折射率n0和非常光折射率ne相差越大 散射越严重 例如 Al2O3 刚玉 n0和ne分别为1 760和1 768 计算出晶界反射率R 5 14 10 6 经过多次反射 晶界散射引起的损失也不大 可制成透光率很高的耐高温灯管 金红石晶体 n0和ne分别为2 854和2 567 晶界反射率R 2 8 10 3 如果平均晶粒直径为3 m 厚度为3mm 可算出透过率只有 1 R 1000 0 06 不透光 提高透光性 用高纯原料 既防止异相的生成增大散射 又防止杂质能级提高吸收率 掺杂微量成分降低气孔率 并形成与主晶相折射率相近的固溶体降低散射 例 向Al2O3中加少量MgO Y2O3 La2O3等 用热压 热煅 热等静压等工艺方法降低气孔率 降低透光性 不透明 乳浊态 生成尺寸与入射光波长相近 体积分数大 与基体折射率相差大的颗粒 例 向硅酸盐玻璃中加入TiO2 SnO2 ZrO2 ZrSiO4等乳浊剂颗粒 加入气孔 加入NaF CaTiSiO5 As2O5等乳浊剂在玻璃中结晶析出细小颗粒 搪瓷釉 适当调整 半透明陶瓷 改变透射率的方法 不透明材料的颜色由反射光的波长决定 透明材料的颜色由透射光波长决定 6非金属材料的颜色 蓝宝石 氧化铝单晶红宝石 掺杂有少量Cr2O3的氧化铝单晶 对各波长的光的透射率相近 无色 对陶瓷 玻璃 搪瓷 水泥等无机材料 通常采用分子着色剂和胶体着色剂改变其颜色 分子着色剂 加入不同的离子在基体材料的禁带中形成杂质能级而选择性吸收某些波长的光 例 Co2 呈蓝紫色 Cu2 呈蓝绿色 Cr3 呈现鲜艳的紫色 CrO42 呈黄色 MnO4 呈紫色 改变颜色的方法 胶体着色剂 胶体金 银 铜等金属着色剂 颜色随粒径改变 如胶体金粒径小于20nm弱黄色 20 50nm红色 100 150nm透射呈蓝色 反射呈棕色 非金属胶体着色剂如硫硒化镉 在不同温度和气氛下烧制陶瓷可能形成不同的氧化物 改变颜色 窑变 绚丽多彩 10 2材料的发光和激光 Luminescenceofmaterialsandlaser 10 2 1发光和热辐射 Luminescenceandheatradiation 发光 激发态电子衰变回低能级同时发出可见光的现象 激发原因 热激发 高能辐射如X射线 紫外光照射 电子轰击等 短波长的可见光 热激发 温度升高从红外线到白炽光 白炽灯 辐射式温度计 普通物理 这里讨论发射冷光 即在低温下发光 荧光灯 阴极射线管 荧光屏 X光闪烁计数器 公路夜视路标 夜光仪表等 不同应用场合需要不同的冷光余辉时间 例如夜视路标需要长余辉 而电视荧光屏的余辉时间过长则会产生影像重叠 冷光分为荧光和磷光 延迟时间短于10 8s的称为荧光 长于10 8s的称为磷光 荧光 电子直接从导带跳回价带 发射一个光子 磷光 电子从导带跳回被杂质能级Ed捕获 再从陷阱中逸出跳回价带发射两个光子 发射时间延迟 10 2 2激光的产生 Initiationoflaser 以红宝石激光器为例 工作物质 红宝石 在蓝宝石 Al2O3单晶 中加入0 05 Cr3 离子的产物 Cr3 离子提供了发生布居反转 高能态电子多 所需的电子能态 用氙气闪光灯 波长560nm 照射红宝石 激发Cr3 离子中基态的电子并形成粒子数反转 高能态电子返回基态的两种途径 第一 从高能态直接返回基态 同时发射一个光子 自发辐射 产生的光不是激光 第二 先衰变到亚稳态能级 停留3ns后返回基态并发射光子 3ns是相对很长的时间 在亚稳态能级上聚集了很多电子 当有几个电子自发从亚稳态返回基态时 会带动许多电子以 雪崩 的形式返回基态 发射出许多状态完全相同的光子 基本平行于红宝石柱轴向传播的光子一部分穿过部分反射镜 一部分被两个反射镜来回反射 在红宝石中来回传播 激发出更多状态完全相同的光子 从基态到激发态经亚稳能级构成的三能级激光器 相干光越来越强 透过部分反射镜发出高度准直的相干波 波长694 3nm的单色激光 10 3光学材料 Opticalmaterials 10 3 1发光材料 Luminescentmaterials 发光材料指用来发出荧光或磷光的材料 例 灯罩涂特制的钨酸盐或硅酸盐 水银辉光放电产生的紫外线激发出荧光 荧光灯 例 真空管中涂磷光体 一定扫描特性的电子束射到磷光体上形成图像 显示器 显象管 一般性能要求 高发光效率 希望的发光色彩 适当的余辉时间和与基体较强的结合力 余辉时间 一般规定为激发去除后发光强度降低到初始强度的1 10所用的时间 荧光材料 主要是具有共轭键 电子 的以苯环为基的芳香族和杂环化合物 磷光材料 主要是具有缺陷的某些复杂无机晶体 其基体常为金属硫化物 激活剂常为重金属 基体与激活剂适当配合获得合适的磷光颜色 10 3 2固体激光工作物质 Solidworking lasermaterials 包括人工晶体和玻璃 其中加入激活离子 以提供亚稳态能级 一般为四能级激光器 Nd3 Y3Al5O12 YAG 和Nd3 玻璃 四能级激光器 谱线宽 其典型的玻璃基质是硅酸盐 磷酸盐和磷酸氟化物 以晶体中的一种组分为激活离子 自激活激光晶体 激活浓度高 可制成高效 小型激光器 半导体激光工作物质 体积小 效率高 运行简单 成本低 但单色性差 几乎能够产生从近紫外到红外的全部波段的激光 可调谐激光晶体 加过渡金属离子 激光波长在一定范围内可调谐 优质大尺寸钆镓石榴石Nd Gd3Ga5O12 Nd GGG 输出功率达2 3kW 6kW级别的商用激光器 更高功率的军用 但还处于技术封锁阶段 10 3 3光导纤维 Opticalfibers 上世纪60年代激光发现 1965年 提出 用石英基玻璃纤维进行长距离信息传递 将带来一场通讯事业的革命 并提出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝 公里时 光纤通讯即可成功 当时的光导纤维 光纤 损耗太大 技术上