材料的光学性质-1213

1、第第1页页材料对光的反射和折射材料对光的反射和折射材料对光的吸收材料对光的吸收材料的光发射材料的光发射材料的受激辐射和激光材料的受激辐射和激光概述概述光与固体材料的相互作用光与固体材料的相互作用光的色散和全反射光的色散和全反射第第2页页光的本质光的本质光光的的现现象象光光的的微微粒粒说说光光的的波波动动说说光光的的电电磁磁说说光光的的波波粒粒二二象象性性光的直线传播光的直线传播光的传播速度光的传播速度光的反射光的反射光的折射光的折射光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射电磁波谱电磁波谱光谱光谱光光的的波波动动说说光光的的波波动动说说第第3页页第第4页页sJ10626. 634hhphch光的波粒二象

2、性光的波粒二象性第第5页页光的电磁性光的电磁性光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的。光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的。光波是一种横波，电场强度光波是一种横波，电场强度E、磁场、磁场强度强度H的振动方向和光波的传播方向的振动方向和光波的传播方向 （即光的能量流动方向）构成右手（即光的能量流动方向）构成右手螺旋关系。螺旋关系。光波的偏振性。光波的偏振性。E、H分别在各自的分别在各自的平面内振动。振动方向对传播方向不平面内振动。振动方向对传播方向不具有对称性，旋光现象。具有对称性，旋光现象。光波的能流密度。光波的传播伴随着光能量的流动，光强与其振光波的能流密度。光波的

3、传播伴随着光能量的流动，光强与其振幅成正比。幅成正比。第第6页页电磁波谱图电磁波谱图第第7页页 远紫外远紫外近紫外近紫外 可见可见近红外近红外中红外中红外 远红外远红外（真空紫外）（真空紫外）380nm 780nm200nm 380nm10nm200nm780 nm 2.5 m2.5 m 50 m50 m 300 m1.5eV3eV2.5eV2eV800n800nm m300n300nm m3.5eV4eV第第8页页紫外紫外-可见可见-红外光谱分区表红外光谱分区表第第9页页光与固体相互作用的本质有两种方式：光与固体相互作用的本质有两种方式：（1）电子极化）电子极化（2）电子能态转变）电子能态转

4、变电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个原子都发生作用，引起电子极化，造成电子云和原子核电荷重心发生相对位原子都发生作用，引起电子极化，造成电子云和原子核电荷重心发生相对位移。所以，当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光波速度被减小，移。所以，当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光波速度被减小，导致折射产生。导致折射产生。光子被吸收和发射，涉及到固体材料中电子能态的转变。材料的原子吸收了光子被吸收和发射，涉及到固体材料中电子能态的转变。材料的原子吸收了光子能量之后将较低能级上的电子激发到较高能

5、量上去，电子发生的能级光子能量之后将较低能级上的电子激发到较高能量上去，电子发生的能级变化与电磁波频率有关：变化与电磁波频率有关：E=hv受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后又衰变回受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后又衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。光与固体的相互作用光与固体的相互作用第第10页页媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波面。时刻，这些子波的包络面就是新的波面。也就是说，

6、光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源，也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源，每一次波源发射的球面波以光波的速度每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播，经过时间传播，经过时间t之后形成球面之后形成球面半径为半径为vt的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是t时间后的新时间后的新波前。波前。垂直于波前（或等相面）的直线代表光波的传播方向，也就是光线。垂直于波前（或等相面）的直线代表光波的传播方向，也就是光线。该原理适用于机械波和电磁波该原理适用于机械波和电磁波第第11页页材料对光的反射和折射材料对光的反射和折射

7、材料折射率及其影响因素材料折射率及其影响因素1、构成材料元素的离子半径、构成材料元素的离子半径rrrn 介电常数与介质的极化有关。光的电磁波作用到介质上，介质的原子受电场作用而极化，介电常数与介质的极化有关。光的电磁波作用到介质上，介质的原子受电场作用而极化，正负电荷重心发生相对位移，使光子速度减弱。当离子半径增大时，正负电荷重心发生相对位移，使光子速度减弱。当离子半径增大时，增大，因增大，因而而n随之增大。如随之增大。如PbS = 3.912，SiCl4 = 1.412第第12页页2、材料的结构、晶型和非晶态、材料的结构、晶型和非晶态根据光通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。根据光

8、通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。均质介质，材料只有一个折射率，如非晶态（无定型体）和立方晶体。均质介质，材料只有一个折射率，如非晶态（无定型体）和立方晶体。非均质介质，光通过时构成两条折射光线。非均质介质，光通过时构成两条折射光线。3、材料存在的内应力、材料存在的内应力有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的大，平行于受拉主应力方向的n小。小。4、同质异构体、同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时存在的晶型折射率高。在同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时存在的晶型折射率高。第第13页

9、页dd色散nu材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的小的性质，称为折射率的。色散对于光学玻璃是重要参量，因为色散色散对于光学玻璃是重要参量，因为色散严重造成单色片透镜成像不够清晰。严重造成单色片透镜成像不够清晰。用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜复合镜头，以消除色差，称为消色差凹透镜复合镜头，以消除色差，称为消色差镜头。镜头。光的色散光的色散第第14页页u当光束从折射率当光束从折射率n n1 1较大的光密介质进入折射率较大的光密介质进入折射率n n2 2较小的光较

10、小的光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100100反射的现象。反射的现象。这时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。这时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。临界角临界角2121sin()cnnnn全反射应用：光导纤维全反射应用：光导纤维光导纤维通常用来传送无线电、光导纤维通常用来传送无线电、电话、电视和电子计算机数据。电话、电视和电子计算机数据。光的全反射光的全反射折射光折射光第第15页页光纤结构示意图光纤结构示意图5 75m掺杂了的掺杂了的SiO2， n一定或随半径增加而减小。一定或随半径增加而减小。 总直径为总直径为100 20

11、0m,折射率稍小于纤芯的掺杂了的折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。第第16页页u光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电子跃迁或使原子振动而消耗能量，使光能的一部分变成热能，子跃迁或使原子振动而消耗能量，使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为导致光能的衰减，这种现象称为。材料对材料对lIIe0l吸收系数（消光系数），单位吸收系数（消光系数），单位cm-1介质厚度介质厚度u吸收系数与吸收率：朗伯

12、吸收系数与吸收率：朗伯-比尔（比尔（Lambert-Beer）定律）定律0lglogIAclTI c 溶液的摩尔浓度（溶液的摩尔浓度（mol/L）第第17页页q光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。过程。q当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；收才变得比较重要；q电子受激吸收光子而越过禁带；电子受激吸收光子而越过禁带；q电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；电子受激进入位于禁带中的杂质或缺

13、陷能级上而吸收光；q只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。l 禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。后实现从价带到受主能

14、级或从施主能级到导带的跃迁。第第18页页a) 金属：吸收，不透明；金属：吸收，不透明；b) 绝缘体：不吸收，透明；绝缘体：不吸收，透明；c) 半导体：取决于入射光波半导体：取决于入射光波长与施主和受主能级长与施主和受主能级Ed, Ea大大小。小。第第19页页除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对特定波长范围内的光是透明的，而对另一些波长范任何一种物质，它对特定波长范围内的光是透明的，而对另一些波长范围内的光却是不透明的。围内的光却是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几例如，在光学材料中，石英

15、对所有可见光几 乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性 能，且吸收系数不变，这种现象为能，且吸收系数不变，这种现象为； 但是对于波长范围为但是对于波长范围为3.5-5.0m的红外光却的红外光却 是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化， 这种现象为这种现象为。换言之，石英对可见光。换言之，石英对可见光 和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈 的吸收。的吸收。第第20页页用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或用具有连续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的

16、物质，然后利用摄谱仪或分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了（absorption spectrum）大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。物质的发射谱（物质的发射谱（emission spectrumemission spectrum）有：线状谱（）有：线状谱（li

17、ne spectrumline spectrum），），带状谱（带状谱（band spectrumband spectrum）和连续谱等。）和连续谱等。 值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。第第21页页吸收光谱图吸收光谱图Na吸收光谱吸收光谱叶绿素分子吸收光谱叶绿素分子吸收光谱第第22页页当光束通过各向异性介质时，光在晶体内分成两束，它们的折射程度不同，沿着当光束通过各向异性介质时，光在晶体内分成

18、两束，它们的折射程度不同，沿着不同的方向传播，这种现象称为不同的方向传播，这种现象称为。如果让一束平行的自然光正入射到一块方解石晶体的如果让一束平行的自然光正入射到一块方解石晶体的一个表面上，将发现该束光在通过方解石后被分解成一个表面上，将发现该束光在通过方解石后被分解成了两束。了两束。：晶体内：晶体内普通折射定律的普通折射定律的 折射光线；折射光线；：晶体内：晶体内普通折射定律的普通折射定律的 折射光线。折射光线。利用检偏器可以看出，从双折射晶体射出的这两束光都是线偏振光，不过它们利用检偏器可以看出，从双折射晶体射出的这两束光都是线偏振光，不过它们的电矢量振动方向不同，其振动方向相互垂直。的

19、电矢量振动方向不同，其振动方向相互垂直。晶体的双折射和二向色性晶体的双折射和二向色性第第23页页晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性，这种选择吸收的性能称作吸收率的各向异性，这种选择吸收的性能称作。天然的电气石晶体呈六角型的片状，长对角线的方向为其光轴。当光线照射天然的电气石晶体呈六角型的片状，长对角线的方向为其光轴。当光线照射在这种晶体表面时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多在这种晶体表面时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多地通过；电矢量与光轴垂直时

20、被吸收得较多，光通过得很少。地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。第第24页页 当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为结果，这种现象称为。 光的散射过程中，光与分子的作用几乎是瞬时的，改变了光的散射过程中，光与分子的作用几乎是瞬时的，改变了其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程。其光强的空间分布、偏振状

21、态或频率的过程。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。的缘故。介质的光散射介质的光散射第第25页页根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为与与 弹性散射：弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。只改变方向的散射。 非弹性散射：非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主当光通过介质时，从侧向接

22、受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这些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些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。的结果，称为非弹性散射。第第26页页廷德尔

23、（廷德尔（Tyndall）散射）散射米氏（米氏（Mie）散射）散射瑞利（瑞利（Rayleidl）散射）散射按照散射中心尺度按照散射中心尺度a0与入射光波长与入射光波长的大小，分为三类：的大小，分为三类：Global早晨早晨中午太太阳阳光光第第27页页材料的材料的材料的光发射：材料的光发射：是材料以某种方式吸收能量后，将其转化为光是材料以某种方式吸收能量后，将其转化为光能即发射光子的过程。这种性质与材料的能量结构密切相关。能即发射光子的过程。这种性质与材料的能量结构密切相关。l 自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材料主要是无机化

24、合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大的绝缘体，其次是半导体，它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的绝缘体，其次是半导体，它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。的形式被应用。l 从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、发光强度及延续时间等。发光强度及延续时间等。第第28页页1. 平衡辐射平衡辐射只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。2. 非平衡辐射非平衡辐射在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。在外界激发

25、下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。物体发光可分为物体发光可分为和和两大类两大类固体发光的微观过程可以分为两步：固体发光的微观过程可以分为两步：对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为量提高到一个非平衡态，称为“激发态激发态”； 处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。多数情况下发射光子和激发光子的能量不相等，通常前者多数情况下发射光子和激发光子的能量不相等，通常前者小于后者。若发射光子与激发光子的能量相等，发出的辐小于后者。若发射

26、光子与激发光子的能量相等，发出的辐射就称为射就称为“共振荧光共振荧光”。向下跃迁未必都发光，也可能存。向下跃迁未必都发光，也可能存在激发的能量转变为热能的无辐射跃迁过程。在激发的能量转变为热能的无辐射跃迁过程。第第29页页（1）热辐射）热辐射 （2）电致发光）电致发光 （3）光致发光）光致发光 （4）化学发光）化学发光 （6）同步辐射光源）同步辐射光源 （7）激光光源）激光光源 激发态原子或分子的自发辐射激发态原子或分子的自发辐射 = (E2-E1) / hE1E2激发态原子或分子的受激辐射激发态原子或分子的受激辐射 材料的材料的 （5）阴极射线发光）阴极射线发光 第第30页页材料的材料的阴极

27、射线发光阴极射线发光光致发光光致发光电致发光电致发光通过光（光频波段、通过光（光频波段、X射线或射线或射线波段）的辐照将材料中的电子激发到高射线波段）的辐照将材料中的电子激发到高能态从而发光。光致发光经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。光的吸能态从而发光。光致发光经过吸收、能量传递及光发射三个阶段。光的吸收及发射都发生于能级之间的跃迁，能量传递则是激发态的运动。如荧光收及发射都发生于能级之间的跃迁，能量传递则是激发态的运动。如荧光灯，就是紫外线激发荧光粉而发光。灯，就是紫外线激发荧光粉而发光。利用高能量的电子轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材利用高能量的电子轰击材料，通过电子在材

28、料内部的多次散射碰撞，使材料中发光中心被激发或电离而发光。如彩电的颜色就是采用电子束扫描、料中发光中心被激发或电离而发光。如彩电的颜色就是采用电子束扫描、激发不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基色光波。激发不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基色光波。对绝缘发光体施加强电场导致发光，或从外电路将电子（空穴）注入到对绝缘发光体施加强电场导致发光，或从外电路将电子（空穴）注入到半导体的导带（价带），导致载流子复合而发光。由于是在电场作用下半导体的导带（价带），导致载流子复合而发光。由于是在电场作用下的发光，所以也叫场致发光。如仪器指示灯的发光二极管。的发光，所以也叫场致发光。如仪器指

29、示灯的发光二极管。第第31页页材料的材料的材料的发光特性主要从发射光谱、激发光谱、发光寿命和材料的发光特性主要从发射光谱、激发光谱、发光寿命和发光效率进行评价。发光效率进行评价。发射光谱发射光谱在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。其形状与材料的在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。其形状与材料的能量结构有关能量结构有关蓝光蓝光绿光绿光发射光谱反映材料发射光谱反映材料从高能级始发的向从高能级始发的向下跃迁过程。由此下跃迁过程。由此得到发光的颜色和得到发光的颜色和强度等信息。强度等信息。第第32页页激发光谱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波长材料发射某一种特定谱线（

30、或谱带）的发光强度随激发光波长而变化的曲线。而变化的曲线。激发光谱反映材料从基态激发光谱反映材料从基态始发的向上跃迁过程。由始发的向上跃迁过程。由此给出有关材料能级和能此给出有关材料能级和能带结构信息，也可找出使带结构信息，也可找出使材料发光的最有效的光激材料发光的最有效的光激励波长。励波长。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，但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，但激发光谱激发光谱吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光，它吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光，它可把吸收的光能转化为热能而耗散掉，对发光没有贡献的吸收是不可把吸收的光能转化为热能

31、而耗散掉，对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。会在激发光谱上反映的）。第第33页页发光寿命发光寿命发光体在激发停止后持续发光时间的长短称为发光寿命发光体在激发停止后持续发光时间的长短称为发光寿命（荧光寿命或余辉时间）。（荧光寿命或余辉时间）。tIIe0发光寿命发光寿命定义为光强定义为光强I衰减到初始值衰减到初始值I0的的1/e所经历的时间。所经历的时间。余辉时间余辉时间约定为为光强约定为为光强I衰减到初始值衰减到初始值I0的的1/10的时间。的时间。表示电子在单位时间内跃迁到基态的概率。表示电子在单位时间内跃迁到基态的概率。/1根据余辉时间的长短把发光材料分为：超短余辉（根据余辉时

32、间的长短把发光材料分为：超短余辉（1s）六个范围。不同应用目的对材料的）六个范围。不同应用目的对材料的发光寿命有不同的要求。发光寿命有不同的要求。第第34页页发光效率三种表示方法发光效率三种表示方法q 、 p、 l分别为分别为量子效率量子效率、功率效率功率效率和和光度效率光度效率；nout、nin、pout、pin、L分别为发射光子数、入射光子数、发光功分别为发射光子数、入射光子数、发光功率、吸收光的功率（或输入的电功率）和发射的光通量。率、吸收光的功率（或输入的电功率）和发射的光通量。()为人眼的视见函数，为人眼的视见函数，I()为发光功率的光谱分布函数，为发光功率的光谱分布函数，D为光功当

33、量。为光功当量。inoutnnqinoutpppinpLl00( ) ( )d( )dlpIDI第第35页页2. 复合发光复合发光 源于固体本征态的辐射跃迁源于固体本征态的辐射跃迁 固体能带模型描述（限于最高能隙固体能带模型描述（限于最高能隙Eg内）内）如如II-VI、III-V族半导体发光族半导体发光1. 分立中心发光分立中心发光 固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁 位形坐标描述位形坐标描述如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）发光分类发光分类固体材料的发光有两种微观物理过程：固体材料的发光有两种微观物理过程：和和材料的材料

34、的第第36页页 其发光中心通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或其发光中心通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质材料自身结构的某一个基团。基质材料自身结构的某一个基团。 选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。光体的发光波长，调节其光色。 发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，其能发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。 RE3+发光，杂质、缺陷发光发光，杂质、缺陷发光第第37页页 根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分

35、为根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为两种情况：两种情况： 发光中心基本上是孤立的，它的发光光谱与自由离子发光中心基本上是孤立的，它的发光光谱与自由离子相似；相似； 发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光特性与自由离子不同，必须把中心和基质作为一发光特性与自由离子不同，必须把中心和基质作为一个整体来分析。个整体来分析。稀土离子发光：稀土离子发光： “4f4f”电子组态间的跃迁电子组态间的跃迁 如如Tb3+, Eu3+, Gd3+ , Pr3+ 线谱，禁戒部分解除线谱，禁戒部分解除 “4f5d”电子组态间的跃迁电子组态间的跃迁

36、如如Ce3+带谱，允许跃迁带谱，允许跃迁 特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。特点：及其丰富的能级，具有光谱的可调性。在在3价镧系离子的价镧系离子的4fn组态中共有组态中共有1639个能级，能级之间可能的跃迁数目个能级，能级之间可能的跃迁数目高达高达199177个。个。第第38页页第第39页页1. 固体固体“导带电子导带电子-价带空穴价带空穴”间的复合间的复合2. “导带电子导带电子-受主受主A（空穴）（空穴）”或或“价带空穴价带空穴-施主施主D（电子）（电子）”或或“D-A”复合复合3. 激子（激子（“e-h”）或束缚激子的复合）或束缚激子的复合复合发光时电子跃迁涉及固体的能带。电子被激

37、发到导带时价带上复合发光时电子跃迁涉及固体的能带。电子被激发到导带时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，这种发光过程叫的形式放出能量，这种发光过程叫。复合发光效率：复合发光效率：带间跃迁带间跃迁直接直接高高 （仅有光子参与的电子（仅有光子参与的电子跃迁跃迁） 间接间接低低 （有光子和声子同时参与的电子（有光子和声子同时参与的电子跃迁）跃迁）Egh第第40页页半导体发光二极管（半导体发光二极管（LED）是在半导体）是在半导体P-N结或类似的结构中通以正向电流，以结或类似的结构中通以正向电流，以高

38、效率发出可见光或红外辐射的器件。高效率发出可见光或红外辐射的器件。N型：自由电子导电型：自由电子导电P型：空穴导电型：空穴导电载流子的扩散载流子的扩散材料的交界处现成空间电荷材料的交界处现成空间电荷N区一侧带正电，区一侧带正电，P区一侧带负电，形成区一侧带负电，形成PN结结PN结内的电场方向阻止电子和空穴的进一步扩散结内的电场方向阻止电子和空穴的进一步扩散PN结上施加正向电压，势垒减弱，大量电子和空穴结上施加正向电压，势垒减弱，大量电子和空穴流动相遇而产生复合发光。流动相遇而产生复合发光。第第41页页LED护栏管护栏管LED路牌路牌LED第第42页页荧光与磷光荧光与磷光一些陶瓷和半导体材料受激

39、发光，当外界激发源去除，发光一些陶瓷和半导体材料受激发光，当外界激发源去除，发光现象随即很快消失现象随即很快消失( N1kTEEeNN1212 N1 属非平衡态原子布局，亦称属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转粒子数反转材料的受激辐射与激光材料的受激辐射与激光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处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收而占优势。由此可见，为使光源而占优势。由此可见，为使光源，而不是发出普

40、通光的关键是突破玻，而不是发出普通光的关键是突破玻耳兹曼分布，使高能级的粒子数大于低能级的粒子数，这个条件称为耳兹曼分布，使高能级的粒子数大于低能级的粒子数，这个条件称为。如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。第第58页页在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态），光波通过物质体系时总在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态），光波通过物质体系时总是或多或少地被吸收，因而越来越弱。实现粒子数反转的体系，由于受激辐射是或多或少地被吸收，因而越来越弱。实现粒子数反转的体系，由于受激辐射放出的光子数多于被吸收的光子数。辐射场将越来

41、越强。换言之，实现粒子数放出的光子数多于被吸收的光子数。辐射场将越来越强。换言之，实现粒子数反转的介质具有对光的放大作用，称为反转的介质具有对光的放大作用，称为。材料的受激辐射与激光材料的受激辐射与激光原子原子能量能量寿命寿命寿命寿命基态基态受激态受激态亚稳态亚稳态材料的受激辐射与激光材料的受激辐射与激光激活介质必须存在激活介质必须存在。第第59页页E1（基）（基）E2（亚）（亚）10-3sE310-8shEE12 E1（基）（基）E3（亚）（亚）10-3sE410-8sE210-8shEE23 激激励励激激励励自发自发自发自发自发自发红宝石激光器（三能级系统）红宝石激光器（三能级系统）氦氖激

42、光器（四能级系统）氦氖激光器（四能级系统）694.3 nm543 nm第第60页页光学谐振腔是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。通常由两块与光学谐振腔是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔。通常由两块与工作介质垂直的平面或凹球面反射镜构成。工作介质垂直的平面或凹球面反射镜构成。谐振腔的作用是提供反馈能量；谐振腔的作用是提供反馈能量；选择光波的方向和频率。选择光波的方向和频率。谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。反射镜的曲率半径和间距（腔长）谐振腔内可能存在的频率和方向称为本征模。反射镜的曲率半径和间距（腔长）决定了谐振腔对本征模的限制情况。决定了谐振腔对本征模的限制情况。材

43、料的受激辐射与激光材料的受激辐射与激光闪光灯闪光灯输出激光输出激光红宝石红宝石介质介质反射镜反射镜(反射率反射率100)反射镜反射镜(部分透射部分透射)第第61页页固体激光器固体激光器气体激光器气体激光器液体激光器液体激光器半导体激光器半导体激光器连续激光器连续激光器 （功率可达（功率可达104W）脉冲激光器脉冲激光器 （瞬时功率可达（瞬时功率可达1017W/cm2）激光输出方式激光输出方式工作介质不同工作介质不同通常在晶体或玻璃基质中掺杂发光中心离通常在晶体或玻璃基质中掺杂发光中心离子作为工作物质。子作为工作物质。以各种原子、分子、离子气体或蒸气作为以各种原子、分子、离子气体或蒸气作为工作物

44、质。工作物质。以有机染料或无机稀土离子溶液为工作物质。以有机染料或无机稀土离子溶液为工作物质。利用半导体能带跃迁的复合发光引发受激利用半导体能带跃迁的复合发光引发受激辐射而形成激光。辐射而形成激光。材料的受激辐射与激光材料的受激辐射与激光第第62页页固体激光器固体激光器一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。一般讲，固体激光器具有器件小、坚固、使用方便、输出功率大的特点。这种激光器的工作介质除红宝石和玻璃外，常用的有钇铝石榴石（这种激光器的工作介质除红宝石和玻璃外，常用的有钇铝石榴石（YAG）晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射晶体中掺入三价钕离子的激光器，它发射106

45、0nm的近红外激光。的近红外激光。固体激光器一般连续功率可达固体激光器一般连续功率可达100W以上，脉冲峰值功率可达以上，脉冲峰值功率可达109W固体激光在工业加工、医科手术、跟踪测距、光纤通信等领域有广泛应用。固体激光在工业加工、医科手术、跟踪测距、光纤通信等领域有广泛应用。第第63页页气体激光器气体激光器气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；气体激光器具有结构简单、造价低；操作方便；工作介质均匀，光束质量好；以及能长时间较稳定地连续工作的以及能长时间较稳定地连续工作的 特点。这也是目前品种最多、应用广泛的特点。这也是目前品种最多、应用广泛的一类激光器，占有市场

46、达一类激光器，占有市场达60左右。典型的有左右。典型的有He-Ne原子激光器、原子激光器、CO2分子激分子激光器、光器、Ar+离子激光器、离子激光器、KrF准分子激光器等，氦氖激光器是最常用的一种。准分子激光器等，氦氖激光器是最常用的一种。气体激光在精密计量、彩色激光电视、条形码扫描仪、大气检测、激光手术、气体激光在精密计量、彩色激光电视、条形码扫描仪、大气检测、激光手术、工业加工和科学研究中有广泛的应用。工业加工和科学研究中有广泛的应用。633 nm第第64页页半导体激光器半导体激光器目前较成熟的是砷化镓激光器，发射目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬、的激光。另有掺铝的砷化镓、硫化铬、硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、硫化锌等激光器。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，容易集成且可以直接调制，特别适于在飞机、车辆、寿命长、结构简单而坚固，容易集成且可以直接调制，特别适于在飞机、车辆、宇宙飞船上用。宇宙飞船上用。半导体激光器在光纤通讯、光盘读写、激光印刷、激光