中科大材料性能测试课件第5章 光学性能测试

第五章光学性能及测试方法第一节光学基本理论一、光的本性牛顿：粒子流说惠更斯：波动说麦克斯韦：电磁波理论普朗克、爱因斯坦：光量子理论德布罗意：物质波假说狄拉克：电磁场量子理论二、广义波谱电磁波谱三、光的描述电场E和磁场H，通常以电场E来描述光矢量。1)波动性根据麦克斯韦方程组，有2)粒子性一、折射定律和反射定律第二节光的折射和反射1)反射角2)折射角如第一介质为真空，则折射和反射二、反射率和透射率1)光的偏振：垂直于入射面的分量S

平行于入射面的分量P2)反射率：反射光通量与入射光通量之比反射率随入射角的变化当光线垂直入射时，光线以布儒斯特角入射时反射光是完全偏振光4)透射率：T+R=1（忽略吸收）3)布儒斯特角三、反射及折射现象的应用1)透镜（凹透镜、凸透镜）2)面镜（平面、球面）3)分束器件4、光纤光纤材料：石英系玻璃、多成分玻璃、复合材料1)全反射2)几种光导纤维的性能第三节光的吸收和色散一、光的吸收吸光度为吸收系数光强光的吸收此时A+T+R=11)朗伯-比尔定律2)吸收光谱金刚石的吸收光谱石英的吸收光谱3)吸收光谱的测量：紫外-可见分光光度法的应用根据郎伯-比尔定律有a)直接测定某一波长下的吸光度b)连续测定一段波长下的吸收光谱曲线，协助分析有机物结构c)定量测定液体样品的浓度d)在药品、食品的分析；环境监测等方面的应用二、光的色散1)正常色散c)

科希色散公式：a)

同一材料波长越短折射率越大b)

折射率随波长的变化率称为色散率，波长越短色散率越大2)反常色散石英在红外区的反常色散3)全色散曲线第四节双折射和二向色性一、双折射：折射率的各向异性双折射现象某些特殊方向不发生双折射，这些方向称为晶体的光轴符合折射定律的为寻常光（o光），其振动方向垂直于主截面（光轴与传播方向构成的平面）不符折射定律的为非常光（e光），其振动方向平行于主截面二、双折射的应用1)将自然光分解为偏振方向垂直的两束偏振光2)将自然光分解为两束偏振光后再除去一束的起偏-检偏元件3)用于滤波的双折射滤光器三、二向色性：吸收率的各向异性也可用于制作偏振元件第五节光的发射一、发光原理1)激发态的产生与失活a)分子的多重态单重态：一个所有电子自旋都配对的分子的电子状态。大多数有机物分子的基态是单重态。当基态一对电子中的一个被激发到较高能级，其自旋方向不会立刻改变，分子仍处于单重态。三重态：有两个电子的自旋不配对而平行的状态。激发三重态能量较激发单重态低。b)激发态的失活

外转换(EC)：激发态分子与溶剂与其他溶质相互作用、能量转换而使荧光（或磷光）减弱甚至消失的过程。荧光强度的减弱或消失，称为荧光猝灭。

无辐射跃迁：振动弛豫(VR)：激发态分子由同一电子能级中的较高振动能级转至较低振动能级的过程，其效率较高。内转换(IC)：相同多重态的两个电子能级间，电子由高能级回到低能级的分子内过程。系间窜越(ISC)：激发态分子的电子自旋发生倒转而使分子的多重态发生变化的过程。磷光(P)：从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射。由于磷光的产生伴随自旋多重态的改变，辐射速度远小于荧光，磷光寿命为10-4~10s。辐射跃迁：荧光(F)：激发态的分子从第一激发单重态的最低振动能级回到基态所发出的辐射，寿命为10-8

10-11s。由于是相同多重态之间的跃迁，几率较大，速度大，速率常数kf为106~109s-1。二、激励方式1)光致发光：以可见光将电子激发到高能态而致发光3)电致发光：LED显示器2)阴极射线发光：CRT显示器三、发光性质1)发射光谱线状光谱连续光谱2)发光寿命：停止激发后能持续发光的时间超短余辉时间荧光材料的性能超长余辉时间荧光材料的性能和用途3)发光效率a)量子效率：发射光子数与吸收光子数（或电子数）之比b)功率效率：发光功率与吸收的光功率（或输入电功率）之比c)流明效率：发射的光通量吸收光功率（或输入电功率）之比四、荧光和磷光的应用1)作为一种定性和定量分析方法特点：灵敏度高。检测限比吸收光谱法低1~3个数量级；线性范围宽；选择性比吸收光谱法好。因为能产生紫外可见吸收的分子不一定发射荧光或磷光；应用范围不如吸收光谱法广，因为有的分子不发荧光。2)作为发光器件的应用：照明器材和显示器第六节受激辐射和激光一、受激辐射A21为自发辐射系数B21为受激辐射系数B12为受激吸收系数二、激活介质红宝石的能级图Nd3+:YAG的能级图实现粒子数反转的介质三、光学谐振腔：使受激辐射在频率、方向和偏振态上一致1)以两面反射镜实现光强的放大功能2)限制或选择光束的方向3)选择光的振荡频率4)实现激光束的输出四、激光振荡的条件实现振荡的条件为:光的增益大于光的损耗五、激光器简介1)气体激光器：He-Ne原子激光器、CO2分子激光器、Ar+离子激光器，主要应用于大气检测、激光手术等2)液体激光器：已有机染料和稀土离子溶液为工作介质，优点是可以产生从红外到紫外各种波长的激光，用于高分辨光谱学研究和瞬态测量等。3)固体激光器：常用过渡金属离子和稀土金属离子为激活中心，多用于医科手术、光纤通信等。4)半导体激光器：利用III-V族、II-VI族化合物为发光材料，如GaAs,InP,PbS等。多用于光纤通信、光盘读写、激光打印、复印等。第四章热学性能作业题

1、试用杜隆-珀替理论计算室温(298K)时MgO的摩尔热容

2、简述示差扫描量热法(DSC)的原理

3、简述热膨胀系数与比热容、熔点的关系

4、试解释金属的热导率大于非金属和绝缘体的原因第五章光学性能作业题

1、试举一例说明光的折射与反射现象的应用

2、以全色散曲线为例说明光介质的色散规律

3、简述激发态的失活途径

4、简述激光器的种类及应用一、能带理论能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的一种图象。按照原子理论，原子中的电子只有占据某些能级，然而在晶格中能级改变了，我们发现电子能在某些整个能带(见图1.1.1-2)内运动，每一能带是与一个原子的能级相关联的。泡利不相容原理限制能占有某个nl原子能级的电子数，同样这原理也限制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。图1.1原子的能限和结晶格中的能带之比较第一节光电信息技术基础第六章光电信息材料简介1s2s2p3s钠(1s22s22p63s1)晶体能带满带

半满带空带3p图1.2导体内的能带1s2s2p3s价

带(满)导

带(空)3p绝缘体能带能

隙

较

大图1.3绝缘体图1.4半导体内的能带

图1.5半导体中的杂质：

(a)n型价带(满)导带(空)能隙较小杂质能级++++

图1.5半导体中的杂质：

(b)p型二、光电发射效应

物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或称光电发射效应，这种多发生于金属和金属氧化物。在光电器件中，光电管、光电倍增管和某些光电器件都是建立在光电发射效应基础上的。

光电发射效应的几个规律。其中主要的基本定律和性质有：

1、光电发射第一定律当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK

与被阴极所吸收的光通量ΦK

成正比。即

IK=SKΦK式中SK为表征光电发射灵敏度的系数。这个关系式看上去十分简单，但却非常重要。因为它是用光电探测器进行光度测量、光电转换的一个最重要的依据。

3、光电发射第三定律

当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何，如果入射光的频率小于这一金属的红限vo，就不会产生光电子发射。显然，在红限处光电子的初速应该为零，因此，金属的红限为

vo=φo/h2、光电发射第二定律

发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程：

hv=0.5me

vmax2+φO

式中h为普朗克恒量（6.626055±0.0000040×10-34

J.s）；v为入射光频率；me

为光电子的质量；vmax为出射光电子的最大速率；φO

为光电阴极的逸出功。第二节光电转换器件将电信号转换为光信号的器件称为光电转换器件。包括阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子显示板（PDP）、发光二极管（LED）和半导体激光器。一、阴极射线管（CRT）1、基本结构与工作原理单色CRT(cathoderaytube)的结构。主要由4部分组成：圆锥形玻壳；玻壳正面用于显示的荧光屏；封入玻壳中发射电子束用的电子枪系统；位于玻壳之外控制电子束偏转扫描的磁轭。单色CRT彩色CRT采用荫罩型结构，如下图所示。彩色CRT是通过红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色组合产生彩色视觉效果。防爆箍提耳阳极荧光体金属覆层（AI膜）屏幕玻璃偏转磁轭支持架颈部电子枪框架内部导电膜地磁场屏蔽罩阴罩（选色电极）PCMRGB彩色CRT荧光屏上的每一个像素由产生红(R)、绿(G)、蓝(B)的三种荧光体组成，同时电子枪中设有3个阴极，分别发射电子束，轰击对应的荧光体。为了防止每个电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧光面内侧设有选色电极——荫罩。在荫罩型彩色CRT中，玻壳荧光屏的内面形成点状红、绿、蓝三色荧光体，荧光面与单色CRT相同，在其内侧均有AI膜金属覆层。在离荧光面一定距离处设置荫罩。荫罩焊接在支持框架上，并通过显示屏侧壁内面设置的紧固钉将荫罩固定在显示屏内侧。2、CRT对荧光材料的性能要求：发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以及寿命长等。3、CRT的特点与应用：优点是采用的驱动电极最少，缺点是尺寸和重量太大、驱动电压高。主要应用于电视、计算机显示器、其他观测用显示器等二、液晶显示器（LCD）1、工作原理a)液晶：是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶相，二是指具有上述液晶相的物质。

b)液晶材料的光学性质：(1)

光的行进方向会偏向取向（分子长轴）的方向；(2)

偏光的状态及偏光的振动方向会发生变化；(3)

根据入射偏光的左、右旋光性，可使其反射或透射。入射直线偏光