第五章材料的光学性能2014.ppt

第五章材料的光学性能,5.1光和固体的相互作用5.2材料的发光5.3无机材料的红外光学性能5.4电光效应、光折变效应、非线性光学效应5.5光导纤维,高锟，华裔物理学家，生于中国上海，祖籍江苏金山（今上海市金山区），拥有英国、美国国籍并持中国香港居民身份，目前在香港和美国加州山景城两地居住。高锟为光纤通讯、电机工程专家，华文媒体誉之为“光纤之父”、普世誉之为“光纤通讯之父”（FatherofFiberOpticCommunications），曾任香港中文大学校长。2009年，与威拉德博伊尔和乔治埃尔伍德史密斯共享诺贝尔物理学奖。,5.1光和固体的相互作用,5.1.1光的波粒二象性,爱因斯坦光电方程,光子源决定光的频率、波长和辐射能。,原子核结构变化,射线,原子结构改变,x射线、紫外、可见光,原子振动晶格振动,长波辐射,可见光七彩颜色的波长和频率范围,人眼最为敏感的光是,黄绿光，即555nm附近。,电磁波在真空中的传播速度：c=3108m/s,当光在介质中传播时，速度为：,粒子性,波动性,反射透射折射,传播衍射,5.1.2光通过固体的现象,设入射到固体表面的光辐射能流率为0，透过、吸收、反射和散射光的光辐射能流率为，A，R和，则有,光辐射能流率：表示单位时间内通过单位面积（与光线传播方向垂直）的能量。,在固体材料中出现的光学现象的电磁辐射与固体材料中的原子、离子或电子相互作用的结果。从宏观上讲，当光从一种介质进入另一种介质时，会发生光的透过、吸收、散射和反射。,光与固体相互作用的本质是光子与固体材料中的原子、离子、电子等的相互作用，出现的重要结果两种：电子极化电子能态转变,电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。,电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与电磁波频率有关：E=h42受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。,5.1.2.1材料折射率及其影响因素,折射率：光在真空和在材料中的传播速度之比,光在界面处的折射与反射,（1）三线共面,（2）,材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢；光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。,折射率的影响因素：（1）构成材料元素的离子半径PbSn=3.912SiCl4n=1.412,（2）材料的结构与晶型,非晶、立方晶体均匀介质,其他,双折射n0ne,（3）内应力：垂直于主应力方向，n值大,（4）同素异构,高温晶型折射率低,石英1.55,磷石英1.47,方石英1.49,（5）入射光的波长,色散：这种光在介质中的传播速度（或介质的折射率）随其频率（或波长）而变化的现象。,色散系数（Abb数）,nd：氦的d谱线（587.56nm）；nF：氢的F谱线（486.1nm）;nC：氢的C谱线（656.3nm）,中部色散,5.1.2.2材料的反射系数和影响因素,反射系数：,若介质1为空气，则：,减小反射损失的措施：,（1）介质表面镀增透膜,（2）用折射率相近的胶粘结，减小空气界面造成的损失,5.1.3材料的透射及其影响因素,5.1.3.1金属的光透过性质,金属对可见光不透明。,原因：费米能级以上存在许多空能级,临界厚度：0.1m,应用：大多数金属的反射系数在0.90.95之间。可用其他材料的衬底。镀上一薄金属层作为反光镜。,金属的颜色由其反光决定。,5.1.3.2非金属材料的透过性,（1）介质吸光的一般规律,非金属介质吸收可见光三种机制：,1）电子极化2）电子吸收光子越过禁带,入射光子h,E,E,价带,禁带,导带,反射光子h,3）电子吸收光子进入禁带中的杂质或缺陷能级,可见光：1.8eV3.1eV,朗伯特定律,：介质对光的吸收系数，cm-1,的影响因素,1）材料。,空气：10-5cm-1，玻璃10-2cm-1金属：104cm-1,2)入射波波长,光程对介质透过率的影响,吸收影响可见光透过的第一类因素影响可见光透过的第二类因素散射,散射产生许多有趣的现象,光线通过均匀透明介质(清水、玻璃)时，从侧面很难看到光线。光线通过不均匀介质时(混浊液体)，可从侧面看到光线。白天的上空是亮的，并且天空呈湛蓝色。旭日和夕阳呈红色。产生散射的原因是光传播的介质不均匀。,（2）介质对光的散射,光在介质内传播时，介质中的束缚电子(或者偶极子)在光波电场的作用下受迫振动发出次波。这些次波与入射波具有相同的频率。次波与入射波叠加成折射光波而射出介质。,光在均匀介质中传播只能沿介质折射率确定的方向前进。介质中偶极子发出的次波具有与入射光波相同的频率，并且由于偶极子之间有一定相位关系，因而它们是相干光。介质均匀时，次波相干叠加结果，只剩下遵循折射定律的光线，而其余方向的振动相互抵消。,杂质所产生的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，使光偏离原来的折射方向，从而引起散射。,光的散射主要是次波叠加不能在偏离折射方向完全抵消的结果。,非均匀介质,S：散射系数,布格尔Bouguer定律,瑞利散射：散射光波长与入射光波长相等。联合散射（喇曼散射）：散射光波长与入射光波长不相等。,瑞利散射：散射光强与4成反比。米氏散射：散射强度与波长的依赖关系不明显。,散射使光在前进方向上的强度减弱。,介质对入射光的散射不但与入射光波长有关，也与散射颗粒的大小、分布、数量及散射相与基体的相对折射率大小有关。相对折射率愈大，其散射愈严重。,I0（1-R）e-(+S)x,I0,（3）陶瓷材料透光性的影响因素,设陶瓷片厚度为x，入射光强度为I0，陶瓷片与介质之间的相对折射率为n21。,RI0,I0（1-R）,I0R（1-R）e-(+S)x,I0（1-R）2e-(+S)x,实验结果比理论计算的透射比要高。,I0（1-R）e-(+S)x,I0,RI0,I0（1-R）,I0R（1-R）e-(+S)x,这部分光能的大小与材料的吸收系数、散射系数密切相关，也和材料表面的光洁度、材料厚度以及光的入射角有关，十分复杂。,影响透射比的因素：,1）对于陶瓷电介质材料吸收系数较低，不是主要因素,2）反射系数：材料的相对折射率和材料表面光洁度,3）散射系数：,、材料宏观和微观缺陷,、晶粒排列方向,、气孔引起的反射损失,不均匀界面存在相对折射率，使散射系数增大,设具有双折射的两个相邻晶粒晶轴相互垂直，且光线沿左边晶粒光轴方向入射，则有下面情况发生：左边晶粒内，只存在寻常光的折射率no。右边晶粒内不但有寻常光，还有非寻常光。,寻常光折射率都相同，根据,因此无反射损失。,晶粒排列方向,光轴方向,光轴方向,寻常光对于右边晶粒的非寻常光，则存在相对折射率no/ne1，no/ne越大，反射损失和散射损失越大。,对于多晶体材料，各结晶取向不同，导致晶粒之间存在不同的折射率，故引起晶界处的反射及散射损失。,损失大小与具体材料有关。,晶粒排列方向,光轴方向,光轴方向,晶粒排列方向,例如：对于-Al2O3，no=1.760，ne=1.768则界面反射系数：,2mm厚的Al2O3陶瓷，平均晶粒直径10m，则界面反射损失0.00103,另一方面，晶粒直径远大于可见光波长，故散射也很小。,结论：Al2O3可以成为透明陶瓷。,光轴方向,光轴方向,例2：金红石,金红石晶体的n0=2.854，ne=2.567,因而其反射系数m=2.810-3。如材料厚度3mm，平均晶粒直径3m，则剩余光能只剩下(1-m)1000=0.06了。此外，由于n21较大，因之K较大，S大，散射损失较大，故金红石瓷不透光。,例3：MgO，Y2O3等立方晶系材料,没有双折射现象，本身透明度较高。如果使晶界玻璃相的折射率与主晶相的折射率相差不大，可望得支透明度较好的透明陶瓷材料。但这是相当不容易做到的。,（3）气孔引起的散射损失,气孔含量,存在于晶粒之间的以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞，从光学上讲构成了第二相。其折射率n1可视为1，与基体材料之n2相差较大，所以相对折射率n21=n2也较大。由此引起的反射损失、散射损失远较杂质、不等向晶粒排列等因素引起的损失为大。,气孔的体积含量V越大，散射损失越大。,例：一材料含气孔0.2%（体积），平均d=4m，试验所得散射因子K=24，则散射系数,如果此材料厚为3mm，I=I0e-1.53=0.011I0。剩余光能只为1左右，可见气孔对透光率影响之大。,气孔尺寸,一般陶瓷材料的气孔直径大约在1m，均大于可见光的波长(=0.390.79m)，所以计算散射损失时应采用公式S=K3V/4R。,散射因子K与相对折射率n21有关。而气孔与陶瓷材料的相对折射率几乎等于材料的折射率n2，数值较大，所以K值也较大。气孔尺寸小，散射损失较小。,假如上例中只剩下平均d=0Olm的微小气孔，情况就有根本的变化。,此时，A12O3陶瓷的平均d/3(设为可见光的波长)，符合瑞利散射条件。此时，即使气孔体积含量高达0.63，陶瓷也是透光的。,提高材料透光性的措施,1）提高原材料纯度,2）掺加外加剂,目的：是降低材料的气孔率，特别是降低材料烧成时的闭孔。,增加A1203陶瓷透明性的常用外加剂,MgO,Y2O3，La2O3,外加剂本身也是杂质，掺多了也会影响透光性。,3）工艺措施,排除气孔,使晶粒定向排列,（4）透明材料的颜色和着色原理,1）透明材料的颜色,蓝宝石红宝石,无色,红色,蓝宝石是三氧化二铝单晶，在整个可见光范围内，光的波长分布很均匀，因此是无色的。红宝石是在这种单晶氧化物加入少量的Cr2O3。在单晶氧化铝禁带中引进了Cr3+的杂质能级，造成了不同于蓝宝石的选择性吸收，即对波长约为0.4m的蓝紫色光和波长约为0.6m的黄绿光有强烈的选择性吸收，而非吸收光和重新发射的光波决定了其呈红色。,电子受激跃迁导致(选择)吸收。电子从激发态回到低能态时，重新发射出光子，其波长并不一定与吸收光的波长相同。透射光的波长分布是非吸收光波和重新发射的光波的混合波。透明材料的颜色是由混合波的颜色决定的。,透明材料颜色产生机制,上述光与物质的相互作用在可见光范围内产生才能有颜色，否则为无色。,Co2+吸收橙、黄和部分绿光，呈带紫的蓝色。Cu2+吸收红、橙、黄及紫光，让蓝、绿光通过；Cr2+着黄色；Cr3+吸收橙、黄，着成鲜艳的紫色。锕系和镧系相同，属放射性元素，例如铀U6+吸收紫、蓝光，着成绿黄光的黄绿色。,2）无机非金属材料的着色,颜料有两大类：分子(离子)着色剂和胶态着色剂。,显色机制就是由于着色剂对光的选择性吸收而引起的选择性反射或选择性透射，从而显现特定的颜色,离子着色,根据材料中离子的光吸收，价态等与电子层结构的关系，可把常见离子大致划分为三种类型。,化合物的颜色多取决于离子的颜色，离子有色则化合物必然有色。,1）惰性气体阳离子,2）过渡金属离子,3）稀土元素（镧系元素）,4）外层具有18或18+2电子的阳离子,1）惰性气体阳离子,其电子层结构与周期表中邻近的惰性气体相似。,这一类离子中的电子自旋总和等于零。量子力学表明，这类离子中电子状态比较稳定，因此需要较大的能量才能激发电子进上层轨道，可见光的能量不足以使其激发，这就需要吸收波长较短的量子来激发外层电子，因而造成了紫外区的选择性吸收，对可见光则无影响，因此往往是无色的。,2）过渡金属离子,过渡元素的次外层有未成对的d电子，即具有dxs0p0或d10s0p0结构的离子，外层电子充满，次外层不饱和。其中x=1-5或6-9时，在3d亚层上都有未配对的电子，所以不稳定。电子跃迁所需要的能量Eg较小，可见光谱范围内的能量足够，故显色。x=5时，半充满，色弱；x=0，10，全空，或全充满时，无色。,3）稀土元素（镧系元素）,镧系元素的第三外层含未成对的f电子，即具有fxd0s0p0结构，在4f层有未充满（即不配对）的电子，所以也是着色离子。它们较不稳定，能量较高，需要较少的能量即可激发，故能选择吸收可见光。,4）外层具有18或18+2电子的阳离子,这类离子极化率大，但从电子分布来看，每个轨道上也都有两个电子，所以相对较稳定，但不及惰性气体型离子。它们的特点是极化率大，变价，所以本身不着色。但其化合物在近紫外的光谱上有所吸收。这种离子易被还原，如Au，Ag，Cu。,化合物的颜色多取决于离子的颜色，离子有色则化合物必然有色。,2胶体着色,胶体着色分为金属胶体着色和非金属胶体着色。,1）金属胶体着色,着色特点：在材料中形成一定大小的胶体粒子，对光产生散射的结果。,所以与胶体粒子的大小、数量和形状有关。胶体着色的着色剂最常见的有胶体金(红)、银(黄)、铜(红)。,有人以胶态金的水溶液作试验，结果表明：,d20nm时，溶液逐渐变成接近金盐溶液的弱黄色；,d2050nm时，是强烈的红色。这是最好的粒度；,d50100nm时，则依次从红变到紫红再变到蓝色；,d100150nm时，透射呈蓝色，反射呈棕色，已接近金的颜色。说明这时已形成晶态金的颗粒。,因此，以金属胶态着色剂着色的玻璃或釉，它的色调决定于胶体粒子的大小，而颜色的深浅则决定于粒子的浓度。,2）非金属胶体着色,最著名的是硫硒化镉着色。,这类着色的特点是颜色纯，有特殊的光吸收，无吸收峰，而是连续的吸收区和透过区。,其颜色与CdS/CdSe比例有关，即主要决定于它的化学组成，而晶体大小的影响不大。,如果晶粒（尺寸达到100nm或以上时）太大则开始混浊，但颜色不变，颗粒过大时，则失透。,在玻璃中的情况也完全相同，最好的例子就是以硫硒化镉胶体着色的著名的硒红宝石，总能得到色调相同、颜色鲜艳的大红玻璃。但当颗粒的尺寸增大至100nm或以上时，玻璃开始失去透明。,硫硒化镉,五氧化二钽,任何形式的能量，激发电子从价带进入导带，当其返回到价带时便发射出光子。如果这些光子的波长在可见光范围内，便产生了发光现象。发光是辐射能量以可见光的形式出现。上述机制所发出的光称为冷光。,荧光和磷光,5.2材料的发光,5.2.1发光和热辐射,5.2.1.1荧光和磷光,荧光：当激发去除后10-8s内发出的光称为荧光。,光子,激发,导带,价带,激发,导带,价带,Ed,Eg,光子,磷光,发光强度：,发磷光的材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级。,光子发射时间延迟。当陷阱中的电子逐渐逸出时，跳回价带发射光子。,1568年，Cellini，第一位观察到自然磷光现象,1600年，人工合成磷光材料,1853年，确定发荧光的时间为100s，现在定为10ns。,发光时间很短、仅为10ns的光叫荧光。,荧光和磷光区别,激发停止后的一段时间内仍能发光的复杂晶体无机物质叫磷光体。,根据发光时间区分：,高的发光效率；发光色彩；适当的余辉时间(afterglowtime)；余辉时间，就是发光后其强度降到原强度1/10时所需要的时间。材料与基体结合力强等。,对磷光体材料的要求,磷光体,ZnSCdS,AgCuMn,=基体,+激活剂,ZnS：Ag蓝光Zn，CdS：Cu，Al黄光Zn2SiO4：Mn绿光,荧光灯的组成：灯头、阴极、内壁涂有荧光粉的玻璃灯管。灯管内封有气压很低的汞蒸气和惰性气体。,发光原理：高电压使得灯管内的汞蒸气发生气体放电，此时产生大量的紫外线，波长为254nm，紫外线激发灯管内壁上的荧光粉，从而发出可见光。,荧光灯,5.2.1.2LED（发光二极管）,当pn结二极管加上一正向电压时，其正向电流是所加电压的函数。该正向电流造成结面的载流子过剩。构成p区少数载流子的注入，虽然扩散使其离开界面，但它们可能跨过带隙产生复合，则,GaAs：Eg=1.44eV，g=0.86mGaP：Eg=2.26eV，g=0.55m,发光强度i正比于通过界面注入的少子数，或者正比于电流I：,二极管发光强度与所加正向偏压具有指数的关系。,发光二极管的特点：,能源利用率高。半导体灯几乎完全用于发光，而白炽灯只有5%用于发光，95%的能量消耗于发热。荧光灯的能源利用率也只有20%30%；节省能源。同样发光效果的二极管所耗的能量只有白炽灯的1/10。长寿命。同样功率的发光二极管的使用寿命是白炽灯的100倍。,5.2.1.3热辐射,温度增加,电子激发,跃迁回正常态,光子发射,由温度所决定的电磁辐射称为热辐射。任何物体在任何温度下都不断向周围空间发射电磁波，其波谱是连续的。,微观机制,室温下，物体在单位时间内辐射的能量很少，辐射能大多分布在波长较长的区域。,电磁辐射与温度的关系,温度升高，单位时间内辐射的能量迅速增加，辐射能中短波部分所占比例也逐渐增大。,温度继续升高，辐射能中短波部分所占比例更高，可见光波段比例增加，物体由暗红色，逐渐变为赤红、黄、蓝、最后白色。,5.2.2激光,激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。激光技术是20世纪60年代后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、光学信息处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。,电子跃迁(荧光与磷光)、热辐射所发射的光子都是随机、独立的，即产生的光波不具有相干性。,激光的特点,激光是在外来光子的激发下诱发电子能态的转变，从而发射出与外来光子的频率、相位、传输方向以及偏振态均相同的相干光波。,1、激光工作原理,泵浦。在外界能源(电源或光源)的激励下，基态上的粒子被抽运到激发态上。,粒子数反转。当亚稳态上的粒子数多于基态上的粒子数时，实现了粒子数的反转。,受激辐射。当由于某种原因使粒子从激发态跃迁到基态时，频率为的成分就被放大，激光产生。,亚稳态能级更好地为粒子数反转创造条件。,不受外界能量的影响，只是由于原子内部运动规律导致从受激高能态返回基态，同时发出光子的跃迁，叫做自发辐射跃迁。由此产生的光不是激光，没有相干性。,自发辐射,受激辐射,由于入射光子的感应或激励，导致激发原子从高能级跃迁到低能级去，这个过程称为受激跃迁或感应跃迁。这种跃迁辐射叫做“受激辐射”。,受激辐射出来的光子与入射光子有着同样的特征，如频率、相位、振辐以及传播方向等完全一样。,激光器的组成三要素,工作物质,激励能源又称泵浦实现粒子数反转。,光学谐振腔两个高度平行的镀银面之间形成的空间。,5.2.2.2激光工作物质,工作物质又称激光晶体，由基质晶体与激活离子组成。基质晶体决定激光晶体的物理化学性质。激活离子的能级结构决定激光晶体的光谱特性。离子受基质的影响会导致光谱特性变化。离子对基质的影响会导致物理化学性质变化。,工作物质按激活离子的能级特点分为：三能级系统(红宝石激光器)四能级系统(YAG激光器),四能级系统的工作效率高。,红宝石激光器三能级系统,工作物质：Cr3+:Al2O3(0.05%Cr3+)Cr3+离子提供了产生激光的所必要的电子能态。,将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面；一个端面部分镀银，能部分透光；另一端面充分镀银，使之对光波有完全反射作用；在激光管内，用氙气闪光灯辐照红宝石。,红宝石被辐照之前Cr3+都处于基态，在氙气闪光灯(波长560nm)照射下，Cr3+离子中的电子受激转变为高能态，造成粒子数反转。当有几个电子自发地从亚稳态返回基态时，带动更多电子以“雪崩”形式返回基态，从而发射出愈来愈多的光子。氙灯在绿色和蓝色的光谱波段有较强的光束输出，正好与红宝石的吸收光谱对应起来。闪光灯的大部分输入能量耗散为热，只有一部分变成光能为红宝石所吸收。,钇铝石榴石激光器四能级系统,钇铝石榴石激光器的工作物质：Nd3+-Y3Al5O12(Nd3+:YAG)(0.5%2%),激光工作物质有固体、液体和气体。固体激光器是最重要的一种。激活离子密度大；振荡频带宽；能产生谱线窄的光脉冲；具有良好的机械性能和稳定的化学性能。,固体激光器分类,掺杂型激光晶体掺杂稀土激活离子(Nd3+:YAG)；掺杂过渡族激活离子(Cr3+:Al2O3),高辐射效率、长辐射寿命，且与闪光灯光谱匹配。,激活离子浓度增加到一定程度时，就产生浓度猝灭效应，使激光寿命下降。,自激活激光晶体激活离子做为晶体一种组分而存在。,激活浓度高，很薄的晶体可得到足够大的增益，有利于高效、小型化。,可调谐激光晶体利用过渡金属d-d跃迁易受晶格影响的特点使激光波长在一定范围内可调谐。,半导体激光器特点：体积小、效率较高、运行简单、便宜。缺点：单色性差,5.2.2.3半导体激光器,（1）工作原理,Eg,空导带,满价带,T=0K,单色性差,设定半导体温度处于0K，电子受某种激发从价带跃迁到导带，使导带和价带间发生粒子数反转。,当导带电子和空穴复合时，形成受激辐射。,条件：为满足粒子数反转的条件，必须使倒带的费米分布函数fc大于价带的费米分布函数fv。,可以证明，只要电子和空穴的准费米能级差大于入射光子的能量，作为激光工作物质的半导体就可以实现粒子数反转。,构成激光器的半导体材料一定是直接带隙半导体。,谐振腔,激活层厚度约2m。激光波长837nm（4.24K）。,（2）半导体激光材料,双外延注入激光器（DH）,Al的引入提高能隙，降低折射指数，界面应变小,GaAsInPInAs,电流,近紫外,红外,半导体量子阱激光器作为泵浦光源，光谱匹配度好，转换效率高，热效应低。,全息照相,全息术（holography）是利用光的干涉和衍射原理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术。,为了提高电子显微镜的分辨本领，伽伯（D.Gabor，19001979）在1948年提出了全息术原理，并开始了全息照相（holography）的早期研究工作。那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离，以及没有好的相干光源。1960年出现了激光以后，1962年莱特（E.Leith）和乌帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息术中利用了激光，并提出了离轴全息术，使全息技术迅速发展成为科学技术的一个新领域。激光记录和白光再现的全息术，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性，并逐步深入到了社会的各个领域中。声全息术和微波全息术等也已经开始发展，但进展远不如光学全息术。,全息照片的获得光的干涉,由激光器发出的激光束，通过分光镜分成两束。,全息照片的拍摄,分光镜,干涉条纹的间距：d=/2sin(/2),一束称物光，它是经过透镜扩束后射向物体，再由物体反射后投向全息干版；,另一束光经反射镜反射和透镜扩束后直接照到全息干版上，称为参考光。,在干版上相遇后，发生干涉，形成干涉条纹。它是无数组干涉条纹的集合，最终形成一肉眼不能识别的全息图。,全息照片的再现光的衍射,感光以后的全息底片经显影、定影等处理得到的全息照片上，记录了无数干涉条纹，相当于一个“衍射光栅”，一般是用相同于拍摄时的激光作为照明光，照明光经全息照片（即“光栅”）便发生衍射，得到一列沿照射方向传播的零级衍射光波和二列一级衍射波。,5.3无机材料的红外光学性能,5.3.1红外技术的起源和应用,1800年，赫胥尔发现红外光谱区。二次世界大战，红外定位仪和红外夜视仪,应用：（1）辐射测量和光辐射测量（2）对能量辐射物的跟踪（3）红外成像（4）通信和遥控,除非炽热物体，每种处于0K以上的物体均发射特征电磁波辐射，并主要位于电磁波谱的红外区域。,光学系统,探测器,制冷机,电子线路,显示器,红外搜索跟踪系统框图,探测器视网膜它把接收到的红外辐射转换成人们便于测量和观察的电能、热能等形式。,光学系统-用来接收外来红外辐射，进行光学过程处理，透过、折射、吸收等均由仪器设计的光学系统完成。,5.3.2红外透过材料,红外波段0.720m,材料特点：（1）折射率低（2）散射和吸收系数小（3）自辐射小，避免假信号（4）物理化学性质稳定（5）热导率高,实用材料：玻璃、晶体、透明陶瓷、塑料,红外透过材料的基本要求。（1）透过率要高（50%）（2）透过的短波限要低（3）频带要宽,5.3.2.1玻璃,优点：光学均匀性好，易加工成型，成本低缺点：透过波长较短，使用温度低于500,氧化物玻璃透过波长不超过7m,5.3.2.2晶体,优点：透过长波限较大，折射率和色散范围也较大，熔点高，热稳定好，具有双折射效应。缺点：制备晶体生长较慢；不易长成大尺寸；价格贵；折射率和色散范围较大。,CsI(a)和MgF2(b)的透过率曲线,硫化物单晶体ZnS、ZnSe为很好的红外透过材料；工程上常用的是多晶体ZnS和ZnSe；制备方法。热压：硬度和强度高。化学气相沉积：吸收很小，折射率均匀度很高，所以可用于做CO2激光窗口。,5.3.2.3红外透明陶瓷和金刚石,Al2O3透明陶瓷可透过红外与可见光，熔点高，成本低。蓝宝石高速导弹首选的中红外透过材料,稀土金属氧化物光学各向同性，散射小。,金刚石：金刚石是最理想的红外透过材料。（1）带宽0.23m200m，10.6m处的吸收系数0.03cm-1。（2）生产工艺：微波等离子体辅助化学汽相沉积（MPCVD）（3）应用：a、多色谱光学材料b、高速飞行器探测系统的光学材料c、大功率CO2激光器窗口d、低介电损耗,5.3.3红外探测材料,5.3.3.1红外探测原理,无选择辐射探测器材料：热释电材料超导材料光声材料,选择性辐射探测器材料：外光电效应材料内光电效应材料光生伏打效应光磁效应,外光电效应,逸出功,红限,应用于光电发射探测器，光电流与入射辐射功率成正比,h,hq,h,内光电效应：产生的载流子留在材料内部，而不逸出材料引起材料电导率变化。,光敏材料：光导、光伏和光磁电效应,自由电子效应,电子空穴效应,半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导率增大(电阻减小)，这种现象称为光电导效应。,光电导探测器,光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴，并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能。,光伏探测器,放在磁场内的均匀半导体材料受到光照射时，若磁场垂直于xoy平面，洛伦兹力把扩散电子和空穴偏转到相反方向，导致电子和空穴在垂直于光照方向和磁场方向的半导体的两端面分别积累，产生光磁电场，对应的电动势被称为光磁电电动势。,光磁电效应,5.3.3.2光子型红外探测器碲镉汞（HgCdTe）,直接带隙半导体,特点：1、带隙随成分线性变化2、工作波长范围宽2m20m,仅次于Si、GaAs之后排列第三位最重要的半导体材料。,4、易于表面钝化5、制造技术要求严格，成份难于控制均匀6、必须在低温下工作7、材料纯度要求高，99.9999%以上。,3电子迁移率高,5.3.4热探测器材料,工作原理基于以下三种物理效应：热敏电阻效应热电效应热释电效应,热释电探测器材料与光电导材料比较优点：可以工作在室温，而不需要复杂的冷却装置；工作频带宽而平坦；成本低。缺点：探测率低。,热释电材料：（SrBa）Nb2O6Pb1.02（Zr0.59Fe0.2Nb0.2Ti0.02）0.994U0.006O3LiTaO3,选热释电系数p大的材料；选择室温下dPs/dT大的材料。,热释电材料选择,5.4电光效应、光折变效应、非线性光学效应,自然光：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光.,自然光以两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示,并各具有一半的振动能量.,各光矢量间无固定的相位关系.,二互相垂直方向是任选的.,5.4.1相关预备知识,5.4.1.1偏振光,偏振光（线偏振光）,部分偏振光：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光.,光振动只沿某一固定方向的光.,椭圆偏振光可用两列沿同一方向传播的频率相等、振动方向相互垂直的线偏振光叠加得到。这两列线偏振光的相位差不等于0、；如果二线偏振光的振幅相等，它们的相位差应不等于0、/2、。,5.4.1.2布儒斯特角和马吕斯定律,入射面入射光线和法线所成的平面.,反射光部分偏振光，垂直于入射面的振动大于平行于入射面的振动.,折射光部分偏振光，平行于入射面的振动大于垂直于入射面的振动.,理论和实验证明：反射光的偏振化程度与入射角有关.,马吕斯定律（1880年）,马吕斯定律强度为I0的偏振光通过检偏振器后,出射光的强度为,某些各向异性晶体（如方解石和石英等）具有双折射现象。当一束自然光射到这些晶体上时，晶体内会有两束折射光，它们均为平面偏振光，且偏振方向垂直。,其中一束满足折射定律，称为寻常光（或O光）,另一束不满足折射定律，称为非常光（或e光）。,干涉,5.4.1.3双折射和光折射率椭球体,对晶体而言，有一特定方向,当光线沿此方向入射时，不会产生双折射现象，该方向称为晶体的光轴。如图所示，一单色平面偏振光垂直入射在各向异性的晶体平板上，其光轴平行于晶体表面。当入射平面偏振光的偏振化方向与晶体光轴夹角为，则光轴方向上产生e光，垂直光轴方向产生o光，在晶体内，两光束虽沿同一方向传播，但有不同的速度。透过晶体板后，o光和e光之间产生一定的相位差。对于给定的波长，如果晶体板的厚度恰好使o光和e光的相位差为，即相位差为,则出射光线的电矢量由两个垂直的、相位差为的o光和e光振动的合成。,能够产生双折射的晶体。都是具有各向异性结构的。,晶体的光轴：光沿此方向入射时无双折射。,方解石晶体，亦称冰洲石晶体，即CaCO3，碳酸钙的六角晶系，就是一种典型的负单轴双折射晶体。石英（水晶）、红宝石、冰等正单轴双折射晶体。云母、蓝宝石、橄榄石、硫黄等是双轴双折射晶体,o光：振动方向垂直于主平面，即电矢量垂直于光轴。e光：振动方向平行于主平面，即电矢量在e光主平面内。,折射率椭球,光频范围内,主折射率：nxnynz,由光的电磁理论可知：电感应在晶体内的传播可用以椭球体表示，他的三个半轴长分别与主折射率成正比，故称此球为折射率椭球。,折射率椭球的物理意义,（1）根据入射光的方向可以判断偏振光振动方向和折射率。,（2）直观解释光轴、单轴和双轴晶体的意义。,光各向同性体,5.4.2电光效应,由于外加电场所引起的材料折射率变化的效应,线性电光效应（Pockels电光效应）,没有对称中心的晶体，外加电场与n的折射关系具有一次电光效应。,旋转椭球体,单轴晶体,三轴椭球光折射率体,对于电光陶瓷,电光系数,二次电光效应（Kerr电光效应）,具有对称中心或结构任意混乱的介质，不具有一次电光效应，只具有二次电光效应。,对于光各向同性材料,K：电光克尔常数：入射光真空波长,电光材料与应用：（1）纵向KDP光调制器,偏振片1,偏振片2,KDP（磷酸二氢钾）是一种无对称中心的晶体，沿某一特定方向施加电场后，在晶体内能对某种方向的入射光产生双折射,（2）电光陶瓷快门,偏振片1,偏振片2,在装有平行板电容器的透明盒内，充以某种特定的液体（如硝基苯）,（2）电光陶瓷快门,5.5光导纤维,5.5.1概述,光纤通讯优点：损耗低、频带宽、尺寸小、质量轻，抗干扰,光纤分类：普通光纤特种光纤,5.5.2通讯光纤的构成与分类,结构,芯部+包覆层+保护层,非晶SiO2+高硅玻璃+尼龙增强材料,纤芯n1,50m,125m,分类：,按折射率变化分类,突变光纤、渐变光纤,按传播模式分类,单模光纤、多模光纤,按材料分类,玻璃光纤、塑料光纤,5.5.3光纤的传输模式、损耗、色散,一、光纤传输几何模型,假设有三种不同情况的电磁波在材料中传播：一是在芯部并向界面传播第二种情况是电磁波从界面反射并在芯部传播第三种情况是电磁波从界面离去并在包覆层内传播,n2/n1=0.99，临=0.142,二、传播损耗：,（1）散射损耗散射损耗是由于光纤材料密度的微观变化、成分的起伏、结构上的不完善以及制造过程中产生的缺陷造成的。光在不均匀的介质中传播将被散射，散射效应破坏了在纤芯包层边界保持全反射的条件，部分光会穿出纤芯，造成功率损耗。这种散射也称为瑞利散射。它与波长的四次方成反比，在为1550nm时，瑞利散射损耗为0.154dB/km。,（2）吸收损耗在光纤制造过程，光纤中的氧与氢相结合会形成OH离子时，会对1390nm和940nm的光造成大量的吸收。为了降低光纤的吸收损耗，已经研制出全波长光纤，它可在1200nm1650nm范围内将损耗做得很低。OH离子也可以是因为氢气进入光纤内部形成的，在含有很多氢气的环境中使用光纤，或者光缆的金属部分在水中因腐蚀产生氢气时，有可能出现光纤损耗大量增加的现象。,(3)弯曲损耗由于光纤的敷设中，不可避免地会遇到需要弯曲的场所，光线从光纤的平直部分进入弯曲部位时，原来的束缚光线在弯曲部位的入射角减小，使得光纤纤芯和包层界面上的全反射条件遇到破坏，光束的一部分就从光纤的纤芯中逃离出去，造成到达目地的光功率比从光源发出的进入光纤时的光功率小，这就是弯曲损耗。,我们将OH离子引起的衰减称为杂质吸收损耗。除此之外，还有光纤石英材料（SiO2）固有的吸收，称之为内部吸收。当波长大于2m时，石英材料会产生谐振吸收光能，吸收带延伸到1500nm1700nm波段，形成了光纤工作波长的上限。常用的石英光纤，内部吸收损耗在1550nm时，约为0.02dB/km，但当波长为1700nm时，损耗增至0.32dB/km，所以将1650nm看作为石英光纤工作波长的上限。,弯曲损耗是光信息传输所受衰减的主要原因之一，它与光纤敷设的弯曲半径有关，最小弯曲半径常作为光纤的一项参数给出。关于最小弯曲半径的经验数据是，对于长期应用，弯曲半径应超出光纤包层直径的150倍；对短期应用，应超过包层直径的100倍。如果包层直径为125m的话，这两个数值分别19mm和13mm。弯曲损耗的另一种形式是微弯损耗，它是由光纤受到侧向应力而产生微小形变而引起的，同样因不满足全反射条件而造成能量的漏泄。利用光纤的弯曲损耗特性，可以在光纤链路上引入一些可控的衰减。在需要对光进行可控衰减时，通过将光纤绕上几圈就可以实现，所绕圈数和半径均可控制衰减量。,三、延时失真,当光脉冲在光纤中传播时，脉冲可能扩展，这种现象称为延时失真。也称为色散。,1.模式色散在多模光纤中，纤芯的直径比较大，光源入射到纤芯中的光以一组独立的光线传播，这组光线以不同的入射角传播，入射角的范围从零度（直线）