第四章-材料的光学性能-材料的发光(beifu).ppt

4 4材料的发光 4 4 1发光和热辐射 1 荧光和磷光 荧光 电子直接跃迁 寿命10 8s 磷光 电子间接跃迁 发光是辐射能量以可见光的形式出现 激发电子从价带进入导带 返回时便放出光子 这种发光形式成为冷光 激发后发光强度会逐渐降低 满足 另一种发光模式为磷光 是主要研究对象 最初人们很难区分荧光和磷光 1658年Cellini最早记录到磷光现象 本章关键词 光和固体的相互作用 磷光体 激发停止后一段时间内能发光的复杂晶体无机物质 激发源 实用磷光体特征 高效希望的反光颜色适当的余辉时间与集体的结合力强 紫外光电子X射线 磷光体组成 基体 激活体 黑白电视荧光剂 阴极射线管激发源是电子 发光无颜色 荧光灯 汞 惰性气体 单色紫外辐射 激发荧光剂 卤代磷酸钙 发光阴极射线管 激发源电子能量非常高 雷达扫描显示器 Zn2SO4 Mn 黄绿色光 长余辉磷光体 夜间路标 物质被加热到较高温度 电子受热激发到高能级 然后跃迁到低能级而发光 发光与温度有关 强度分布决定于温度 辐射为连续谱 激光 Laser 是受激辐射放大 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 的首字母 又译作镭射 雷射 最早由爱因斯坦提出 它指通过受激辐射放大和必要的反馈 产生准直 单色 相干的光束的过程及仪器 激光本质上还是电磁波 与普通光源没有不同 2 热辐射 太阳是我们最大的热辐射光源烧红的石头白炽灯泡 发光效率低 已经逐渐被淘汰 4 4 2激光 激光工作原理 以红宝石激光器为例 氙灯照射 泵浦光源 红宝石激光器工作物质 被激发 实现粒子数反转 电子大部分都堆积在亚能态 直接返回低能级 很少 衰变为亚稳态 然后返回基态 产生一个光子之后 诱发其他电子受激回到基态 一个变俩 俩变四个 三能级激光器 激光和普通光源 激光手术 受激辐射的光子有显著的特点 就是原子可发出与诱发光子全同的光子 不仅频率 能量 相同 而且发射方向 偏振方向以及光波的相位都完全一样 于是 入射一个光子 就会出射两个完全相同的光子 这意味着原来光信号被放大这种在受激过程中产生并被放大的光 就是激光 激光器把自然光转变为激光 激光应用 望远镜定位目标 激光笔 激光炮摧毁导弹 在真空中 我们是看不到激光的 我们看到的这些柱状的激光 主要是由于激光在介质中的散射造成的 因此 激光的应用受到自然条件的限制非常严重 例如陆基激光武器 在雨雪天气其威力的发挥将受到较大限制 激光器分类 固体 激活离子密度大 振荡频带宽 产生频谱窄 单色性好 液体气体 离子激光器 为四能级激光器 1 槛值低2 高效 长辐射受命 是最强大的商用激光器 基体为SiO2 GeO2等 其中搀杂各种离子 称为掺杂型 激光类型 掺杂型 掺杂杂质离子 电子跃迁产生激光自激活 非掺杂型 掺杂型不宜浓度过高 否则猝灭 适于高效 小型化 色心激光晶体 底层能级为声子能级 半导体激光器 半导体是重要的的固体激光器 优点是体积小 效率高 运行简单 便宜 缺点是单色性差 工作原理 三明治结构PNP 半导体激光器的激励方式主要有三种 即电注人式 光泵式和高能电子束激励式 绝大多数半导体激光器的激励方式是电注人 即给Pn结加正向电压 以使在结平面区域产生受激发射 也就是说是个正向偏置的二极管 因此半导体激光器又称为半导体激光二极管 应用直接带隙半导体 如GaAs 电子从导带底部可以直接跃迁到价带顶部 Ge Si等间接带隙半导体不适合做激光器 对半导体来说 由于电子是在各能带之间进行跃迁 而不是在分立的能级之间跃迁 所以跃迁能量不是个确定值 这使得半导体激光器的输出波长展布在一个很宽的范围上 因此单色性较差 半导体激光晶体 二元固溶体AlGaAs 激光晶体的种类 Nd YAG 应用最多 可调谐激光晶体 波长可调 新波长量子阱激光器 超小型 信息处理 激光打印 4 5无机材料的光学性能 4 5 1红外技术的起源与应用 1 简介 0K以上物体均发射特征电磁辐射 称红外线 0 7 m 20 m 1800年 W 赫胥尔发现红外光谱 人眼不可见 应用 辐射测量赫光谱测量 非接触测温 对能量辐射跟踪 导航红外成像通信和遥控 本章关键词 光和固体的相互作用 典型的红外照片 遥控 自动门 最好的可见光控制系统 眼睛 控制光子比控制电子要困难许多 眼睛是控制可见光成像的最好系统 而控制红外光比控制可见光要困难 那么我们应用红外光学性能就仿照眼睛的结构 发展材料工程来制造适合红外光的 晶状体 和 视网膜 红外光学仪器的晶状体 红外透过材料红外光学仪器的视网膜 红外探测材料 4 5 2红外透过材料 晶状体 1 基本要求 透过率高折射率低 为减少反射 自发辐射要小力学 化学 物理性质要适合热导率要高 玻璃晶体红外透明陶瓷和金刚石 KBr较好 只是易溶于水 2 分类 4 5 2红外探测材料 相当于视网膜 1 基本原理 无选择相互作用 热释电 超导 光声选择性作用 外光电 内光电 光生伏打 光磁效应 外光电效应和内光电效应 通常所说的光电效应是指外光电效应 即物体在光的照射下光电子飞到物体外部的现象 另一种光电效应叫内光电效应 它是物体在光的照射下 内部原子中的一部分束缚电子变为自由电子 这些电子仍留在物体内部 使物体的导电性加强 本章关键词 光和固体的相互作用 2 光子型探测材料碲镉汞 MCT 属于直接带隙半导体 而且其带隙随成分呈线性变化 仅次于Si GaAs之后最重要的半导体材料 X为汞的摩尔分数 PN结光电激发 在71K带隙为0 10eV 波长极限为12 4微米 MCT带隙随成分呈线性变化电子迁移率高膨胀系数与硅相近缺点 技术复杂