第四章(光学材料)PPT课件

第四章光学材料Chapter4OpticalMaterials,主要内容：激光材料光纤材料发光材料红外材料液晶材料光存储材料,第一节激光材料一、激光的特性和激光器的基本结构激光的特性定向性或准直性好一般光线是发散开来的。波长单一，即单色性好一般光通常是由几种不同频率的光组成的。具有相干性激光的光波都是同相位的，可以互相增强，而一般光是非相干的。强度大，亮度高。激光的上述四个特性都很重要，每一个特性都能开发出许多重要的应用。,第四章光学材料4.1激光材料,激光器的基本结构激光介质即激光材料。激励装置激光产生的能源，作用是把原子源源不断地激励到高能级上，实现“粒子数反转”。激励装置也叫“泵浦”，它可以是光源泵、电流泵，也可以是激光器泵另一个激光器。,第四章光学材料4.1激光材料,反馈系统又称谐振腔。通常由两端各一个反射镜组成，镜子能将激光介质所产生的相干光反射回到介质中，使其来回振荡，光子就越积越多，产生“放大”的作用。,二、固体激光器材料固体激光器材料应具备的条件应具有合适的光谱特性激发态吸收要小具有良好的光学均匀性和稳定性应具有良好的物化性能固体激光工作物质固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。1、激活离子（1）激活离子的作用实现粒子数反转。激活离子在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光，即实现将低能级上的粒子“抽运”到高能级上去。激活离子是激光晶体的发光中心，激光的波长即由激活离子的种类决定。,第四章光学材料4.1激光材料,（2）激活离子的种类过渡金属离子Ti3+、V2+、Cr3+、Co2+、Ni2+和Cu+等，在不同晶体中，其光谱特性有很大差异。三价稀土离子镧系稀土元素Nd3+(钕)、Pr3+(镨)、Sm3+(钐)、Eu3+(铕)、Dy3+(镝)、Ho3+(钬)、Er3+(铒)、Tm3+(铥)和Yb3+(镱)等，以Nd3+最常见。对一般光泵的吸收效率较低，因此应采用敏化技术或提高掺杂浓度等措施来提高效率。二价稀土离子Sm2+、Tm2+、Er2+和Dy2+等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。锕系离子主要是U3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。,第四章光学材料4.1激光材料,2、基质晶体（1）基质晶体的要求基质晶体一般是单晶体，应有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。基质晶体都是“宝石”。,一些常见的激光晶体,第四章光学材料4.1激光材料,（2）基质晶体的种类氟化物晶体CaF2、BaF2、SrF2、LaF3、MgF2等，立方形晶体结构。特点：熔点较低，易于生长单晶。宜在低温下工作，现应用较少。适用的激活离子：锕系离子U3+，稀土元素Sm3+、Dy3+、Tm3+、Nd3+和过渡金属离子Co2+、Ni2+等。含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物）CaWO4、CaMnO4、LiNbO4、Ca(PO4)3F等。特点：掺杂时需要电荷补偿，是一种四能级机构的工作物质。适用的激活离子：三价稀土离子。金属氧化物晶体如Al2O3、Y3Al5O12、Er2O3、Y2O3等。特点：熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，应用最广泛。适用的激活离子：三价过渡金属或三价稀土离子，如Cr3+、Nd3+等。,第四章光学材料4.1激光材料,红宝石激光晶体（Al2O3:Cr3+）优点：晶体的物化性能好，硬度高，抗破坏能力强，同时对泵浦光的吸收特性好，可在室温条件下获得694.3nm的可见激光振荡。缺点：属三能级结构，产生激光的阈值较高。工作原理：主要用途：激光器基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等。,第四章光学材料4.1激光材料,钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd3+)优点：属四能级系统，产生激光的阈值较低。力学、热学和光学性能良好。缺点：荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作粒子在激光跃迁到高能级上不易得到大量积累，激光储能较低，以脉冲方式运转时，输出激光脉冲的能量和峰值功率都受到限制。,主要用途：主要应用于军用激光测距仪和制导用激光照明器。这种激光器还是唯一能在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。,第四章光学材料4.1激光材料,三、半导体激光器的基本结构基本结构,第四章光学材料4.1激光材料,半导体激光器产生激光的条件（1）利用电流注入的少数载流子复合时放出的能量须高效率变换为光。一般必须是直接带隙半导体。（2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。载流子浓度低于某一阈值，仅引起注入发光，但不会发生激光。（3）具备谐振器。利用垂直于结面而且平行的二极管两个侧面作为反射镜即可。,小提示：直接带隙半导体又称直接跃迁半导体，导带的最小值和价带的最大值均位于布里渊区内同一波数处的半导体，毋须声子参与，其中自由电子和空穴间能直接复合。它具有量子效率高的特点，GaAs是一种典型的直接带隙半导体。间接带隙半导体又称间接跃迁半导体，导带底和价带顶都不在布里渊区内相同波数处的半导体，其中自由电子和空穴间不能直接复合，必须有声子参与才能复合，量子效率低。GaP是此类半导体之一。,第四章光学材料4.1激光材料,半导体激光器的工作原理,半导体的p-n结提供价带的空穴和导带的电子，利用它们越过带隙的复合而释放出光，这时，如进行泵浦和光学谐振，便可以实现受激辐射。,图a：电子与空穴自发复合，并放出一个光子,图b：电子与空穴受激复合，放出两个光子,图c：能量、相位相同的两个光子射向右边并被反射回来,图d：光子来回运动时，激发出越来越多的光子,图e：形成相干的光束,图f：一部分激光束就被引导出来,半导体激光发射原理,第四章光学材料4.1激光材料,半导体激光材料及典型的半导体激光器,第四章光学材料4.1激光材料,第二节光纤材料光纤，光导纤维的简称。光纤通信是将记录着声音等的电信号变成光信号，然后通过光纤把光信号传输到对方，最后又将光信号转变成电信号的通信技术。光纤通信具有容量大、无电磁场干扰、保密性好、节省电缆中铜资源等优点。激光是人类期待已久的信号载体，怎样才能把激光传送出去？1958年，英国科学家提出利用光纤的设想，但限于当时玻璃的透光度太差，如果用来传输激光，其传输损耗高达约1000dB/km。1966年，英国标准电讯研究所的英籍华人工程师高琨，论证了把光纤的光学损耗降低到20dB/km以下的可能性。2009年高琨获得诺贝尔物理奖。1970年，美国康宁公司拉制出世界上第一根低损耗二氧化硅玻璃光纤，损耗低于20dB/km。十多年后，二氧化硅玻璃光纤的损耗约0.2dB/km，几乎达到了材料的本征光学损耗（理论损耗值为0.18dB/km）。,第四章光学材料4.2光纤材料,一、光纤的结构光纤是用高透明介电材料制成的非常细的低损耗导光纤维，外径约为125200m。光纤具有束缚和传输从红外到可见光区域内的光的功能，也具有传感功能。一般通信用光纤本身由纤芯和包层构成。,第四章光学材料4.2光纤材料,二、光导原理光的全反射现象根据折射定律：当1逐渐增大到临界角c时，2变为/2，此时光不再进入折射率为n2的包层中，而是全部返回到纤芯中来，此即光的全反射。按光的全反射原理，光将在光纤的纤芯中沿锯齿状路径曲折前进，而不穿出包层，从而完全避免了光在传输过程中的折射损耗。,第四章光学材料4.2光纤材料,光的传输模式具有一定频率、一定的偏振状态和传播方向的光波叫做光波的一种模式，或称为光的一种波型。传输模式是光纤最基本的传输特性之一。两种模式的光纤：单模光纤：直径仅310m，与光波的波长相近，只允许传输一个模式的光波。多模光纤：直径为几十至上百微米，允许同时传输多个模式的光波。,第四章光学材料4.2光纤材料,三、光纤的传输特性光纤的传输特性通常用通过光纤的光脉冲质量的劣化程度来表示。传输损耗Q传输损耗Q(包括吸收损耗和散射损耗)是指光在光纤传输途中的损耗：I0入射光强度，I出射光强度，Q传输损耗。Q值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一个最重要的指标。光学色散光学色散影响光纤传输带宽，包括材料色散、模式色散和构造色散。,由光学损耗引起的光脉冲振幅衰减由光学色散引起的光脉冲失真,（dB/km）,第四章光学材料4.2光纤材料,四、光纤材料的种类按纤芯折射率,光纤,阶跃型光纤,梯度型光纤,多模光纤,单模光纤,第四章光学材料4.2光纤材料,按材料组分按传输模数从传感角度,光纤,石英玻璃光纤,多组分玻璃光纤,塑料（聚合物）光纤,光纤,多模光纤,单模光纤,光纤,传输光纤,功能光纤,第四章光学材料4.2光纤材料,五、光纤材料及制造石英玻璃光纤（1）石英预制棒的MCVD法制备制成的石英预制棒外径一般在10mm以上。,制备石英玻璃预制棒,拉丝,载气：超纯O2原料气：超纯SiCl4掺杂剂：GeCl4、BBr3、POCl3,GeO2增大折射率，P2O5和B2O3减小折射率,第四章光学材料4.2光纤材料,（2）拉丝工艺,光纤拉出时保持折射率的分布,从加热炉上方插入预制棒，在1800C左右加热熔化顶端，在下方卷绕纤维。直径从预制棒到纤维急剧减小，但断面折射率分布保持原样。MCVD法制备出的是梯度型光纤。,第四章光学材料4.2光纤材料,多组分玻璃光纤组成：主要成分SiO2，另含有Na2O、K2O、CaO、B2O3、TiO2等。特点：光纤材料熔点低，制作设备简单，可制成几十千米的长纤维。但损耗较大（47dB/km)，光通信上极少采用。制备：双坩埚法应用：对损耗要求不是非常苛刻的传感器。双坩埚法一般制成的是阶跃型光纤。,第四章光学材料4.2光纤材料,聚合物光纤聚合物光纤是以透明聚合物（或石英玻璃）为纤芯，用比纤芯折射率低的聚合物为包层所组成的能传输光线的纤维。组成：纤芯用聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃，PMMA)或聚苯乙烯(PS)，包层用含氟聚合物。特点：可挠性好、质轻、加工容易。但耐热性和耐候性较差、传输损耗较大、频带窄。晶体光纤有单晶与多晶两类。主要有YAG（Y3Al5O12）系、YAP（YAlO3）系、Al2O3系、LN（LiNb2O3）系、LBO（LiB3O5）系、BSO（Bi12SiO20）系和卤化物系等晶体光纤。优点：具有更宽的红外波段窗口、与普通光纤良好的耦合性能。,第四章光学材料4.2光纤材料,六、光纤材料的应用及展望光学系统中的应用光学纤维潜望镜、自准直系统、平像场器、光学纤维换向器。光电系统中的应用像增强器、X射线像增强器、阴极射线管和变像管。传感技术中的应用各种光纤传感器，如光纤声、光纤磁、光纤温度、光纤网络和光纤辐射传感器。医学领域中的应用内窥镜，如腹腔镜、胃镜等，以及“光刀”，用于诊断和手术。通信技术中的应用光纤通信具有容量大，抗干扰，保密性好，重量轻、抗潮湿和抗腐蚀等优点。未来的光纤“有源光纤”,第四章光学材料4.2光纤材料,发光材料,光致发光材料,电致发光材料,射线致发光材料,等离子发光材料,第三节发光材料发光材料是当代显示技术和新型光源领域中的一类重要功能材料。有效的发光材料，都要进行掺杂，这些杂质是发光材料中的发光中心。常用的杂质有过渡族元素、类汞元素、重金属及稀土元素等。发光材料的类别：,第四章光学材料4.3发光材料,一、光致发光材料光致发光：光致发光是用紫外光、可见光及红外光激发发光材料而产生发光的现象，即在光照射下激发的发光。这种发光材料称为光致发光材料。荧光材料荧光效率：吸收光转变为荧光的百分数。荧光效率与激发光波长无关，各波长的吸收与发射之比为一常数。荧光强度和激发光强度关系密切，在一定范围内，激发光越强，荧光也越强。荧光强度等于吸收光强度乘以荧光效率。荧光产生的条件：分子必须在激发态有一定稳定性，即能持续约108s。多数分子不具备这一条件，它们在荧光发射以前就以其他形式释放了所吸收的能量。只有具备共轭键系统的分子才能使激发态保持相对稳定而发射荧光。,第四章光学材料4.3发光材料,荧光材料的种类：荧光材料大多数是以苯环为基的芳香族化合物和杂环化合物，主要由荧光色素和溶剂组成。如：酚、蒽、荧光素、罗达明、9-氢基吖啶、荧光染料以及某些液晶。,某些荧光材料和它们的荧光效率,第四章光学材料4.3发光材料,磷光材料磷光材料的主要组成是基质和激活剂两部分。基质的种类：族金属的硫化物、氧化物、硒化物、氟化物、磷酸盐、硅酸盐和钨酸盐等。典型基质：ZnS、BaS、CaS、CaSiO3、Ca3(PO4)2、CaWO4、ZnSiO3、Y3SiO3。激活剂的种类：多为重金属。针对不同的基质应选择不同的激活剂。例如：ZnS、CdS作为基质，则Ag、Cu、Mn是最好的激活剂。碱土磷光材料，除Ag、Cu、Mn外，Bi、Pb和稀土等可作为其激活剂。,第四章光学材料4.3发光材料,某些较重要的灯用荧光粉,第四章光学材料4.3发光材料,1、卤磷酸盐荧光粉卤磷酸盐（Ca(PO4)3(FCl)）是以锑、锰为激活剂的一种含卤素碱土荧光粉。优点：发光的颜色可通过改变基质中的氟氯比例或调整锰的浓度来控制。转换紫外线为可见光的效率较高，长时间内能维持其发光特性。缺点：不能同时获得高亮度与较好的显色性，即光效和光色不能同时兼顾。2、稀土三基色荧光粉稀土三基色荧光粉由红粉、绿粉、蓝粉按一定比例混合而成。特点：可同时兼顾光效和光色，且能够耐高负荷、耐高温。红粉：典型代表：Y2O3:Eu3+。特点：效率高、色纯度好、光衰性能稳定。绿粉：MgAl11O19:Ce3+、Tb3+，Y2SiO4:Ce3+、Tb3+，LaPO4:Ce3+、Tb3+，GdMgB5O10:Ce3+、Tb3+等蓝粉：铝酸盐体系、卤磷酸盐体系。Sr10(PO4)6Cl2:Eu2+，(SrCa)10(PO4)6Cl2:Eu2+，(SrCaBa)10(PO4)6Cl2:Eu2+。,第四章光学材料4.3发光材料,上转换发光材料上转换发光：发光体在红外光的激发下，发射可见光，这种现象称为上转换发光，这种发光体称为上转换发光材料。上转换发光的三种情况：原子能级中存在一个中间能级，处于基态的电子在光激发下跃迁至该中间能态，并停留足够长的时间，以致它还能吸收另一个光子而跃迁到更高的能级。电子从这个更高的能态向基态跃迁时，就发射出波长比激发光的波长更短的光。原子能级中虽没有中间能级，但发光体可以连续吸收两个光子，使基态电子直接跃迁到比激发光光子的能量大得更多的能级，从而发出波长更短的光。材料中有两个敏化中心被激发，它们把激发能按先后顺序或同时传递给发光中心，使其中处于基态的电子跃迁到比激发光光子能量更高的能级，然后弛豫下来，从而发出波长短得多的光。,第四章光学材料4.3发光材料,上转换发光材料：上转换发光材料绝大多数都是掺稀土的化合物，或是稀土化合物。上转换发光材料均由稀土离子激活。典型组成：Yb3+作敏化剂，Er3+作激活剂的上转换发光材料发红光的典型材料：YOCl:Yb3+、Er3+，Y2O3:Yb3+、Er3+，Y3OCl7:Yb3+、Er3+，La4Ga2O2:Yb3+、Er3+。发绿光的典型材料：LaF3:Yb3+、Er3+，YF3:Yb3+、Er3+，BaYF5:Yb3+、Er3+，Na(T、Gd、La)F:Yb3+、Er3+。此外，有发蓝光及发黄光的材料。Yb-Tm和Yb-Ho的共激活的上转换发光材料,第四章光学材料4.3发光材料,二、电致发光材料电致发光：电致发光是指在直流或交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象。又称场致发光。这种发光材料称为电致发光材料或场致发光材料。电致发光机理,1、本征式电致发光本征式电致发光是利用电场直接激励电子，电场反向后电子与中心(空穴)复合而发光的现象。本征电致发光以硫化锌为代表。如：ZnS:Cu,Cl或(Zn,Cd)S:Cu,Br。,第四章光学材料4.3发光材料,2、注入式电致发光由族和族化合物所制成的有p-n结的二极管，注入载流子，然后在正向电压下，电子和空穴分别由n区和p区注入到结区并相互复合而发光的现象。又称p-n结电致发光。p-n结两侧形成的势垒，阻碍电子和空穴的扩散。未施加电场时，n区的电子和p区的空穴必须越过势垒，才能分别到达p区和n区。当在p-n结施加正向电压时，势垒高度降低，耗尽层减薄，能量较大的电子和空穴分别注入到p区和n区，并分别与p区的空穴和n区的电子复合，同时以光的形式辐射出多余的能量。辐射复合可以发生在导带与价带之间，也可发生在杂质能级上。,第四章光学材料4.3发光材料,电致发光材料的种类1、直流电压激发下的粉末发光材料典型材料：基质晶体：ZnS，激活剂：Cu，Mn，Ag。ZnS:Mn,Cu发橙红色光，亮度约350cd/m2，流明效率为0.5lm/W。ZnS:Ag发蓝光，约100V电压下激发，亮度约70cd/m2。(Zn,Cd)S:Ag发绿光、红光，约100V电压下激发，亮度约70cd/m2。2、交流电压激发下的粉末发光材料特点：流明效率较高，约为15lm/W典型材料：基质晶体：ZnS，激活剂：(Cu,Cl),(CuMn),(CuPb),Cu。发红、橙、黄、绿、蓝等各种颜色的光。,第四章光学材料4.3发光材料,几种电致发光粉的组成及特性,第四章光学材料4.3发光材料,3、薄膜型电致发光材料早期的薄膜型电致发光器的名字叫“Lumocen”，为英文“分子中心发光”之缩写。发光材料是ZnS，发光中心是稀土卤素化合物分子(TbF3)。现在薄膜型交流电致发光器件多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。,第四章光学材料4.3发光材料,4、p-n结型电致发光材料发光二极管材料(LED，LightEmittingDiode)发光二极管是一种在低电压下发光的器件，使用单晶或单晶薄膜材料，可制成指示器、数字显示器、计算机及仪表。LED还是目前重点研究的新型光源材料，今后有望用于照明。（1）发光二极管材料应具有的特性发光在可见光区，Eg1.8eV，700nm；材料必须容易作成n型及p型；有效率高的发光中心或复合发光；效率降至初始值一半的时间要大于105h。如果是多元化合物，这个时间至少还要大10倍左右；材料要能生长成单晶，并能大量生产，并且价廉。,第四章光学材料4.3发光材料,（2）p-n结型电致发光材料常用的p-n结型电致发光材料(主要指发光二极管材料)是A-A族化合物和AA族化合物。二元化合物材料GaP：间接带隙半导体，根据掺杂的不同，可以发红光、绿光。GaN：直接带隙半导体，随组分的差异可发红、绿、蓝、黄。SiC：发光波长受掺杂影响，可发出多种不同颜色的光。GaAs也属于该类材料。三元、四元化合物材料把两种A-A族化合物做成混晶，便是三元化合物。AlxGa1-xAs：当0x0.35时，为直接带隙材料，可以发红光。GaAs1-xPx、In1-xGaxP、In1-xAlxP等也属于该类材料。在二元化合物中同时掺入两种元素，如在InP单晶中掺入一定的Ga和As，就成为InGaAsP四元化合物。,第四章光学材料4.3发光材料,三、射线致发光材料两类射线致发光材料：阴极射线致发光材料和放射线致发光材料。阴级射线致发光材料1、阴极射线发光的三个基本过程电离过程当高能电子束激发发光物质时，晶体吸收激发能，由于基质大大多于激活剂，引起基质价带或满带电子的激发。电子和空穴的运动过程满带中的电子被电离后进入导带，在满带中产生了空穴，电子和空穴分别在导带和满带中扩散。电子空穴对复合发光过程,由电子束轰击发光物质而引起的发光现象，又称为电子束激发发光。,由高能、射线，或X射线轰击发光物质而引起的发光现象。,第四章光学材料4.3发光材料,2、阴极射线发光材料的特征参数发光亮度L发光亮度，L0常数，J电流密度，V加速电压，V0起辉电压（即加速电压要超过这个最小值才能引起发光），n指数（一般在13之间）发光效率R反射系数（约为10%），光致发光效率，发光的平均光子能量，E产生一对电子及空穴所用的能量。3、阴极射线致发光材料的基本性能要求高的发光亮度和发光效率有一定的辐射光谱特性，一定的余辉时间有一定的颗粒尺寸，平均颗粒尺寸在0.220.0m范围内良好的稳定性和对屏玻璃有良好的粘着性能,第四章光学材料4.3发光材料,4、阴极射线致发光材料的种类常用阴极射线致发光材料主要是荧光粉与激发剂组成的复合物质。氧化物荧光粉。ZnO:Zn，发青绿光。硫化物荧光粉。以硫化锌和硫化镉为代表，常以Ag、Cu作为激活剂。优点：亮度高，通过改变激活剂的用量能够改变发光颜色。例如：ZnS:Ag与ZnCdS:Ag混合作用可以发白光。硅酸盐荧光粉。Zn2SiO4:Mn、CaSiO3:Ag,Mn、MgSiO3:Ti等。优点：稳定性高，对杂质的污染不敏感，能承受较大过热和电流等。钨酸盐荧光粉。典型代表：CaWO4:W。稀土族荧光粉。典型代表：Y2O3:Eu，发红光，Y2SiO5:Eu，发绿光。优点：发光效率高，耐电子和离子的轰击性能好。5、阴极射线致发光材料的应用主要用于电视、示波器、雷达、计算机等各种荧光屏和显示器方面，其中以彩色电视的阴极射线管（CRT）发展最快。,第四章光学材料4.3发光材料,X射线致发光材料1、X射线致发光机理X射线照射发光材料，产生高速光电子，光电子又经过非弹性碰撞，产生第二代，第三代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需的能量时，即可激发发光中心，或者离化发光中心，随后发出光。2、X射线致发光材料钨酸钙(CaWO4)：最早应用于X射线探测的发光材料。特点：吸收效率高、发光光谱和胶片灵敏波段相适应、物化性质稳定等。硫化物(ZnS、CdS)：特点：发光效率较高，通用性较强等。,第四章光学材料4.3发光材料,碘化铯(CsI)：特点：吸收率高于硫化物，发光效率与硫化物相当。稀土材料：发光光谱和钨酸钙相近，在医用X射线(30100keV)的激发下，发光效率高于钨酸钙。典型代表：Ln2O2S:Tb3+(Ln代表Y、La、Gd、Lu)、LaOX:Tb3+(X代表Cl、Br)、BaSO4:Eu2+、Ba3(PO4)2:Eu2+等。3、X射线致发光材料的应用主要用于X射线透视及照相、由X射线像增强器及电视组成的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（CT系统）。(CT：X-rayComputedTomography)。,第四章光学材料4.3发光材料,四、等离子发光材料等离子的特征及发光机理1、等离子体的特征气体高度电离。具有很大的带电粒子浓度(10101015个/cm3)，具有良导体的特征。具有电振荡的特性。具有加热气体的特性。等离子体中的气体的运动具有热运动的特征。2、等离子发光机理电离：气体的电子得到足够的能量(大于气体的离化能)后被电离。碰撞：高速飞行的电子在气体中与其他粒子碰撞，使更多的中性粒子电离。复合：在大量的中性粒子不断电离的同时，还有一个与电离相反的过程，即复合(即两种带电的粒子结合，形成中性原子)。发光：在复合过程中，电子将能量以光的形式释放出来，即发光。,第四章光学材料4.3发光材料,等离子体发光显示屏及材料等离子体发光材料主要是惰性气体。其中一种惰性气体为基质，另外掺入的其他惰性气体为激活剂。根据掺杂的气体不同，可获得不同颜色，实现彩色显示。Ne0.2%Xe混合气体。常用的等离子体发光材料，发光强度较低。80.9%He11.1%Ar6.3%Xe1.7%Ne混合气体。发光强度是(Ne0.2%Xe)混合气体的四倍，可实现惰性气体的真空紫外辐射。He+2%Xe混合气体。用在由Y2O3:Eu、Zn2SiO4:Mn和Y2SiO3:Ce做成的彩色自扫描等离子显示板中，可实现彩色电视图像显示。等离子体发光材料的应用前景等离子体发光显示具有高亮度、高对比度、能随机写入与擦除，寿命长、无视角等优点，发展速度很快。信息处理终端装置：显示板、壁挂电视等。照明装置：氖灯、氙灯等。,第四章光学材料4.3发光材料,第四节红外材料一、红外线的基本性质及其应用领域红外线的基本性质波长范围：0.71000m。三个光谱区：近红外：波长范围为0.715m；中红外：波长范围为1550m；远红外：波长范围为501000m。基本性质：红外线为不可见光；在大气层中，对红外波段存在着一系列吸收很低的“透明窗”。例如：11.1m，1.61.75m，2.12.4m，3.44.2m等波段，大气层的透过率在80%以上，812m波段，透过率为6070%。,第四章光学材料4.4红外材料,红外线的应用领域1、辐射测量、光辐射测量如非接触温度测量，农业、渔业、地面勘察，焊接缺陷探测，微重力热流过程研究等。2、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。3、制造红外成像器件如夜视仪器，红外显微镜等，可用于火山、地震研究，肿瘤、中风早期诊断，军事上的伪装识别，半导体元件和集成电路的质量检查等。4、通信和遥控如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。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，且在大气中传输，波长越长，损耗越小。,第四章光学材料4.4红外材料,红外仪器结构两个组成部分：红外材料的主要用途：制造红外光学系统中的窗口、整流罩、透镜、棱镜、滤光片、调制盘等的材料。,红外光学系统,红外探测器,接受外来的红外辐射，进行光学过程处理，如透过、吸收、折射等。,把接收到的红外辐射转换成人们便于测量和观察的电能、热能等其他形式的能。,第四章光学材料4.4红外材料,二、透过材料基本要求：光学性质：红外光谱透过率要高，短波限要低、透过频带要宽。物化性质：温度稳定性要好，对水、气体稳定。力学性质：弹性模量、扭转刚度、拉伸强度和硬度的一定要求。晶体1、碱卤化合物晶体典型晶体：氟化锂(LiF)、氟化钠(NaF)、氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、溴化钾(KBr)、碘化铯(CsI)等离子晶体。优点：熔点低，易生成大单晶，透过率较高，透过波段较宽。缺点：易受潮解、硬度低、机械强度差、应用范围受限。（因此在做成器材时，必须用有机薄膜将其保护起来）主要用途：制造远红外器材。,第四章光学材料4.4红外材料,2、碱土卤族化合物晶体典型晶体：氟化钙(CaF2)、氟化钡(BaF2)、氟化锶(SrF2)、氟化镁(MgF2)等离子晶体。特点：机械强度和硬度较高，几乎不溶于水。主要用途：红外窗口、滤光片、基板等。3、氧化物晶体典型晶体：蓝宝石(Al2O3)、石英(SiO2)、氧化镁(MgO)、金红石(TiO2)等晶体。特点：熔点高、硬度大、化学稳定性好。主要用途：在火箭、导弹、人造卫星、通讯、遥测等方面使用的红外装置中被广泛地用作窗口和整流罩等。,第四章光学材料4.4红外材料,4、无机盐化合物单晶体典型晶体：SrTiO2，Ba5Ta4O15，Bi4Ti3O2等晶体。主要用途：SrTiO2制造浸没透镜，Ba5Ta4O15制造耐高温近红外器件。5、金属铊的卤化物晶体典型晶体：溴化铊(TlBr)、氯化铊(TlCl)、溴化铊碘化铊。特点：透过波段很宽，微溶于水。主要用途：较低温度下使用的红外窗口与透镜材料。6、半导体单晶体典型晶体：硅、锗及一些化合物半导体。主要用途：Si制造夜视镜和夜视照相机的红外聚焦透镜；ZnS、ZnSe制造中远红外导弹镇流罩。,第四章光学材料4.4红外材料,玻璃典型材料：硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、镓酸盐玻璃、硫属化合物玻璃。优点：光学均匀性好，易于加工成型，价格便宜。缺点：透过波长较短，使用温度一般低于500C。红外透明陶瓷典型材料：Al2O3透明陶瓷、Y2O3透明陶瓷(稀有金属氧化物陶瓷)。特点：Al2O3既可以透过近红外，也可以透过可见光，熔点2050C，光学均匀性好，易于加工成型，价格便宜。Y2O3耐高温性能良好，对红外光散射损失小。,第四章光学材料4.4红外材料,一些红外玻璃的成分和性能,第四章光学材料4.4红外材料,三、探测器材料重要的内光电效应材料碲镉汞（HgxCd1-xTe，符号：MCT）特点：带隙随成分线性变化。工作波长范围较宽（220m）膨胀系数和底材（Si）的膨胀系数相近。应用：制造光电导探测器、光伏探测器等。,无选择性辐射探测器材料,选择性辐射探测器材料,热释电材料、超导材料和光声材料。,外光电效应材料、内光电效应材料（光敏材料）、光生伏特光电材料、光磁效应材料。,第四章光学材料4.4红外材料,第五节液晶材料液晶的发现：1888年：奥地利植物学家莱尼茨尔首次发现液晶。1889年：德国物理学家莱曼观察到液晶的双折射现象。莱曼称这种具有光学各向异性、流动性的液体称为液晶。液晶的特性：一般物质：在较低温度时为晶体，加热后变为液体。液晶：性质介于晶体与液体之间。在从固态转变为液态之前，要经历了一个或多个中间态。具有晶体的各向异性和液体的流动性。因此又称为流动晶体或液态晶体。分子之间作用力微弱。只需很小的外力即可改变液晶分子的取向排列。,第四章光学材料4.5液晶材料,一、液晶分子结构和类别三种几何形状的液晶分子：棒状液晶棒状液晶分子由中心部和末端基团组成。中心部和末端基团的不同组合形成不同液晶相和不同物理特性。人们认识的液晶有1万多种。当棒状分子几何长度（L）和宽度（d）比L/d4时，才具有液晶相。,棒状分子,板状分子,主要应用于液晶显示。,主要应用于液晶显示器的光学补偿膜。,碗状分子,尚未应用。,第四章光学材料4.5液晶材料,液晶的结构,第四章光学材料4.5液晶材料,1、向列型液晶特点：分子的形状呈雪茄状，分子的长轴近于平行，分子重心随机分布。分子的运动：分子能上下、前后、左右移动，单个分子也能绕长轴旋转。,第四章光学材料4.5液晶材料,2、近晶型液晶特点：分子的形状呈雪茄状，分子的长轴互相平行，且排列成层，层与层之间相互平行。分子排列较整齐，近似于晶体的排列状况。分子的运动：分子只能在层内前后左右移动，而不易在上下层之间越层移动，单个分子也能绕其长轴旋转。,第四章光学材料4.5液晶材料,3、胆甾型液晶特点：分子的形状呈雪茄状，分子分层排列，在每一层中，分子平行排列，取向一致。但相邻两层分子的排列方向扭转一定的角度，因而多层分子链的排列方向逐层扭转，呈现螺旋形结构。分子的运动：分子只能在层内前后左右移动，而不易在上下层之间越层移动，单个分子也能绕其长轴旋转。,第四章光学材料4.5液晶材料,二、液晶材料的物理性能1、相变温度向列型液晶相变温度指晶体转变向列相温度(下限温度)和向列相转变各向同性液态温度(上限温度)。液晶存在于上、下限温度范围内。2、粘度粘度与液晶响应关系密切，大小与温度有关。3、介电常数液晶的介电常数具有各向异性：分子长轴方向介电常数，记为/，垂直方向介电常数，记为，各向异性值/。当/时，为正性(p型)液晶；当/时，为负性(n型)液晶。4、折射率液晶的折射率具有各向异性：分子长轴方向折射率n/大于垂直方向折射率n。有双折射效应。5、弹性常数根据液晶弹性变形的方式不同，有三种弹性常数：展曲形变弹性常数k11、扭曲形变弹性常数k22、弯曲形变弹性常数k33。,第四章光学材料4.5液晶材料,三、液晶的效应及应用1、温度效应现象：当白光照射胆甾型液晶，而液晶的螺距与光的波长一致时，就会产生强烈的选择性反射，使液晶的颜色在几摄氏度温度范围内剧烈地改变，引起液晶的温度效应。应用：金属材料的无损探伤，红外像转换，微电子学中热点的探测，医学上诊断疾病、探查肿瘤等。2、电光效应现象：微小的电场变化会引起液晶分子排列方式的改变，从而引起液晶光学性质的改变，从液晶反射出的光线，在强度、颜色和色调上将有所不同，产生液晶的电光效应。应用：各种显示装置。,第四章光学材料4.5液晶材料,3、光伏效应现象：在镀有透明电极的两块玻璃板之间，夹一层向列型或近晶型液晶。用强光照射，在电极间出现电动势，产生液晶的光伏效应。应用：生物液晶。4、超声效应现象：在超声波作用下，液晶分子的排列改变，使液晶物质显示出不同颜色和不同的透光性质，显示出液晶的超声效应。应用：超声技术领域。5、理化效应现象：有机溶剂的蒸汽溶解在液晶中，使其物理化学性质发生变化，产生液晶的理化效应。应用：有毒气体的监测。6、液晶的其他效应应力效应、压电效应、辐照效应等。,第四章光学材料4.5液晶材料,四、液晶材料及应用1、甲亚胺(西夫碱)类特点：粘度适中(3510-6m2/s)，双折射率大(n=0.25)。但易吸水分解，稳定性差。应用：动态散射和电控双折射。2、安息香酸酯类特点：粘度高(4510-6m2/s)，正介电各向异性(20)显著。应用：低阈值、多路驱动显示。3、联苯类和联三苯类特点：介电各向异性(13)、粘度(3510-6m2/s)、双折射率(n0.2)适中。应用：增宽温度范围、增大双折射率、改进多路驱动显示性能。,第四章光学材料4.5液晶材料,4、环己烷基碳酸酯类特点：粘度低，温度范围宽，k33/k11、双折射率和介电各向异性小。应用：多路驱动显示。5、苯基环己烷基类和联苯基环己烷基类特点：稳定性好，粘度低，温度范围宽。应用：LCD。6、嘧啶类特点：介电各向异性大(8)、温度范围宽、弹性常数比(k33/k11)很小。应用：宽温度范围、低阈值、多路驱动的显示。7、环己烷基乙基类特点：粘度低，弹性常数比k33/k11约为1.0。应用：快速响应的多路驱动显示。,第四章光学材料4.5液晶材料,8、环己烯类特点：粘度和双折射率(n0.08)低。应用：TNLCD器件。9、二苯乙炔类特点：双折射率(n0.28)大、粘度(2010-6m2/s)低、相变温度高。应用：薄层液晶显示器。10、二氟苯撑类特点：介电各向异性为负(=26)，粘度低(=1510-6m2/s3510-6m2/s)，双折射率变化大(n=0.070.29)，k33/k11大。应用：ECB和STN显示。11、混合液晶材料单体液晶难以全部满足LCD器件要求的性能。因此，常采用混合液晶来调制物理性能，以满足器件要求。,第四章光学材料4.5液晶材料,第六节光存储材料光存储技术的发展：光存储最早的形式是缩微照相，从20世纪初开始，一度成为文档资料长期保存的主要方式。20世纪60年代激光出现后，激光全息技术受到世人的瞩目，但由于既不能进行实时数据存取，又不能与计算机联机，因此不能与磁存储相比。20世纪70年代，光盘存储技术研究成功，至80年代，便在声视领域内促成激光唱片（包括CD和LD）和激光唱机产业的兴起。光信息的“写入”和“读出”：“写入”：利用激光的单色性和相干性，将要存储的信息、模拟量或数字量，通过调制激光聚焦到记录介质上，使介质的光照微区发生物理或化学的变化以实现记录。“读出”：用低功率密度的激光扫描信息轨道，其反射光通过光电探测器检测、调解，从而取出所要的信息。,第四章光学材料4.6光存储材料,光存储材料的基本结构：由记录介质层、保护层和反射层等组成的具有光学匹配的多层结构。其中，记录介质是光存储材料的敏感层，在制备时需要用保护层将其封闭起来以避免氧化和吸潮。,第四章光学材料4.6光存储材料,一、光存储技术的特点1、使用寿命长光盘存储介质稳定，一般寿命在10年以上，而磁存储的信息一般只能保存35年。2、非接触式读/写和擦除光头与光盘间约有12mm的距离，不会磨损或划伤盘面。3、信息的载噪比高载噪比通常在50dB以上，且多次读写不降低，因而音质和图像清晰度远高于磁带和磁盘。4、信息位的价格低为磁记录的几十分之一。5、不足之处：光盘机结构更复杂，价格较贵，且数据传输速率低(平均数据存取时间在20100ms之间)。,载噪比：载波信号中的有用信号功率与噪声功率之比。,第四章光学材料4.6光存储材料,二、光盘的分类按存储功能只读存储光盘（ROM，Readonlymemory）一次写入存储光盘（WORM，Writeoncereadme