材料的光学性能.ppt

第10章材料的光学性能(Opticalpropertiesofmaterials),1,10.1光与材料的作用(Interactionbetweenlightsandmaterials),10.1.1光的物理本质(Physicalessenceoflights),2,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,3,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=3108m/s，且有,其中0和0分别为真空中的介电常数和磁导率。,4,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。,5,10.1.2光与材料作用的一般规律(Generalrulesoftheinteractionbetweenlightsandmaterials),6,(a)吸收；(b)散射；(b)透射；(b),(c),(d)反射。,7,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,8,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,9,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,10,这种吸收的条件为,E=hij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,11,12,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,10.1.3金属材料对光的吸收和反射(Absorptionandreflectionofmetallicmaterialstolights),14,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,15,大多数金属的反射率在0.90.95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,16,10.1.4非金属材料对光的反应(Interfactionbetweennon-metalmaterialsandlights),17,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。,18,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，r1，有,由于r1，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。,19,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。,20,21,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,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,22,23,一.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。,24,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。,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。,25,1836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。,反常色散,27,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/d0,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。,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,29,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,30,31,3非金属材料对光的吸收,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。,32,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,33,可计算出Eg3.1eV时波长最短的紫光（0.4m）也不能将电子激发不吸收可见光可能是无色透明的。Eg1.8eV时波长最大的红光（0.7m）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1.8eV1s,1s,98,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。,99,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,100,3.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,101,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,102,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,103,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,104,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,105,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。,106,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）,107,108,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,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。,109,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,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,110,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。,111,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）,112,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,113,材料的受激辐射和激光,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。,114,1960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,115,116,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。,117,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,118,119,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。,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。,120,121,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、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是相干的，换句话说外来辐射被“放大”了光的受激辐射过程是产生激光的基本过程（受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中得到证明）,126,自发辐射、受激辐射和吸收之间的关系,某原子自发辐射产生的光子对于其他原子来讲是外来光子，会引起受激辐射与吸收，因此三个过程在大量原子组成的系统中是同时发生的。由此可讨论三个爱因斯坦系数之间的关系,在处于热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统，由于是平衡状态，各能级上的原子数不变，辐射与吸收总数相等，从而可以建立三个爱因斯坦系数之间的关系,127,A21、B21、B12三个系数的关系,在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统中，如果单色辐射能量密度为，则有如下关系式子的左边是与高能级上粒子数有关的辐射光子数，而右边是与低能级上粒子数有关的吸收光子数，即发射与吸收光子数相等达到热平衡的绝对黑体空腔内任何位置的光强都相等，理想空腔内壁反射率为1，黑体温度为常数T,128,1、受激辐射光与自发辐射光的区别,受激辐射光是相干光，自发辐射光是非相干光。,2、造成两种辐射光区别的理论解释,（1）量子电动力学的解释,受激辐射是在外界辐射的控制下产生的，受激辐射光子与激励的入射光子是同一光子态的，具有相同的频率、相位、波矢、偏振态。大量原子在同一辐射场激发下产生同一光子态或同一光波模式的光子，因而是相干的。,自发辐射不受外界辐射场的影响，是自发的，大量原子的自发辐射光子具有各自不同的频率、相位、波矢、偏振态，呈无规则、随几的分布。自发辐射光平均地分配到腔内所有的模式上，而不属于同