光学功能材料

第6章光学功能材料,光学材料包括光学介质材料和光功能材料,光功能材料,光学介质材料主要指传统的光学材料,光色材料、红外材料、发光材料、激光材料（具有线性光学效应）,介质材料,光记录材料,6.1光色材料,AB,光致变色（PHOTOCHROMISM）：指化合物A在受到光频为V1的光照时，可通过特定的化学反应生成结构和光谱性能不同的产物B，而在光频为V2的光照或热的作用下，B又可逆地生成化合物A。,hv1,hv1orkT,基本特征为：A、B在一定条件下都能稳定存在，且颜色视差显著不同；A、B之间的变化是可逆的;该类材料的消色过程是光化学过程，有较好的稳定性和变色选择性。,含有卤化银的玻璃是一种典型的光色材料。是以普通的碱金属硼硅酸盐玻璃的成分为基础，加入少量卤化银，如AgI、AgCl、AgBr或混合物作为感光剂，再加入极微量的敏化剂(如As、Se、Cu、Sb的氧化物)制成。,光色玻璃,卤化银玻璃的光致变色原理,无光照,AgClAg+Cl,hv,hv,光照,改变光色玻璃中卤素离子的种类和含量，可调节使光色玻璃由透明变暗所需幅照光的波长范围，如仅含AgCl晶体的光色玻璃的光谱灵敏范围为紫外光到紫光；如含AgCl和AgBr晶体，则其灵敏范围为紫外光到蓝绿光区域。控制光色玻璃制备中的热处理温度与时间，可控制玻璃中析出的卤化银颗粒大小，也可调节光色玻璃的光色性能。,卤化银玻璃性能的调节,6.2红外光学材料,红外线同可见光一样在本质上都是电磁波，其波段介于可见光和微波之间（0.761000m）。通常按波长把红外光谱分成四个阶段：,近红外,（0.763m）,中红外,（36m）,中远红外,（620m）,远红外,（201000m）,红外线是物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射。自然界中一切温度高于绝对零度（0K）的物体都发射电磁波辐射，并主要位于红外区。,红外线产生原因,任何物体都有其自身的红外辐射特性，其与材料的种类、表面特性和温度等因素有关。,红外线影响因素,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的透光率、折射率及色散的材料。,1）碱卤化合物晶体：如LiF、NaF、KCl、KBr等2）碱土-卤族化合物晶体：如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等3）氧化物晶体：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物4）单质晶体：单质锗、硅可作为红外光学材料。5）无机盐化合物晶体：SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。,单晶材料,无机化合物多晶材料,理论上，大多数多晶材料与单晶材料红外透过性能几乎一致。多晶材料种类较多，前面提到的单晶材料均可制备为多晶材料。现在比较熟知的有ZnSe,ZnS,MgF2等。性能与同材料的单晶体一致，但在机械性能、热性能和加工性能方面优于单晶，而且成本也低于单晶材料。,红外的应用,红外系统：由产生红外辐射的目标、辐射所通过的大气和测量红外的仪器组成。用于探测目标的辐射特性、温度分布、空间方位及运动特征。,军事观测和测定肉眼看不见的物体如第二次世界大战已使用了红外定位仪和夜视仪,红外搜索跟踪系统比普通雷达具有更高的分辨率和更强的抗干扰能力。,红外辐射穿透雾、烟的能力比可见光强，可在不良的气候和观测条件下工作,红外系统在科学研究、国防建设、空间技术及国民经济的各个领域得到广泛的应用。,红外光谱仪：光谱辐射测量。以傅立叶变换光谱技术为代表的红外光谱学在气态、液态、固态等不同形态分析中得到了广泛的应用，例如大气污染分析、燃烧废气的检测、润滑油品质分析、化妆品质量分析等,远红外辐射加热：在粮食烘干、纺织品的热定型、固色等方面有广泛的应用。,远红外成像器件：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监察等。,将墨汁泼到文件上这时凭我们的肉眼已经看不见被墨汁污染的文字了但是，KAYAPF4滤光镜能看到。,红外测温：在工业生产中，红外测温技术对高温、高压、告诉运转的设备进行监控和检测，既保证设备的安全运转，有能发现一场现象，及时排除隐患。,通信和遥感：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。,搜索和跟踪系统：如宇航装置导、火箭、飞机预警、遥控引爆管等。,无损检测：在探测焊接缺陷、火箭发动机壳体，集成电路、多层印刷电路板等方面比其他无损检测方法效果更明显。,6.3发光材料,材料是如何发出光来的？,绿色极光,荧光现象,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，是热辐射之外另一种能量辐射现象。,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。,22,6.3.1发光机理及发光特性,1.发光机理,根据发光机理的不同，发光过程可以分为两类，即分立发光和复合发光。,分立发光：发光中心受激发时并未离化，即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。特点：单分子过程，并不伴随着光电导，又称“非光电导型”发光。,分立发光又分为自发发光和受迫发光。,自发发光,受迫发光,自发发光：受激发的粒子（如电子）在粒子内部电场作用下从激发态回到基态时的发光。其粒子跃迁的几率基本上决定于发射体内的电场，而不受外界因素影响。,受迫发光：受激发的粒子（如电子）在外界因素的影响下的发光。其需要经过一个成为亚稳态的中间过程才能发光。,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。,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。,复合发光,发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子（一般为正离子或者空穴和电子），这两种粒子复合时的发光。,由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而构成特征性光电导，所以又称“光电导型”发光。,单分子过程,双分子过程,电子在导带中停留的时间较短（10-10s）,电子在导带中停留的时间较长,2.发光特点,2.1颜色特征,不同的发光中心，在不同的基质材料中，可能发出不同波长的光。已知的发光材料可以覆盖整个可见光的范围。,吸收光谱和发射光谱表征发光材料特性的常用方法。,Zn2SiO4：Mn的发射光谱和吸收光谱,吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对应波长。发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，一般说来其波长大于吸收光谱的波长。,宽带材料：半宽度100nm，如CaWO4,窄带材料：半宽度50nm，如Sr(PO4)3Cl：Eu3+,线谱材料：半宽度0.1nm，如GdVO4：Eu3+,依照发射峰半宽度,发射峰的半宽度,发光材料究竟属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。例如，将Eu2+掺杂在不同的基质中，可以得到上述3种类型的发光材料，而且随着基质的改变，发光的颜色也可以改变。,2.2发光强度,发光效率表征材料的发光本领。其大小与激发强度有关。可以用量子效率、能量效率和光度效率（流明效率）来表示材料发光效率的高低。,量子效率：发光量子数与激发源输入的量子数之比。,能量效率：发光的能量与激发源输入的能量之比。,光度效率：发光的流明数与激发源输入的能量之比。,2.3发光持续时间（余辉）,荧光：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为N2），这叫粒子数正常分布。,要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使N2N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就可能使高能极E2的粒子数N2低能级E1的粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反转分布，见图4,一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。,粒子数反转分布的作用在于当外来辐射时，受激辐射总是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明，许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激光的产生提供了基础。,激光材料置于由两个平行反射镜构成的谐振腔中，泵浦灯使激光材料中粒子数发生反转，并将能量储存在高激发态能级，该因受激发射而释放出的光束在谐振腔内因而多次往返穿过激光材料，若一次往返增益恰好等于损耗时（阈值条件），达到稳态自振荡，产生激光。,6.4.2激光器的结构,6.4.3激光材料的性能要求与应用,良好的荧光和激光性能优良