材料的光学性能ppt课件

1 第10章材料的光学性能 Opticalpropertiesofmaterials 2 10 1光与材料的作用 Interactionbetweenlightsandmaterials 10 1 1光的物理本质 Physicalessenceoflights 3 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 4 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 5 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 6 10 1 2光与材料作用的一般规律 Generalrulesoftheinteractionbetweenlightsandmaterials 7 a 吸收 b 散射 b 透射 b c d 反射 8 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 9 光子与固体材料的相互作用的本质有两种方式 电子极化电子能态转变从微观上分析 其实就是光子与固体材料的原子 离子 电子之间的相互作用 10 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 11 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 12 受限于人们的视野 受制于我们所接触的世界尺度 光波的传播方向光波等相面 在某个时刻其上各点相位取等值的曲面称为等相面 13 光在均匀介质中的直线传播定律 光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律 光的独立传播定律和光路可逆性原理 在日常生活和实验的基础上 人们简单明了地总结 几何光学 14 10 1 3金属材料对光的吸收和反射 Absorptionandreflectionofmetallicmaterialstolights 15 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 16 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 17 10 1 4非金属材料对光的反应 Interfactionbetweennon metalmaterialsandlights 18 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 19 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 20 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 21 材料折射率的影响因素 1 当离子半径增大时 因而n也随之增大 2 材料的结构 晶型和非晶态双折射是非均质晶体的特性 3 材料所受的内应力 4 入射光波长 22 光的色散 光在介质中的传播速度v随波长而异的现象 亦即介质的折射率随着波长而变化 这种现象称为光的色散 1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为彩色光带 为了表征介质折射率随波长的变化快慢程度和趋势 引入介质色散率的概念 定义为 介质的折射率对波长的导数dn d 23 24 一 正常色散 测量不同波长的光线通过棱镜的偏转角 就可算出棱镜材料的折射率n与波长 之间的依赖关系曲线 即色散曲线 实验表明 凡在可见光范围内无色透明的物质 它们的色散曲线形式上很相似 其间有许多共同特点 如n随 的增加而单调下降 且下降率在短波一端更大 等等 这种色散称为正常色散 25 当白光通过介质发生正常色散时 白光中不仅紫光比红光偏折的厉害 而且在所形成的光谱中 紫端比红端展得更开 1836年柯西 A L Cauchy 1789 1857 给出一个正常色散的折射率随波长变化的经验公式 26 正常色散的经验公式 上式称为柯西公式 式中A B C是与物质有关的常数 其数值由实验数据来确定 当波长变化范围不大时 科希公式可只取前两项 即 则介质的色散率为 A B均为正值 上式表明 折射率和色散率的数值都随波长的增加而减小 当发生正常色散时 介质的色散率小于零 27 反常色散 对介质有强烈吸收的波段称为吸收带 实验表明 在强烈吸收的波段 色散曲线的形状与正常色散曲线大不相同 若向红外区域延伸 并接近吸收带时 色散曲线开始与柯西公式偏离 见图中R点 如图所示为一种在可见光区域内透明的物质 如石英 在红外区域中的色散曲线 在可见光区域内色散是正常的 曲线 PQ段 满足柯西公式 28 在吸收带内因光极弱 很难推测到折射率的数据 过了吸收带 色散曲线 ST段 又恢复正常的形式 并满足柯西公式 在吸收带内 折射率随波长的增加而增加 即dn d 0 与正常色散相反 这种现象称为反常色散 所有介质在透明波段表现出正常色散 而在吸收带内表现出反常色散 F P 勒鲁于1860年首先在碘蒸气棱镜内观察到反常色散现象 29 三合镜 由两片凹凸透镜中央夹一片双凸透镜组成 优点 消像差和色差 30 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 31 3非金属材料对光的吸收 32 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 33 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 34 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 35 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 36 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 37 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 38 x I x dx I dI 大量实验证明 入射光强减少量dI I应与吸收层的厚度dx成正比 吸收系数与吸收率 39 在线性光学介质里 于光强无关 但是在光强比较强时 光于物质相互作用的非线性光学效应明显表现出来 此时的 与光强有关 比如光限幅效应等 40 称为朗伯特 Lambert 定律 它表明 在介质中光强随传播距离呈指数式衰减 当光的传播距离达到1 a时 强度衰减到人射时的1 e a越大材料越厚 光就被吸收得越多 因而透过后的光强度就越小 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 I I0e x 称为材料对光的吸收系数 41 说明 42 散射是一种普遍存在的光学现象 在光通过各种浑浊介质时 有一部分光会向四方散射 沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了 即使不迎着入射光束的方向 人们也能够清楚地看到这些介质散射的光 这种现象就是光的散射 广场激光表演 划破夜空 射向天空的激光 就是利用了光的散射现象 4非金属材料对光的散射 43 光在通过气体 液体 固体等介质时 遇到烟尘 微粒 悬浮液滴或者结构成分不均匀的微小区域 都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散开来的现象 1 概念 光的散射 2 后果 光的散射导致原来传播方向上光强的减弱 44 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 45 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 46 散射与媒质不均匀性的关系 均匀媒质 受迫振动发出的相干次波 相干叠加结果只剩下遵从几何光学规律的光线 沿其余方向振动完全抵消 不均匀媒质 均匀物质中散布着n与它不同的大量其它物质微粒或物质本身组成部分 粒子 不规则聚集 不均匀性达到波长量级 在光波作用下成为差别较大的次波源 这些次波 不 相干叠加结果 与均匀媒质不同 除了按几何光学规律传播的光线外 其它方向或多或少也有光线存在 散射光 47 若不均匀团块尺度 散射又可看成是在这些团块上的反射和折射 48 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 49 按不均匀团块的情况 散射可分为两大类 1 悬浮质点的散射 如胶体 乳状液 含有烟雾 尘埃的大气等 2 分子散射 分子热运动造成密度的局部涨落引起的散射 如 十分纯净的液体或气体 也能产生较微弱的散射 50 光的散射可分为两大类 瑞利散射 米氏散射 拉曼散射 Raman1928 布里渊散射Brillouin1921 廷德尔散射 弹性散射 非弹性散射 51 弹性散射 散射前后 光的波长 或光子能量 不发生变化的散射称为弹性散射 一 廷德尔散射 粉笔灰 白云 尺度远大于光波的波长 散射光强与入射波长无关 52 瑞利散射 光学性质不均匀的介质 可能是由于均匀物质中散布着折射率与它不同的其它物质的大量微粒 也可能是由于物质本身的组成部分 粒子 的不规则聚集 早在1869年爱尔兰物理学家亭德尔 Tyndall 1820 1893 就对混浊介质的散射现象做过大量的实验研究 尤其对于线度小于波长的微粒 因此瑞利散射有时又称亭德尔效应 例如尘埃 烟 大气中散布着固态微粒 雾 空气中散布着液态微粒 悬浮液 液体中悬浮着固态微粒 乳状液 一种液体中悬浮着另一种液体而不能互相溶解 如水中加入几滴牛奶 等等 这样的物质称为混浊介质 53 在亭德尔的基础上 英国物理学家瑞利于1899年对小粒子散射又进行了研究 实验发现 从容器侧面看到的散射光 带有青蓝色 透射光则带有红色 瑞利 1842 1919 1904年诺贝尔物理学奖获得者 54 进一步研究表明 散射光的强度与光波波长的四次方成反比 称为瑞利散射定律 根据瑞利散射定律 可以对前面的实验现象作出很好的解释 假设白光中波长为720nm的红光与波长为440nm的青蓝光具有相同的强度 由于两种波长之比为 所以散射光中 蓝光的强度与红光强度之比为 可见散射光中蓝光的强度约为红光强度的7 2倍 因此透射光中所含的红光成分就较多 故带红色 55 56 表面上看起来是纯净均匀的介质 由于分子的热运动使分子密度有涨落而引起的散射 称为分子散射 分子散射也满足瑞利散射定律 用以上的散射理论可以解释许多我们日常熟悉的自然现象 如天空为什么是蓝的 旭日和夕阳为什么是红 以及云为什么是白 首先 白昼天空之所以是亮的 完全是大气散射阳光的结果 如果没有大气 即使在白昼 人们仰观天空 将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中 这景象是宇航员司空见惯了的 57 按瑞利定律 由于大气的散射 白光中的短波成分 蓝紫色 遭到散射比长波成分 红黄色 强烈得多 散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色 所以每当大雨初霁 澄清了尘埃的时候 天空总是蓝得格外美丽可爱 其道理就在这里 旭日和夕阳呈红色 与天空呈蓝色属于同一类现象 由于白光中的短成分被更多地散射掉了 在直射的日光中剩余较多的自然是长波成分 早晚阳光以很大的倾角穿过大气层 经历大气层的厚度要比中午时大得多 从而大气的散射效应也要强烈得多 这便是旭日初升时颜色显得特别殷红的原因 58 因为红光透过散射物的穿透能力比蓝光强 因此通常情况下 危险信号灯 交通禁行灯等采用红色 使有关人员在能见度低的情况下 能尽早发现采取措施 59 米氏散射 当散射粒子的线度大于十分之几波长 甚至与波长相当时瑞利散射定律不再成立 此为大粒子散射 称为米氏散射 米 G Mie 和德拜 P Debye 以球形质点为模型计算了电磁波的散射 计算表明 只有球半径满足下列条件时 瑞利散射定律才是正确的 当a较大时 散射强度与波长的依赖关系就不明显了 米 德拜的计算结果如图 60 当入射光的波长大于十分之一时 散射光的强度与波长的依赖关系不明显 因此散射光的颜色与入射光相近 白光入射将观察到白色的散射光 这就是云雾呈白色的缘故 61 例 点燃的香烟冒出蓝灰色的烟 但从口中吐出的烟却是白色的 Why 这是因为组成烟的微小颗粒蓝光散射强烈 瑞利散射 而从口中吐出的烟 由于凝聚了水蒸气在其上 颗粒变大 属于米氏散射 故呈现白色 62 非弹性散射 频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果 称为 非弹性散射 63 Raman散射 瑞利散射不改变原入射光的频率 1928年 Raman等发现散射光光谱中 在入射光频率 0附近 存在 0 1 0 2等散射线 称为Raman散射 64 拉曼散射谱线特征 2 频率差 j j 1 2 3 与入射光的频率无关 它们与散射物质的红外吸收频率相对应 表征了散射物质的分子振动频率 1 每条原始入射谱线两旁都伴有频率差 j j 1 2 3 相等的散射谱线 称为斯托克斯线和反斯托克斯线 65 分子散射的量子图像 瑞利散射拉曼斯托克斯拉曼反斯托克斯 66 应用 为研究分子结构提供了一个重要工具 用此法可容易 迅速地定出分子振动的固有频率 并判断分子的对称性 内部作用力及研究相关分子动力学问题 拉曼光谱已成为光谱学的一个重要分支 有了激光后 光强达到一定值 还可出现受激拉曼散射等非线性效应 还有布里渊散射 67 68 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 69 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 70 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 71 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 72 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 73 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 74 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 75 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 76 10 2材料的发光和激光 Luminescenceofmaterialsandlaser 10 2 1发光和热辐射 Luminescenceandheatradiation 77 78 思考 发光的根源是什么 79 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 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 80 1 概述 材料以某种方式 射线 高能粒子 电子束 外电场等激发 吸收能量之后 将其转化为光能即发射光子的过程 81 物体发光 辐射 可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类 A 平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有关 如白炽灯的发光就属于平衡或准平衡辐射 B 非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的热平衡态 继而发出的辐射 82 对材料进行激励 将固体中的电子能量提高到 激发态 处于激发态的电子自发地向低能态跃迁 同时发射光子 物理机制 辐射跃迁 发光 非辐射跃迁 发热 电子 空穴光 83 固体发光的微观过程可以分为两个步骤 第一步 对材料进行激励 即以各种方式输人能量 将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态 称为 激发态 第二步 处于激发态的电子自发地向低能态跃迁 同时发射光子 如果材料存在多个低能态 发光跃迁可以有多种渠道 那么材料就可能发射多种频率的光子 84 按激励方式不同 可分为 电致发光 EL 阴极射线发光 CL 光致发光 PL 通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光 通过对绝缘发光体施加强电场导致发光 或者从外电路将电子 空穴 注入到半导体的导带 价带 导致载流子复合而发光 利用高能量的电子来轰击材料 通过电子在材料内部的多次散射碰撞 使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程 85 荧光粉磷光体宽带隙半导体 常见的发光材料 半导体 绝缘体 陶瓷 86 常用光源种类 热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器 蜡烛 火把 白炽灯等 汞灯 氙灯等 半导体发光二极管等 87 2 评价材料发光的主要参数 发光强度 颜色吸收波长发光寿命发光效率 发射光谱 激发光谱 瞬态荧光光谱 积分球附件 88 发射光谱在一定的激发条件下发射光强按波长的分布 反映了固体能带的精细结构 反映了从高能级始发的向下跃迁过程 通过比较发光强度的变化可得到淬灭相关的信息 Y2O3S Tb3 的线状发射光谱 光 电或电子束等 89 发射光谱类型 光致发光谱 PL谱 电致发光谱 EL谱 阴极射线发光谱 CL EL谱 PL谱 CL谱 90 光致发光类型 荧光随入射光辐照立即产生 入射光停止则立即终止 余辉时间10 8s 91 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 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 92 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 93 激发光谱材料发射某一种特定谱线 或谱带 的发光强度随激发光的波长而变化的曲线 Y2SiO5 Eu3 部分高分辨率的激发光谱 只能通过荧光光谱仪测得 简称PLE谱 94 ZnO纳米棒阵列的PLE谱 意义 研究ZnO绿光发射的起源 研究掺杂对能带结构的影响 研究固体能带的精细结构 95 激发光谱与吸收光谱的异同相似能够引起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长 激发光谱和吸收光谱都是反映材料中从基态始发的向上跃迁的都能给出有关材料能级和能带结构的有用信息 不同但是有的材料吸收光之后不一定会发射光 就是说它可能把吸收的能量转化为热能而耗散掉 对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上得到反映的 通过激发光谱的分析可以找出采用什么波长进行光激励最为有效 96 发光寿命 定义 发光体在激发停止之后持续发光时间的长短 设某时刻共有n个电子处于激发态 则在dt时间内损失的电子数目为 解微分方程得到 相应地 光强也以相同的规律衰减 于是 定义发光寿命为 光强衰减到初始值I0的1 e所经历的时间 97 荧光寿命 ps数量级 ZB InP WZ InP纳米线异质结构的带边PL发射的时间衰减曲线 量子限域效应有利于促进电子 空穴分离 提高激子发射寿命 提高了近2个数量级 98 超长余辉应用于夜光钟表字盘 紧急照明等场合长余辉0 1 1s中余辉1 100ms中短余辉10 2 1ms短余辉1 10 s应用于计算机终端显示器等 超短余辉 余辉时间 从激发停止时的发光强度I0衰减到I0 10的时间 1s 1 s 99 发光效率 量子效率 功率效率 能量效率 光度效率 流明效率 可分为 内量子效率 外量子效率 当光子入射到材料表面时 被吸收的那部分光子会激发材料产生电子空穴对 形成电流 此时收集到的电子与被吸收的光子之比 就是内量子效率 产生的电子数与所有入射的光子数之比 称为外量子效率 内量子效率一般要高于外量子效率 100 IPCE QE测试系统 用途 测试太阳能电池的内量子效率 内量子效率测试结果 IncidentPhotontoChargeCarrier Quantumefficiency 101 3 材料发光的主要形式 分立中心发光热辐射发光复合发光激光 102 分立中心发光 发光材料除了要有合适的基质作为主体外 还要选择掺入微量杂质作为 激活剂 如稀土离子 这些微量杂质一般被用来充当发光中心 有些也被用来改变发光体的导电类型 稀土发光材料 基质 晶体 如ZnS NaGdO2 Y2O3等 发光中心 三价稀土离子 如Eu3 Ce3 等 103 发光中心与晶体点阵的组合类型 发光中心基本上是孤立的 其发光光谱与自由离子很相似 发光中心受基质点阵电场 晶格场 地影响较大 这时必须把中心和基质作为一个整体来分析 晶格场影响光谱结构晶格场影响光谱的相对强度晶格场影响发光寿命 晶格场对发光离子的影响 104 稀土发光材料类型 光致发光以紫外光或可见光激发阴极射线发光以电子束激发X射线发光以X射线激发电致发光以电场激发 105 稀土发光材料发光原理 其中 M表示基质晶格 A和S为搀杂离子 并假设基质晶格M的吸收不产生辐射 基质 发光中心 激励源 106 基质晶格M吸收激发能 传递给搀杂离子 使其上升到激发态 它返回基态时可能有以下三种途径 以热的形式把激发能量释放给邻近的晶格 称为 无辐射弛豫 也叫荧光猝灭 以辐射形式释放激发能量 称 发光 S将激发能传递给A 即S吸收的全部或部分激发能由A产生发射而释放出来 这种现象称为 敏化发光 A称为激活剂 S通常被称为A的敏化剂 107 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 热辐射发光 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 108 复合发光与分立中心发光最根本的差别在于 复合发光时电子的跃迁涉及固体的能带 由于电子被激发到导带时在价带上留下一个空穴 因此当导带的电子回到价带与空穴复合时 便以光的形式放出能量 这种发光过程就叫复合发光 复合发光所发射的光子能量等于禁带宽度 Eg hv 通常复合发光采用半导体材料 并且以掺杂的方式提高发光效率 复合发光 109 半导体发光二极管 利用半导体PN结将电能转化为光能的一种器件 多子的扩散运动 少子的漂移运动 浓度差 P型半导体 N型半导体 内电场越强 漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 扩散的结果使空间电荷区变宽 形成空间电荷区 PN结物理机制示意图 110 正向偏压使pn结形成一个增益区 导带主要是电子 价带主要是空穴 实现了粒子数反转 大量的导带电子和价带的空穴复合 产生自发辐射光 外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光 PN结发光原理 111 光发射的测量与分析 荧光光谱仪 激发源也可为激光 特点是可微区分析 112 应用领域 半导体 特种陶瓷 有机物等领域探测纳米材料的量子尺寸效应探测纳米材料的表面态 缺陷态效应 基本功能 简单读数发射光谱扫描激发光谱扫描荧光寿命测定 瞬态 113 激光与一般的光不同的是纯单色 具有相干性 因而具有较大的能量密度 名称 激光laser定义 由受激发射的光放大产生的辐射 LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 材料的受激辐射和激光 114 梅曼和第一只激光器 1960年 红宝石激光器 利用一个高强闪光灯管 来刺激红宝石 由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉 所以当红宝石受到刺激时 就会发出一种红光 在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔 使红光可以从这个孔溢出 从而产生一条相当集中的纤细红色光柱 当它射向某一点时 可使其达到比太阳表面还高的温度 115 1960年 世界上第一个红宝石 Al2O3 Cr3 为工作物质的固体激光器研制成功 使得光学的发展进入了一个新的发展阶段 1962年 即仅比国外迟一年 就研制出了掺钕硅酸盐激光玻璃 在我国建立了第一台钕玻璃激光器 1964年 干福熹利用掺钕磷酸盐和亚磷酸盐玻璃 在国际上首先获得激光不仅建立了我国第一个光学玻璃试制基地和耐辐射光学玻璃系列 而且研究建立了激光钕玻璃系列 并在此基础上建立了完整的无机玻璃性质的计算体系 获得了国际玻璃协会的终生成就奖 116 117 产生激光的条件 受激辐射需要达到一定的能量阈值 使粒子数反转 激活介质能够对受激发射进行放大 又称为增益介质 介质需要进行激励才能称为激活介质 如光激励 光泵 光学谐振腔需要达到一定的振荡条件 提供光的正反馈 限制光束方向 118 激光和普通光源 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 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 119 光与物质的作用 任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是原子能级之间的跃迁过程光与物质的相互作用有三种不同的基本过程 自发辐射受激辐射受激吸收这三种过程总是同时存在 紧密联系 120 受激辐射概念是爱因斯坦首先提出的 1917年 普朗克于1900年用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律 波尔在1913年提出原子中电子运动状态量子化假设爱因斯坦在此基础上 研究了关于光与物质相互作用的问题 他明确指出 只有自发辐射和光吸收两过程 是不足以解释普朗克黑体辐射公式的 必需引入受激吸收过程的逆过程 受激发射 他把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程 自发发射 受激吸收和受激辐射 并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述 四十年后 受激辐射概念在激光技术中得到了应用 121 自发辐射 自发辐射 高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁 同时放出能量为的光子自发辐射的特点 各个原子所发的光向空间各个方向传播 是非相干光 下图表示自发辐射的过程 自发辐射 122 受激吸收 受激吸收 处于低能级E1的原子受到外来光子 能量 的刺激作用 完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程光的受激吸收过程特点 处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用 完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程 光的受激吸收过程 123 受激吸收跃迁速率与受激吸收系数 从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有式中的为外来光的光场单色能量密度 即受激吸收跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比其他参数意义同自发辐射 n1为某时刻高能级E1上的原子数密度 即单位体积中的原子数 dn2表示在dt时间间隔内由E1受激吸收跃迁到E2的原子数 被去除表示E2能级的粒子数密度增加B12称为爱因斯坦受激吸收系数 简称受激吸收系数 124 受激辐射 受激辐射 当受到外来的能量的光照射时 高能级E2上的电子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁 同时发射一个与外来光子完全相同的光子 光的受激辐射过程 光的受激辐射过程 125 受激辐射的特点 当外来激励光子能量为高低两能级能量差时 才能发生受激辐射受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同 即 频率 位相 偏振和传播方向