第四章(光学材料)

1、主要内容：主要内容：l激光材料l光纤材料l发光材料l红外材料l液晶材料l光存储材料第一节激光材料第一节激光材料一、激光的特性和激光器的基本结构一、激光的特性和激光器的基本结构l 激光的特性激光的特性定向性或准直性好定向性或准直性好一般光线是发散开来的。一般光线是发散开来的。波长单一，即单色性好波长单一，即单色性好一般光通常是由几种不同频率的光组成的。一般光通常是由几种不同频率的光组成的。具有相干性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。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。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

2、开发出许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。多重要的应用。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 激光器的基本结构激光器的基本结构激光介质激光介质即激光材料。即激光材料。激励装置激励装置激光产生的能源，作用激光产生的能源，作用是把原子源源不断地激励是把原子源源不断地激励到高能级上，实现到高能级上，实现“粒子粒子数反转数反转”。激励装置也叫。激励装置也叫“泵浦泵浦”，它可以是光源，它可以是光源泵、电流泵，也可以是激泵、电流泵，也可以是激光器泵另一个激光器。光器泵另一个激光器。激光器的三个基本组成部分激光器的三个基本组成部分高高反反射射镜镜部部分分透透过过反

3、反向向镜镜第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料反馈系统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 “放放大大”的作用。的作用。二、固体激光器材料二、固体激光器材料 l 固体激光器材料应具备的条件固体激光器材料应具备的条件应具有合适的光谱特性应具有合适的光谱特性激发态吸收要小激发态吸收要小具有良好的光学均匀性和稳定性具有良好的光学均匀性和稳定性应具有良好的物化性能应具有良好的物化性能

4、l 固体激光工作物质固体激光工作物质 固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。固体激光工作物质由激活离子和基质晶体两部分构成。1 1、激活离子、激活离子（1 1）激活离子的作用）激活离子的作用实现粒子数反转。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长的激光，即实现将低能级上的粒子“抽运抽运”到高能级上去。激活离子到高能级上去。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。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

5、 4.1 激光材料激光材料（2 2）激活离子的种类）激活离子的种类 过渡金属离子过渡金属离子 TiTi3+3+、V V2+2+、CrCr3+3+、CoCo2+2+、NiNi2+2+和和CuCu+ +等，在不同晶体中，其光谱特性有等，在不同晶体中，其光谱特性有 很大差异。很大差异。 三价稀土离子三价稀土离子镧系稀土元素镧系稀土元素NdNd3+3+( (钕钕) )、PrPr3+3+( (镨镨) )、SmSm3+3+( (钐钐) )、EuEu3+3+( (铕铕) )、DyDy3+3+( (镝镝) )、 HoHo3+3+( (钬钬) )、ErEr3+3+( (铒铒) )、TmTm3+3+( (铥铥)

6、)和和YbYb3+3+( (镱镱) )等，以等，以NdNd3+3+最常见。对一般光最常见。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。高效率。 二价稀土离子二价稀土离子SmSm2+2+、TmTm2+2+、ErEr2+2+和和DyDy2+2+等。等。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。有利于泵浦光的吸收，但不稳定。 锕系离子锕系离子主要是主要是U U3+3+。由于有放射性，不易制备，使用不方便，实用较困难。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 4.1 激光材料激光材料YAG

7、: Nd（Y3Al5O12）KTP（KTiOPO4） CLBO（CsLiB6O12）2 2、基质晶体、基质晶体（1 1）基质晶体的要求）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。的光弹性，对产生激光的吸收应接近零，且光学性能均匀。基质晶体都是基质晶体都是“宝石宝石”。一些常见的激光晶体一些常见的激光晶体第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料（2 2）基质晶体的种类）基质晶体的种类 氟化物晶体氟化物晶体 CaFCaF2 2、BaFBaF2 2、S

8、rFSrF2 2、LaFLaF3 3、MgFMgF2 2等，立方形晶体结构。等，立方形晶体结构。特点：特点：熔点较低，易于生长单晶。宜在低温下工作，现应用较少。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：适用的激活离子：锕系离子锕系离子U U3+3+，稀土元素，稀土元素SmSm3+3+、DyDy3+3+、TmTm3+3+、NdNd3+3+和过和过 渡金属离子渡金属离子CoCo2+2+、NiNi2+2+等。等。 含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物）含氧金属酸化物晶体（阴离子络合物）CaWOCaWO4 4、CaMnOCaMnO4 4、LiNbOLiNbO4 4、Ca(POCa

9、(PO4 4) )3 3F F等。等。特点：特点：掺杂时需要电荷补偿，是一种四能级机构的工作物质。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：适用的激活离子：三价稀土离子。三价稀土离子。 金属氧化物晶体金属氧化物晶体如如AlAl2 2O O3 3、Y Y3 3AlAl5 5O O1212、ErEr2 2O O3 3、Y Y2 2O O3 3等。等。特点：特点：熔点高、硬度大、物理化学性能稳定，应用最广泛。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：适用的激活离子：三价过渡金属或三价稀土离子，如三价过渡金属或三价稀土离子，如CrCr3+3+、NdNd3+3+

10、等。等。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 红宝石激光晶体（红宝石激光晶体（AlAl2 2O O3 3:Cr:Cr3+3+） 优点：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收特性好，可在室温条件下获得694.3nm694.3nm的可见激光振荡。的可见激光振荡。 缺点：缺点：属三能级结构，产生激光的阈值较高。属三能级结构，产生激光的阈值较高。 工作原理：工作原理： 主要用途：主要用途： 激光器基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光照相和全息技激光器基础研究、强光光学研究、激

11、光光谱研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等。术、激光雷达与测距技术等。红宝石激光器的基本构造红宝石激光器的基本构造能能量量E0E3E2E1非辐射跃迁非辐射跃迁受激辐射跃迁受激辐射跃迁694.3nm红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd(YAG:Nd3+3+) ) 优点：优点： 属四能级系统，产生激光的阈值较低。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。力学、热学和光学性能良好。缺点：缺点： 荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作

12、粒子在激光跃迁到高能级上不易得到大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转时，输出激光脉冲的能量和峰值功率都受到限制。都受到限制。能能量量E0E3E1非辐射跃迁非辐射跃迁受激辐射跃迁受激辐射跃迁钕钇铝石榴石激光晶体中钕钇铝石榴石激光晶体中Nd+3的四能级系统示意图的四能级系统示意图E2主要用途：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。在常温下连续工作，且

13、有较大功率的固体激光器。第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料三、半导体激光器的基本结构三、半导体激光器的基本结构l 基本结构基本结构 + + + + + +- - - - - -反射镜面反射镜面（晶体劈开面）（晶体劈开面）激光束激光束激光束激光束电极电极空穴流空穴流电子流电子流活性区活性区p区区n区区半导体激光器的基本结构半导体激光器的基本结构第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 半导体激光器产生激光的条件半导体激光器产生激光的条件 （1 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。）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

14、直接带隙半导体。一般必须是直接带隙半导体。 （2 2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。）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。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 3）具备谐振器。）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。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：小提示：直接带隙半导体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

15、电子和空穴间能直接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，复合。它具有量子效率高的特点，GaAsGaAs是一种典型的直接带隙半导体。是一种典型的直接带隙半导体。间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。复合，量子效率低。GaPGaP是此类半导体之一。是此类半导体之一。第四章光学材料4.1 4

16、.1 激光材料激光材料l 半导体激光器的工作原理半导体激光器的工作原理 半导体的半导体的p-np-n结提供价带的空穴和导带的电子，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。进行泵浦和光学谐振，便可以实现受激辐射。 图图a：电子与空穴自发复合，并放出一个光子电子与空穴自发复合，并放出一个光子图图b：电子与空穴受激复合，放出两个光子电子与空穴受激复合，放出两个光子图图c：能量、相位相同的两个光子射向右边并被反射回来能量、相位相同的两个光子射向右边并被反射回来 图图d：光子来回运动时，激发

17、出越来越多的光子光子来回运动时，激发出越来越多的光子图图e：形成相干的光束形成相干的光束图图f：一部分激光束就被引导出来一部分激光束就被引导出来半导体激光发射原理半导体激光发射原理第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料l 半导体激光材料及典型的半导体激光器半导体激光材料及典型的半导体激光器热池热池金属金属激光束激光束正向偏压正向偏压SiO2P掺杂掺杂GaAsP掺杂掺杂GaAlAsAlAsN掺杂掺杂GaAlAsN掺杂掺杂GaAs多层异质结半导体激光器多层异质结半导体激光器金属金属AlxGa1-xAsAlxGa1-xAsGaAs镜面镜面npp电流电流双异质结半导体激光器件的结构双异质结半导

18、体激光器件的结构第四章光学材料4.1 4.1 激光材料激光材料第二节光纤材料第二节光纤材料光纤，光导纤维的简称。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。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？激光是人类期待已久的信号载体，怎样才能把激光传送

19、出去？19581958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，其传输损耗高达约差，如果用来传输激光，其传输损耗高达约1000dB/km1000dB/km。19661966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光学损耗降低到20dB/km20dB/km以下的可能性。以下的可能性。20092009年高琨获得诺贝尔物理奖。年高琨获得诺贝尔物理奖。19701970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

20、光纤，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，损耗低于损耗低于20dB/km20dB/km。十多年后，二氧化硅玻璃光纤的损耗约十多年后，二氧化硅玻璃光纤的损耗约0.2dB/km0.2dB/km，几乎达到了材料的本，几乎达到了材料的本征光学损耗（理论损耗值为征光学损耗（理论损耗值为0.18dB/km0.18dB/km）。）。第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料纤芯纤芯（高石英玻璃）（高石英玻璃）包层包层（有损耗石英玻璃）（有损耗石英玻璃）光纤横截面结构示意图光纤横截面结构示意图一、光纤的结构一、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，外径约光纤

21、是用高透明介电材料制成的非常细的低损耗导光纤维，外径约为为125125200200 m m。 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。感功能。 一般通信用光纤本身由纤芯和包层构成。一般通信用光纤本身由纤芯和包层构成。二次被覆层（尼龙）二次被覆层（尼龙） 900 m 缓冲层（硅树脂）缓冲层（硅树脂）400 m 一次被覆层（变性硅）一次被覆层（变性硅）100150 m光纤光纤三层结构芯线光纤示意图三层结构芯线光纤示意图第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料二、光导原理二、光导原理l 光的全反射现象光的全反射

22、现象 根据折射定律：根据折射定律： 当当 1 1逐渐增大到临界角逐渐增大到临界角 c c时，时， 2 2变为变为 /2/2，此时光不再进入折射率，此时光不再进入折射率为为n n2 2的包层中，而是全部返回到纤的包层中，而是全部返回到纤芯中来，此即光的全反射。芯中来，此即光的全反射。按光的全反射原理，光将在光纤按光的全反射原理，光将在光纤的纤芯中沿锯齿状路径曲折前进，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。在传输过程中的折射损耗。 1 c 2光密物质光密物质n1光疏物质光疏物质n2n1 n2光的全反射原理光的全反射原理12

23、21sinsinnnn1n2折射率折射率 n1 n2光在光纤中的传输路径光在光纤中的传输路径第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料l 光的传输模式光的传输模式 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。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。传输模式是光纤最基本的传输特性之一。 两种模式的光纤：两种模式的光纤：单模光纤：单模光纤：直径仅直径仅310 m，与光波的波长相近，只允许传输一个模式的光波。，与光波的波长相近，只允许传输一个模式的光波。多模光纤：多模光纤：直

24、径为几十至上百微米，允许同时传输多个模式的光波。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 4.2 光纤材料光纤材料三、光纤的传输特性三、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。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。l 传输损耗传输损耗Q Q 传输损耗传输损耗Q Q ( (包括吸收损耗和散射损耗包括吸收损耗和散射损耗) )是指光在光纤传输途中的损耗：是指光在光纤传输途中的损耗：I I0 0入射光强度，入射光强度，I I 出射光强度，出射光强度，Q Q 传输损耗。传输损耗。Q Q 值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一

25、个最重要的指标。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。l 光学色散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。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由光学色散引起的光脉冲失真 IIQ0log10 （dB/km）第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料四、光纤材料的种类四、光纤材料的种类l 按纤芯折射率按纤芯折射率光纤光纤阶跃型光纤阶跃型光纤梯度型光纤梯度型光纤多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤包层包层包层包层包层包层包层包层包层包层包层包层纤芯纤

26、芯纤芯纤芯ABCABCA折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布折射率分布a)n2 n1n2 n1n2 n1b)c)光纤的种类和光的传播光纤的种类和光的传播a) 阶跃型多模光纤（阶跃型多模光纤（SI光纤）光纤）b) 梯度型多模光纤（梯度型多模光纤（GI光纤）光纤）c) 单模光纤（单模光纤（SM光纤）光纤）第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料l 按材料组分按材料组分l 按传输模数按传输模数l 从传感角度从传感角度光纤光纤石英玻璃光纤石英玻璃光纤多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤塑料（聚合物）光纤塑料（聚合物）光纤光纤光纤多模光纤多模光纤单模光纤单模光纤光纤光纤传输光纤传输光纤功能光

27、纤功能光纤第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料五、光纤材料及制造五、光纤材料及制造l 石英玻璃光纤石英玻璃光纤（1 1）石英预制棒的）石英预制棒的MCVDMCVD法制备法制备 制成的石英预制棒外径一般在制成的石英预制棒外径一般在10mm以上。以上。 制备石英玻璃预制棒制备石英玻璃预制棒 拉丝拉丝气态原料气态原料废气废气石英管石英管氢氧焰氢氧焰玻璃微粒玻璃微粒MCVD法制备石英预制棒法制备石英预制棒2224Cl2SiOOSiCl2224Cl2OeGOGeCl25223Cl6OP2O34POCl23223Br6OBO34BBr载气：超纯载气：超纯O O2 2原料气：超纯原料气：超纯SiC

28、lSiCl4 4掺杂剂：掺杂剂：GeClGeCl4 4、BBrBBr3 3、POClPOCl3 3GeOGeO2 2增大折射率，增大折射率，P P2 2O O5 5和和B B2 2O O3 3减小折射率减小折射率 第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料（2 2）拉丝工艺）拉丝工艺 石英预制棒石英预制棒加热炉加热炉线径测定仪线径测定仪线径线径控制电路控制电路卷筒卷筒硬化部分硬化部分塑料涂覆部分塑料涂覆部分拉丝装置拉丝装置光纤拉出时保持折射率的分布光纤拉出时保持折射率的分布从加热炉上方插入预制棒，在从加热炉上方插入预制棒，在18001800 C C左右加热熔化顶端，在下方卷绕纤维。左右加热

29、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。折射率分布保持原样。MCVDMCVD法制备出的是梯度型光纤。法制备出的是梯度型光纤。第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料l 多组分玻璃光纤多组分玻璃光纤 组成：组成：主要成分主要成分SiOSiO2 2，另含有，另含有NaNa2 2O O、K K2 2O O、CaOCaO、B B2 2O O3 3、TiOTiO2 2等。等。 特点：特点：光纤材料熔点低，制作设备简光纤材料熔点低，制作设备简单，可制成几十千米的长纤维。但损单，可制成几十千米的长纤维。但损耗较大（耗较大（4 4

30、7dB/km)7dB/km)，光通信上极少，光通信上极少采用。采用。 制备：制备：双坩埚法双坩埚法 应用：应用：对损耗要求不是非常苛刻的传对损耗要求不是非常苛刻的传感器。感器。双坩埚法一般制成的是阶跃型光纤。双坩埚法一般制成的是阶跃型光纤。坩埚坩埚纤芯用玻璃纤芯用玻璃包层用玻璃包层用玻璃加热器加热器纤维纤维采用双坩埚的拉丝法采用双坩埚的拉丝法第四章光学材料4.2 4.2 光纤材料光纤材料l 聚合物光纤聚合物光纤 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。率低的聚合物为包层所组成

31、的能传输光线的纤维。 组成：组成：纤芯用聚甲基丙烯酸甲酯纤芯用聚甲基丙烯酸甲酯( (有机玻璃，有机玻璃，PMMA)PMMA)或聚苯乙烯或聚苯乙烯(PS)(PS)，包层用含氟聚合物。包层用含氟聚合物。 特点：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。耗较大、频带窄。l 晶体光纤晶体光纤有单晶与多晶两类。主要有有单晶与多晶两类。主要有YAGYAG（Y Y3 3AlAl5 5O O1212）系、）系、YAPYAP（YAlOYAlO3 3）系、）系、AlAl2 2O O3 3系、系、LNLN（LiNbLiNb2 2

32、O O3 3）系、）系、LBOLBO（LiBLiB3 3O O5 5）系、）系、BSOBSO（BiBi1212SiOSiO2020）系和）系和卤化物系等晶体光纤。卤化物系等晶体光纤。优点：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。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 4.2 光纤材料光纤材料六、光纤材料的应用及展望六、光纤材料的应用及展望l 光学系统中的应用光学系统中的应用 光学纤维潜望镜、自准直系统、平像场器、光学纤维换向器。光学纤维潜望镜、自准直系统、平像场器、光学纤维换向器。l 光电系统中的应用光电系统中的应用 像增强器、像增强器、X射线

33、像增强器、阴极射线管和变像管。射线像增强器、阴极射线管和变像管。l 传感技术中的应用传感技术中的应用 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。传感器。l 医学领域中的应用医学领域中的应用 内窥镜，如腹腔镜、胃镜等，以及内窥镜，如腹腔镜、胃镜等，以及“光刀光刀”，用于诊断和手术。，用于诊断和手术。l 通信技术中的应用通信技术中的应用 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。优点。l 未来的光纤未来的光纤第四章光学材料

34、4.2 4.2 光纤材料光纤材料发光材料发光材料光致发光材料光致发光材料电致发光材料电致发光材料射线致发光材料射线致发光材料等离子发光材料等离子发光材料 第三节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。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。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。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：发光材料的类别：第四章光学材料4.3 4.3 发光材

35、料发光材料一、光致发光材料一、光致发光材料 光致发光：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。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。l 荧光材料荧光材料 荧光效率：荧光效率：吸收光转变为荧光的百分数。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，荧光荧光强度和激发光强度关系

36、密切，在一定范围内，激发光越强，荧光也越强。也越强。 荧光强度等于吸收光强度乘以荧光效率。荧光强度等于吸收光强度乘以荧光效率。 荧光产生的条件：荧光产生的条件：分子必须在激发态有一定稳定性，即能持续约分子必须在激发态有一定稳定性，即能持续约10108 8s s。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。而发射荧光。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料荧光材料的种类：荧光材料

37、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、荧光色素和溶剂组成。如：酚、蒽、荧光素、罗达明、9-9-氢基吖啶、荧氢基吖啶、荧光染料以及某些液晶。光染料以及某些液晶。某些荧光材料和它们的荧光效率某些荧光材料和它们的荧光效率荧光色素荧光色素溶剂溶剂荧光效率荧光效率荧光素荧光素0.1 mol/L NaOH0.92荧光素荧光素pH 7.0的水的水0.65罗达明罗达明甲醇甲醇0.979氢基吖啶氢基吖啶水水0.98酚酚水水0.22蒽蒽苯苯0.29第四章光学材料4.3 4.3

38、 发光材料发光材料l 磷光材料磷光材料 磷光材料的主要组成是基质和激活剂两部分。磷光材料的主要组成是基质和激活剂两部分。 基质的种类：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。酸盐等。 典型基质：典型基质： ZnSZnS、BaSBaS、CaSCaS、CaSiOCaSiO3 3、CaCa3 3(PO(PO4 4) )2 2、CaWOCaWO4 4、ZnSiOZnSiO3 3、Y Y3 3SiOSiO3 3。激活剂的种类：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。多为重金属。针对不同

39、的基质应选择不同的激活剂。 例如：例如： ZnSZnS、CdSCdS作为基质，则作为基质，则AgAg、CuCu、MnMn是最好的激活剂。是最好的激活剂。 碱土磷光材料，除碱土磷光材料，除AgAg、CuCu、MnMn外，外，BiBi、PbPb和稀土等可作为其激活剂。和稀土等可作为其激活剂。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料某些较重要的灯用荧光粉某些较重要的灯用荧光粉基质基质分子式分子式激活剂激活剂发光颜色发光颜色硅酸锌硅酸锌Zn2SiO4锰锰绿绿硅酸钙硅酸钙CaSiO3铅、锰铅、锰粉红粉红卤磷酸钙卤磷酸钙Ca(PO4)3(FCl)锑、锰锑、锰蓝到粉红蓝到粉红磷酸锶镁磷酸锶镁(SrMg

40、)3(PO4)2锡锡淡红白淡红白磷酸钡钛磷酸钡钛Ba4Ti(PO4)4蓝白蓝白钨酸钙钨酸钙CaWO4深蓝深蓝钨酸镁钨酸镁MgWO4淡蓝淡蓝镓酸镁镓酸镁MgGa2O4锰锰蓝绿蓝绿氟锗酸镁氟锗酸镁Mg4GeO6MgF2锰锰深红深红氟砷酸镁氟砷酸镁Mg6As2O11MgF2锰锰深红深红氧化钇氧化钇Y2O3铕铕红红钒酸钇钒酸钇YVO4铕铕红红铝酸镁铝酸镁RMgAl11O19(R=铈、铽铈、铽)铕铕绿绿铝酸钡镁铝酸钡镁BaMg2 Al16O27铕铕蓝蓝第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料1 1、卤磷酸盐荧光粉、卤磷酸盐荧光粉 卤磷酸盐（卤磷酸盐（Ca(POCa(PO4 4) )3 3(F(FC

41、l)Cl)）是以锑、锰为激活剂的一种含卤素碱土荧光粉。）是以锑、锰为激活剂的一种含卤素碱土荧光粉。 优点：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。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。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：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。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 2、稀土三基色荧光粉、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。稀土三基色荧光粉由红粉、绿粉

42、、蓝粉按一定比例混合而成。 特点：特点：可同时兼顾光效和光色，且能够耐高负荷、耐高温。可同时兼顾光效和光色，且能够耐高负荷、耐高温。v 红粉：红粉：典型代表：典型代表：Y Y2 2O O3 3:Eu:Eu3+3+。 特点：特点：效率高、色纯度好、光衰性能稳定。效率高、色纯度好、光衰性能稳定。v 绿粉：绿粉：MgAlMgAl1111O O1919:Ce:Ce3+3+、TbTb3+3+，Y Y2 2SiOSiO4 4:Ce:Ce3+3+、TbTb3+3+，LaPOLaPO4 4:Ce:Ce3+3+、TbTb3+3+， GdMgBGdMgB5 5O O1010:Ce:Ce3+3+、TbTb3+3+等

43、等v 蓝粉：蓝粉：铝酸盐体系、卤磷酸盐体系。铝酸盐体系、卤磷酸盐体系。 SrSr1010(PO(PO4 4) )6 6ClCl2 2:Eu:Eu2+2+，(SrCa)(SrCa)1010(PO(PO4 4) )6 6C Cl2l2:Eu:Eu2+2+，(SrCaBa)(SrCaBa)1010(PO(PO4 4) )6 6C Cl2l2:Eu:Eu2+2+。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料l 上转换发光材料上转换发光材料 上转换发光：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，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

44、转换发光材料。这种发光体称为上转换发光材料。 上转换发光的三种情况：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。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，使原子能级中虽没有中间能级，但发光体可以连

45、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。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。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 4.3 发光材料发光材料上转换发光材料：上转换发光材料： 上转换发光材料绝大多数都

46、是掺稀土的化合物，或是稀土化合物。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。上转换发光材料均由稀土离子激活。 典型组成：典型组成： YbYb3+3+作敏化剂，作敏化剂，ErEr3+3+作激活剂的上转换发光材料作激活剂的上转换发光材料 发红光的典型材料：发红光的典型材料： YOCl:YbYOCl:Yb3+3+、ErEr3+3+，Y Y2 2OO3 3:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+，Y Y3 3OClOCl7 7:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+， LaLa4 4GaGa2 2OO2 2:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+。 发绿光的

47、典型材料：发绿光的典型材料： LaFLaF3 3:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+，YFYF3 3:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+，BaYFBaYF5 5:Yb:Yb3+3+、ErEr3+3+， Na(TNa(T、GdGd、La)F:YbLa)F:Yb3+3+、ErEr3+3+。 此外，有发蓝光及发黄光的材料。此外，有发蓝光及发黄光的材料。 YbYb-Tm-Tm和和YbYb-Ho-Ho的共激活的上转换发光材料的共激活的上转换发光材料第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料二、电致发光材料二、电致发光材料 电致发光：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

48、激发使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。场致发光材料。l 电致发光机理电致发光机理玻璃玻璃透明电极透明电极发光体发光体介质介质金属电极金属电极高场交流电致发光的结构高场交流电致发光的结构1 1、本征式电致发光、本征式电致发光 本征式电致发光是利用电场直接激励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电子，电场反向后电子与中心( (空穴空穴) )复复合而发光的现象。合而发光的现象。本征电致发光以硫化锌为代表。本征电致发光以硫

49、化锌为代表。如：如：ZnS:Cu,ClZnS:Cu,Cl或或(Zn,Cd)S:Cu,Br(Zn,Cd)S:Cu,Br。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料p-n结结p区区n区区Eg耗尽层耗尽层h p区区n区区E(a)(b)空穴空穴电子电子p-n结电致发光原理结电致发光原理 (a)(a)热平衡状态热平衡状态(b)(b)加正偏压时的状态加正偏压时的状态2 2、注入式电致发光、注入式电致发光 由由族和族和族化合物所制成的有族化合物所制成的有p-np-n结的二极管，注入载流子，然后在正向电结的二极管，注入载流子，然后在正向电压下，电子和空穴分别由压下，电子和空穴分别由n n区和区和p p区注

50、入到结区注入到结区并相互复合而发光的现象。又称区并相互复合而发光的现象。又称p-np-n结电致结电致发光。发光。p-np-n结两侧形成的势垒，阻碍电子和空穴的结两侧形成的势垒，阻碍电子和空穴的扩散。未施加电场时，扩散。未施加电场时，n n区的电子和区的电子和p p区的空区的空穴必须越过势垒，才能分别到达穴必须越过势垒，才能分别到达p p区和区和n n区。区。当在当在p-np-n结施加正向电压时，势垒高度降低，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耗尽层减薄，能量较大的电子和空穴分别注入到入到p p区和区和n n区，并分别与区，并分别与p p区的空穴和区的空穴和n

51、 n区的区的电子复合，同时以光的形式辐射出多余的能电子复合，同时以光的形式辐射出多余的能量。量。辐射复合可以发生在导带与价带之间，也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。可发生在杂质能级上。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料l 电致发光材料的种类电致发光材料的种类1 1、直流电压激发下的粉末发光材料、直流电压激发下的粉末发光材料 典型材料：典型材料：基质晶体：基质晶体：ZnSZnS，激活剂：，激活剂：CuCu，MnMn，AgAg。 ZnS:Mn,CuZnS:Mn,Cu发橙红色光，亮度约发橙红色光，亮度约350cd/m350cd/m2 2，流明效率为，流明效率为0.

52、5lm/W0.5lm/W。 ZnS:AgZnS:Ag发蓝光，约发蓝光，约100V100V电压下激发，亮度约电压下激发，亮度约70cd/m70cd/m2 2。 (Zn,Cd)S:Ag(Zn,Cd)S:Ag发绿光、红光，约发绿光、红光，约100V100V电压下激发，亮度约电压下激发，亮度约70cd/m70cd/m2 2。2 2、交流电压激发下的粉末发光材料、交流电压激发下的粉末发光材料 特点：特点：流明效率较高，约为流明效率较高，约为15 lm/W15 lm/W 典型材料：典型材料：基质晶体：基质晶体：ZnSZnS，激活剂，激活剂：( (Cu,Cl),(CuMn),(CuPb),CuCu,Cl),

53、(CuMn),(CuPb),Cu。 发红、橙、黄、绿、蓝等各种颜色的光。发红、橙、黄、绿、蓝等各种颜色的光。 第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料几种电致发光粉的组成及特性几种电致发光粉的组成及特性种类种类激活剂激活剂烧成条件烧成条件发光颜发光颜色色气氛气氛温度温度/ CZnS : Cu, ClCu 0.1%，NH4Cl 10%N21075蓝蓝ZnS : Pb, Cu, ClPb 0.3%，Cu 0.06%，ZnCl2 5%空气空气950蓝绿蓝绿ZnS : Cu, AlAm 0.2%，Cu 0.2%H2S + H2O1100绿绿ZnS : Mn, CuMn 0.7%，Cu 0.3%干

54、的干的H2S1100橙红橙红Zn(S, Se) : Cu, IZnSe 100%，Cu 2%，NH4I 10%N21075黄黄ZnS : CuCu 0.3%干的干的H2S1100红红第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料3 3、薄膜型电致发光材料、薄膜型电致发光材料 早期的薄膜型电致发光器的名字叫早期的薄膜型电致发光器的名字叫“LumocenLumocen”，为英文，为英文“分子中心发分子中心发光光”之缩写。发光材料是之缩写。发光材料是ZnSZnS，发光中心是稀土卤素化合物分子，发光中心是稀土卤素化合物分子(TbF(TbF3 3) )。 现在薄膜型交流电致发光器件多采用双绝缘层现在薄膜

55、型交流电致发光器件多采用双绝缘层ZnS:MnZnS:Mn薄膜结构。薄膜结构。金属电极金属电极(Al)ZnS : TbF3(150nm)HfO2(300nm)SnO2(200nm)玻璃衬底玻璃衬底早期早期LumocenLumocen结构结构金属电极金属电极绝缘层绝缘层 (约为约为200nm)绝缘层绝缘层 (约为约为200nm)透明电极透明电极SnO2玻璃衬底玻璃衬底发光层发光层 (ZnS : Mn)双绝缘层薄膜型交流电致发光器件结构双绝缘层薄膜型交流电致发光器件结构Y2O3、Si3N4、Al2O3 第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料4 4、p-np-n结型电致发光材料结型电致发光材料

56、发光二极管材料发光二极管材料(LED(LED，Light Emitting DiodeLight Emitting Diode) ) 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，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。可制成指示器、数字显示器、计算机及仪表。 LEDLED还是目前重点研究的新型光源材料，今后有望用于照明。还是目前重点研究的新型光源材料，今后有望用于照明。（1 1）发光二极管材料应具有的特性）发光二极管材料应具有的特性 发光在可见光区，发光在可见光区，E Eg g1.8eV1.8eV， 700nm70

57、0nm； 材料必须容易作成材料必须容易作成n n型及型及p p型；型； 有效率高的发光中心或复合发光；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效率降至初始值一半的时间要大于10105 5h h。如果是多元化合物，这个。如果是多元化合物，这个时间至少还要大时间至少还要大1010倍左右；倍左右； 材料要能生长成单晶，并能大量生产，并且价廉。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 4.3 发光材料发光材料（2 2）p-np-n结型电致发光材料结型电致发光材料 常用的常用的p-n结型电致发光材料结型电致发光材料(主要指发光二极管材料主要指发光二极管材料)

58、是是A-A族化合族化合物和物和AA族化合物。族化合物。 二元化合物材料二元化合物材料 GaPGaP：间接带隙半导体，根据掺杂的不同，可以发红光、绿光。间接带隙半导体，根据掺杂的不同，可以发红光、绿光。 GaNGaN：直接带隙半导体，随组分的差异可发红、绿、蓝、黄。直接带隙半导体，随组分的差异可发红、绿、蓝、黄。 SiCSiC：发光波长受掺杂影响，可发出多种不同颜色的光。发光波长受掺杂影响，可发出多种不同颜色的光。 GaAsGaAs也属于该类材料。也属于该类材料。 三元、四元化合物材料三元、四元化合物材料 把两种把两种A-A族化合物做成混晶，便是三元化合物。族化合物做成混晶，便是三元化合物。 A

59、lAlx xGaGa1- 1-x xAsAs：当当0 x0.350 x0.35时，为直接带隙材料，可以发红光。时，为直接带隙材料，可以发红光。 GaAsGaAs1-1-x xP Px x、InIn1-1-x xGaGax xP P、InIn1-1-x xAlAlx xP P等也属于该类材料。等也属于该类材料。 在二元化合物中同时掺入两种元素，如在在二元化合物中同时掺入两种元素，如在InPInP单晶中掺入一定的单晶中掺入一定的GaGa 和和AsAs，就成为，就成为InGaAsPInGaAsP四元化合物。四元化合物。第四章光学材料4.3 4.3 发光材料发光材料三、射线致发光材料三、射线致发光材料

60、 两类射线致发光材料：两类射线致发光材料：阴极射线致发光材料阴极射线致发光材料和和放射线致发光材料放射线致发光材料。l 阴级射线致发光材料阴级射线致发光材料 1 1、阴极射线发光的三个基本过程、阴极射线发光的三个基本过程 电离过程电离过程 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。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