材料的光学性质

材料的光学性质2光得波粒二象性材料得光学性质——基础篇3光得电磁性光就是一种电磁波,她就是电磁场周期性振动得传播所形成得。光波就是一种横波,电场强度E、磁场强度H得振动方向和光波得传播方向(即光得能量流动方向)构成右手螺旋关系。光波得偏振性。E、H分别在各自得平面内振动。振动方向对传播方向不具有对称性,旋光现象。光波得能流密度。光波得传播伴随着光能量得流动,光强与其振幅成正比。4电磁波谱图5远紫外近紫外可见近红外中红外远红外(真空紫外)380nm

~780nm200nm

~380nm10nm~200nm780nm~2、5

m2、5

m

~50

m50

m

~300

m1.5eV3eV2.5eV2eV800nm300nm3.5eV4eV6紫外-可见-红外光谱分区表7光与固体相互作用得本质有两种方式:(1)电子极化(2)电子能态转变电磁辐射得电场分量,在可见光频率范围内,电场分量与传播过程中得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。光子被吸收和发射,涉及到固体材料中电子能态得转变。材料得原子吸收了光子能量之后将较低能级上得电子激发到较高能量上去,电子发生得能级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基态,同时发射出电磁波,即自发辐射。光与固体得相互作用8媒质中波动传到得各点,都可以看作就是发射子波得波源,而在其后得任意时刻,这些子波得包络面就就是新得波面。也就就是说,光波波前(最前沿得波面)上得每一点都可看作球面次波源,每一次波源发射得球面波以光波得速度v传播,经过时间∆t之后形成球面半径为v∆t得球面次波。如此产生得无数个次波得包络就就是∆t时间后得新波前。垂直于波前(或等相面)得直线代表光波得传播方向,也就就是光线。该原理适用于机械波和电磁波惠更斯-菲涅耳原理:说明光得传播定律球面波平面波9大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静材料对光得反射和折射材料折射率及其影响因素1、构成材料元素得离子半径介电常数与介质得极化有关。光得电磁波作用到介质上,介质得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,ε增大,因而n随之增大。如PbS=3、912,SiCl4=1、412112、材料得结构、晶型和非晶态根据光通过材料得表现,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。非均质介质,光通过时构成两条折射光线。3、材料存在得内应力有内应力得透明材料,垂直于受拉主应力方向得n大,平行于受拉主应力方向得n小。4、同质异构体在同质异构材料中,高温时得晶型折射率低,低温时存在得晶型折射率高。12材料得折射率随入射光频率得减小(或波长得增加)而减小得性质,称为折射率得色散。色散对于光学玻璃就是重要参量,因为色散严重造成单色片透镜成像不够清晰。用不同牌号得光学玻璃,分别磨成凸透镜和凹透镜复合镜头,以消除色差,称为消色差镜头。光得色散13当光束从折射率n1较大得光密介质进入折射率n2较小得光疏介质,且入射角大于临界角时,光线被100％反射得现象。这时不再有折射光线,入射光得能量全部回到第一介质中。临界角全反射应用:光导纤维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。光得全反射折射光14光纤结构示意图纤芯包层涂敷层护套纤芯:5

75μm掺杂了得SiO2,n一定或随半径增加而减小。包层:总直径为100

200μm,折射率稍小于纤芯得掺杂了得SiO2。涂敷层:硅铜或丙烯酸盐,隔离杂光。护套:尼龙或有机材料,增加强度,保护光纤。15光作为一种能量流,在光通过材料传播时,会引起材料得电子跃迁或使原子振动而消耗能量,使光能得一部分变成热能,导致光能得衰减,这种现象称为介质对光得吸收。。材料对光得吸收吸收系数(消光系数),单位cm-1介质厚度吸收系数与吸收率:朗伯-比尔(Lambert-Beer)定律c溶液得摩尔浓度(mol/L)16光吸收得物理机制光得吸收就是材料中得微观粒子与光相互作用得过程中表现出得能量交换过程。当光得频率与电子极化时间得倒数处在同一个数量级时,由此引起得吸收才变得比较重要;电子受激吸收光子而越过禁带;电子受激进入位于禁带中得杂质或缺陷能级上而吸收光;只有当入射光子得能量与材料得某两个能态之间得能量差值相等时,光量子才可能被吸收。同时,材料中得电子从较低能态跃迁到高能态。

禁带较宽得介电固体材料也可以吸收光波,但吸收机理不就是激发电子从价带跃迁到导带,而就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得跃迁。17a)金属:吸收,不透明;b)绝缘体:不吸收,透明;c)半导体:取决于入射光波长与施主和受主能级Ed,Ea大小。各种类型材料得光吸收行为18除了真空,没有一种物质对所有波长得电磁波都就是绝对透明得。任何一种物质,她对特定波长范围内得光就是透明得,而对另一些波长范围内得光却就是不透明得。例如,在光学材料中,石英对所有可见光几乎都透明得,在紫外波段也有很好得透光性能,且吸收系数不变,这种现象为一般吸收;但就是对于波长范围为3、5-5、0μm得红外光却就是不透明得,且吸收系数随波长剧烈变化,这种现象为选择吸收。换言之,石英对可见光和紫外线得吸收甚微,而对上述红外光有强烈得吸收。一般吸收和选择吸收19吸收光谱用具有连续谱得光(例如白光)通过具有选择吸收得物质,然后利用摄谱仪或分光光度计,可以观测到在连续光谱得背景上呈现有一条条暗线或暗带,这表明某些波长或波段得光被吸收了,因而形成了吸收光谱(absorptionspectrum)大致说来,原子气体得光谱就是线状谱,而分子气体、液体和固体得光谱就是带状谱,吸收光谱得情况也就是如此。物质得发射谱(emissionspectrum)有:线状谱(linespectrum),带状谱(bandspectrum)和连续谱等。值得注意得就是,同一物质得发射光谱和吸收光谱之间有严格得对应关系,即物质自身发射哪些波长得光,她就强烈吸收这些波长得光。20吸收光谱图Na吸收光谱叶绿素分子吸收光谱21当光束通过各向异性介质时,光在晶体内分成两束,她们得折射程度不同,沿着不同得方向传播,这种现象称为双折射。如果让一束平行得自然光正入射到一块方解石晶体得一个表面上,将发现该束光在通过方解石后被分解成了两束。寻常光(o光):晶体内符合普通折射定律得折射光线;非常光(e光):晶体内违背普通折射定律得折射光线。利用检偏器可以看出,从双折射晶体射出得这两束光都就是线偏振光,不过她们得电矢量振动方向不同,其振动方向相互垂直。晶体得双折射和二向色性22晶体结构得各向异性不仅能产生折射率得各向异性(双折射),而且能产生吸收率得各向异性,这种选择吸收得性能称作二向色性。天然得电气石晶体呈六角型得片状,长对角线得方向为其光轴。当光线照射在这种晶体表面时,振动得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被吸收得较多,光通过得很少。23当光束通过均匀得透明介质时,从侧面就是难以看到光得。但当光束通过不均匀得透明介质时,则从各个方向都可以看到光,这就是介质中得不均匀性使光线朝四面八方散射得结果,这种现象称为光得散射。光得散射过程中,光与分子得作用几乎就是瞬时得,改变了其光强得空间分布、偏振状态或频率得过程。例如,当一束太阳光从窗外射进室外内时,我们从侧面可以看到光线得径迹,就就是因为太阳光被空气中得灰尘散射得缘故。介质得光散射24根据散射前后光子能量(或光波波长)变化与否,分为弹性散射与非弹性散射弹性散射:散射前后光得波长(或光子能量)不发生变化,只改变方向得散射。非弹性散射:当光通过介质时,从侧向接受到得散射光主要就是波长(或频率)不发生变化得瑞利散射光,属于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率得光谱仪,可以发现散射光中还有其她光谱成分,她们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光得低频和高频侧,强度一般比弹性散射微弱地多。这些频率发生改变得光散射就是入射光子与介质发生非弹性碰撞得结果,称为非弹性散射。光散射分类25弹性散射分类廷德尔(Tyndall)散射米氏(Mie)散射瑞利(Rayleidl)散射按照散射中心尺度a0与入射光波长λ得大小,分为三类:瑞利散射按照瑞利散射定律,我们不难理解晴天时晨阳与午阳得颜色不同。入射波长越长,散射光强越小,即长波散射要小于短波散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光得散射比红橙色光为甚,阳光透过大气层越厚,其中蓝紫色光成分损失越多,太阳显得越红。Global早晨中午太阳光26材料得光发射1、概述材料得光发射:就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得过程。这种性质与材料得能量结构密切相关。自然界中很多物质都可发光,但近代显示技术所用得发光材料主要就是无机化合物,在固体材料中主要就是采用禁带宽度较大得绝缘体,其次就是半导体,她们通常以多晶粉末、薄膜或单晶得形式被应用。从应用得角度,主要关注材料得光学性能包括:发光颜色、发光强度及延续时间等。271、平衡辐射只与辐射体得温度和发射本领有关,如白炽灯得发光。2、非平衡辐射在外界激发下物体偏离了原来得热平衡,继而发出得辐射。物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类固体发光得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,将固体中得电子得能量提高到一个非平衡态,称为“激发态”;处于激发态得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得能量不相等,通常前者小于后者。若发射光子与激发光子得能量相等,发出得辐射就称为“共振荧光”。向下跃迁未必都发光,也可能存在激发得能量转变为热能得无辐射跃迁过程。28材料发光前可以有多种方式向其注入能量(1)热辐射(2)电致发光(3)光致发光(4)化学发光自发辐射(6)同步辐射光源(7)激光光源受激辐射激发态原子或分子得自发辐射

=(E2-E1)/hE1E2激发态原子或分子得受激辐射材料得光发射2、激励方式(5)阴极射线发光29材料得光发射阴极射线发光光致发光电致发光通过光(光频波段、X射线或γ射线波段)得辐照将材料中得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。光得吸收及发射都发生于能级之间得跃迁,能量传递则就是激发态得运动。如荧光灯,就就是紫外线激发荧光粉而发光。利用高能量得电子轰击材料,通过电子在材料内部得多次散射碰撞,使材料中发光中心被激发或电离而发光。如彩电得颜色就就是采用电子束扫描、激发不同成分得荧光粉,使她们发射红、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)注入到半导体得导带(价带),导致载流子复合而发光。由于就是在电场作用下得发光,所以也叫场致发光。如仪器指示灯得发光二极管。30材料得光发射3、材料发光得基本性质材料得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。发射光谱在一定得激发条件下发射光强按波长得分布。其形状与材料得能量结构有关蓝光绿光发射光谱反映材料从高能级始发得向下跃迁过程。由此得到发光得颜色和强度等信息。31激发光谱材料发射某一种特定谱线(或谱带)得发光强度随激发光波长而变化得曲线。激发光谱反映材料从基态始发得向上跃迁过程。由此给出有关材料能级和能带结构信息,也可找出使材料发光得最有效得光激励波长。能够引起材料发光得激发波长也一定就是材料可以吸收得波长,但激发光谱≠吸收光谱(因为有得材料吸收光后不一定会发射光,她可把吸收得光能转化为热能而耗散掉,对发光没有贡献得吸收就是不会在激发光谱上反映得)。32发光寿命发光体在激发停止后持续发光时间得长短称为发光寿命(荧光寿命或余辉时间)。发光寿命定义为光强I衰减到初始值I0得1/e所经历得时间。余辉时间约定为为光强I衰减到初始值I0得1/10得时间。α表示电子在单位时间内跃迁到基态得概率。根据余辉时间得长短把发光材料分为:超短余辉(<1μs)、短余辉(1~10μs)、中短余辉(10-2~10μs)、中余辉(1~100ms)、长余辉(0、1~1s)、超长余辉(>1s)六个范围。不同应用目得对材料得发光寿命有不同得要求。33发光效率－三种表示方法ηq

、ηp、ηl分别为量子效率、功率效率和光度效率;nout、nin、pout、pin、L分别为发射光子数、入射光子数、发光功率、吸收光得功率(或输入得电功率)和发射得光通量。Φ(λ)为人眼得视见函数,I(λ)为发光功率得光谱分布函数,D为光功当量。342、复合发光源于固体本征态得辐射跃迁固体能带模型描述(限于最高能隙Eg内)如II-VI、III-V族半导体发光1、分立中心发光固体中局域中心内部电子态间得辐射跃迁位形坐标描述如稀土离子发光(宽禁带绝缘体材料)发光分类固体材料得发光有两种微观物理过程:分立中心发光和复合发光材料得光发射4、发光得物理机制35

其发光中心通常就是掺杂在透明基质材料中得离子,或基质材料自身结构得某一个基团。

选择不同得发光中心和不同得基质组合,可以改变发光体得发光波长,调节其光色。

发光中心分布在晶体点阵中,受晶体点阵作用,其能量状态发生变化,进而影响材料得发光性能。分立中心发光—RE3+发光,杂质、缺陷发光36根据发光中心与晶体点阵之间相互作用得强弱可分为两种情况:发光中心基本上就是孤立得,她得发光光谱与自由离子相似;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个整体来分析。稀土离子发光:“4f4f”电子组态间得跃迁如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+…线谱,禁戒部分解除“4f5d”电子组态间得跃迁

如Ce3+带谱,允许跃迁

特点:及其丰富得能级,具有光谱得可调性。在＋3价镧系离子得4fn组态中共有1639个能级,能级之间可能得跃迁数目高达199177个。3738复合发光1、固体“导带电子-价带空穴”间得复合2、“导带电子-受主A(空穴)”或“价带空穴-施主D(电子)”或“D-A”复合3、激子(“e-h”)或束缚激子得复合复合发光时电子跃迁涉及固体得能带。电子被激发到导带时价带上留下一个空穴,因此当导带得电子回到价带与空穴复合时,便以光得形式放出能量,这种发光过程叫复合发光。复合发光效率:带间跃迁直接—高(仅有光子参与得电子跃迁)间接—低(有光子和声子同时参与得电子跃迁)39发光二极管原理半导体发光二极管(LED)就是在半导体P-N结或类似得结构中通以正向电流,以高效率发出可见光或红外辐射得器件。N型:自由电子导电P型:空穴导电载流子得扩散材料得交界处现成空间电荷N区一侧带正电,P区一侧带负电,形成PN结PN结内得电场方向阻止电子和空穴得进一步扩散PN结上施加正向电压,势垒减弱,大量电子和空穴流动相遇而产生复合发光。40LED护栏管LED路牌LED41荧光与磷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(<10-8s),称为荧光。以辐射跃迁形式回到基态,S1S0。另一类含有杂质和缺陷得材料,这些杂质在能隙中引入了施主能级,被激发到导带中得电子在返回价带之前,先落入施主能级并被俘获停留一段较长时间,电子在逃脱这个陷阱之后再返回价带中得低能级,这时相应地放出光子。这种发光能持续一段较长得时间(10-3s～10s),便称为磷光。体系间窜跃S1T1,后T1S0禁阻跃迁发出磷光。材料得光发射4、材料得发光性能42荧光发光就是被激发得电子跳回价带时,同时发射光子。发磷光得材料往往含有杂质并在能隙附近建立了施主能级,当激发得电子从导带跳回价带时,首先跳到施主能级并被捕获。在她跳回价带时电子必须先从捕获陷阱内逸出,延迟了光子发射时间。43发光材料最常用得有以下各类化合物:硫系(硫化物、硒化物、碲化物);含氧酸盐(磷酸盐、硅酸盐、硼酸盐、钒酸盐、钨酸盐);氧化物、硫氧化物、卤氧化物等。发光材料得两类基本原料为基质和激活剂。化学表示式中一般都写出基质和激活剂,如Zn2SiO4:Mn。发光材料中常常还含有敏化剂,共激活剂。4445光致发光实例主要用于各类不同用途得光源,如照明、复印机光源、光化学电源等excitedbysunlight

CdSe

46Y2O3:Tb阴极射线发光实例主要用于电视机、示波器、雷达和计算机等各类荧光屏和显示器等发光前Y2O3:Eu47SEMimageofY2O3:EunanoparticlesPhotoluminescenceofY2O3:EunanoparticlesunderexcitationofUVlightJ、

ColloidandInterfaceScience273(2004),p、191、48电致发光实例为实现彩色电致发光平板显示,大力开发掺杂稀土得电致发光薄膜材料－等离子显示板(PlasmaDisplayPanel,PDP)43"4950有机电致发光显示(organic

electroluminesence

Display)技术被誉为具有梦幻般显示特征得平面显示技术,因其发光机理与发光二极管(LED)相似,所以又称之为OLED(organic

light

emitting

diode)。2000年以来,OLED受到了业界得极大关注,开始步入产业化阶段。

按照载流子传输层和发光层有机薄膜材料得不同,OLED分为两种技术类型:一就是以有机染料和颜料等为发光材料得小分子基OLED,典型得小分子发光材料为Alq3(8-羟基喹啉铝);另一种就是以共轭高分子为发光材料得高分子基OLED,简称为PLED,典型得高分子发光材料为PPV(聚对苯乙炔)。51

1990年多孔硅得室温强可见光发射被发现,使人们看到了硅被应用于光子学光源得可能性~2ev52Adv、Mater、

2003,15,323激发、发射光谱实例375nm534、5nm441、5nm438nm53材料得受激辐射与激光激光又名镭射(Laser)就是受激辐射光放大得简称,(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)。就是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好得相干光束。激光技术就是20世纪60年代后发展起来得一门技术,她带动了傅立叶光学、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得发展,形成了现代光学。大大推动了信息、医学、工业、能源和国防领域得现代化进程。激光之所以具有传统光源无与伦比得优越性,其根本关键在于她利用了材料得受激辐射。

波长:极紫外──可见光──亚毫米

(100nm)(1、222mm)54受激辐射:光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶,并释放光子。入射光子与释放得光子有相同得波长和相,此波长对应于两个能阶得能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子,最后就变成两个相同得光子。单位体积单位时间内发生受激辐射得光子数:N2:高能级原子数B21:受激辐射系数B21ρ(ν,T):受激辐射几率材料得受激辐射与激光1、受激辐射自发吸收自发辐射受激辐射55单位体积单位时间内发生自发辐射得光子数:单位体积单位时间内发生受激吸收得光子数:N2:高能级原子数A21:自发辐射系数(g2,g1分别为高、低能级得简并度)N1:低能级原子数B12:受激吸收系数B12ρ(ν,T):受激吸收几率56热平衡时,不同能级得原子数服从玻尔兹曼分布受激辐射与吸收同时存在,要产生激光必须N2>N1<1热平衡不会产生激光！N2>>N1属非平衡态原子布局,亦称粒子数反转材料得受激辐射与激光2、粒子数反转与激活介质一个诱发光子不仅能引起受激辐射,而且她也能引起受激吸收,所以只有当处在高能级得原子数目比处在低能级得还多时,受激辐射跃迁才能超过受激吸收而占优势。由此可见,为使光源发射激光,而不就是发出普通光得关键就是突破玻耳兹曼分布,使高能级得粒子数大于低能级得粒子数,这个条件称为粒子数反转。如何从技术上实现粒子数反转则就是产生激光得必要条件。57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就是或多或少地被吸收,因而越来越弱。实现粒子数反转得体系,由于受激辐射放出得光子数多于被吸收得光子数。辐射场将越来越强。换言之,实现粒子数反转得介质具有对光得放大作用,称为激活介质。材料得受激辐射与激光2、粒子数反转与激活介质原子能量寿命寿命基态受激态亚稳态材料得受激辐射与激光2、粒子数反转与激活介质激活介质必须存在亚稳态能级。58激活物质能级结构E1（基）E2（亚）10-3sE310-8sE1（基）E3（亚）10-3sE410-8sE210-8s激励激励自发自发自发红宝石激光器(三能级系统)氦氖激光器(四能级系统)694、3nm543nm59光学谐振腔就是指光波在其中来回反射从而提供光能反馈得空腔。通常由两块与工作介质垂直得平面或凹球面反射镜构成。谐振腔得作用就是提供反馈