第四章材料物理性能.ppt

1、第四章 材料的光学性能,主要内容 光和固体的相互作用 材料的发光 光导纤维,光充满着整个宇宙，各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及X射线等。 人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星光。 要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料光学材料。,太阳光,星光,灯光,自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。 这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。,夜明珠,珍珠,猫眼石,春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料青

2、铜反光镜。 17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。 20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。,青铜镜,望远镜,光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用。 一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼。,科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微镜、望远镜、摄像机等各种光学仪器，核心部分都是由光学材料制造的光学零件。 光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。,望远镜,摄相机,眼镜,光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、

3、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。 光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料等。,光学材料,玻璃、石英、金刚石是熟知的可见光透明材料。 金属、陶瓷、橡胶和塑料在一般情况下对可见光是不透明的。 金和银对红外线的反射能力最强,所以常被用来作为红外辐射腔内的镀层。 橡胶、塑料、半导体锗和硅却对红外线透明。因为锗和硅的折射率大,故被用来制造红外透镜。 许多陶瓷和密胺塑料制品在可见光下完全不透明,但却可以在微波炉中作食品容器,因为它们对微波透明。 玻璃、塑料、晶体、金属和陶瓷都可以成为光学材料。,发光材料的进步,它给人类的生活带来了巨

4、大的变化:如电视、电脑等的显示，激光的应用。,高纯、高透明的光纤的研制成功，使光通讯成为现实，并使人们进入网络时代。,Sony-LED电视,光学信息是人类获得的最重要的信息，将光学信号转变为电信号，以使得计算机帮助人类存储和处理信息，将是人类科学进步的方向。 因此了解材料的光学性能显得非常重要。,4.1 光和固体的相互作用,4.1.1 光的波粒二象性,人们对光的认识始于19世纪。 1860年，麦克斯韦创立的电磁波理论，解释了光的直线传播、反射、干涉和衍射现象； 1900年，普朗克提出能量子概念，成功地解释了黑体辐射； 1905年，爱因斯坦创立了光量子假说，将光子表征粒子性质的能量、动量与表征波

5、动性质的频率、波长等联系起来，揭示了光的波粒二象性，圆满解释了光电效应，康普顿（Compton）效应等现象。,1924年，德布罗意创立了物质波假说，被电子束衍射实验证实。把光的波粒二象性（波动性和粒子性统一）推广到一切微观粒子的共同属性 1927年，狄拉克提出电磁场的量子化理论，进一步把波动理论和量子理论严格地统一起来。 电磁波频谱宽，光学研究部分很少； 可见光波长：390770nm（0.40.7m）， 不同波长的光引起不同的颜色视觉。,电磁波谱,无线电波：1m 微波：=1mm1m 红外线：=760nm1mm 可见光：=390nm760nm 紫外线：=10nm390nm X射线：=10-3 n

6、m几十nm 射线：=10-5nm10-1nm 宇宙射线： Eg ，电子便会吸收光子而跃迁到导带，则产生了紫外吸收峰。,光通过材料时的衰减规律,朗伯特定律：,:材料对光的吸收系数,单位为cm-1,它取决于材料的性质和光的波长。,它表明，在介质中光强随传播距离呈指数式衰减。越大，材料越厚，光就被吸收得越多，因而透过后的光强度就越小。,不同材料的有很大差别，例如：空气的10-5cm-1，玻璃的=10-2cm-1，而金属的在104cm-1以上。,光程（光通过的介质厚度）,非金属材料的透过性,影响光学材料透过性的第二个因素是介质对光的散射。产生散射的原因是光传播的介质不均匀。均匀介质对光是不散射的。对于

7、相分布均匀的材料，散射遵循指数衰减定律。,散射有两种情况，一种是散射光波长与入射光相同，称为瑞利散射； 另一种与入射光波长不同，称为联合散射（亦称拉曼散射）。根据散射效 果是否强烈依赖于波长又可分为瑞利（Reayleigh）散射和米氏（Mie）散 射。,光波在材料中遇到光学性能不均匀的结构，如含有小粒子的透明介质、光性能不同的晶界相、气孔或其它夹杂物，都会引起一部分光束被散射，使光束强度降低。 本质：光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，引起散射。,相均匀分布的材料，由于散射引起的光强减弱规律与吸收规律形式相同：,1. 光散射的一般规律,I

8、0：光的原始强度； I：透过厚度为x的材料后，由于散射引起的剩余强度。 S：散射系数单位为cm-1。,由于吸收和散射引起的光剩余强度为：,Bouguer定律,对于可见光中的大多数波段，空气是透明的，但对于蓝光，空气是不均匀的，容易散射，从白光中分离出来，因此天空是蓝色的。,天空为什么是蓝色的？,（1）质点大小,d 时， S 最大。 d 时， d ，S ;,散射质点的体积分数不变：,2. 影响因素,散射系数与散射质点的大小、数量以及其与基体的相对折射率等因素有关。,当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值。,反射、折射引起的总体散射起主导作用。 散射系数正比于散射质点的投影面积。,d 时

9、，,N：单位体积内的散射质点数； R：散射质点的平均半径； K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率； V：散射质点的体积含量。,d 时，R越小，V越大，S越大。,可近似采用瑞利（Rayleigh）散射来处理：,主要为米氏（Mie）散射，散射效果主要与粒子横截面积成比例。,d /3时，,d=时，,d E1,要实现粒子数反转，必须具备一定条件： 一是要具备必要的能源（如光源、电源等），把低能级上原子尽可能多的激发到高能级上去，这个过程叫做“激励”、“激发”或者叫“抽运”、“泵浦” 二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质，这种物质具有合适的能级结构，即具有亚稳态，这种物质称为激活介质,产生激光最

10、起码的条件造成粒子数反转分布,铬离子、氦原子、氩原子、二氧化碳等粒子,4、粒子数反转分布,三能级系统,强光照射 铬离子被激励 处于基态的大量铬离子吸收光能而跃迁到激发态 上，平均寿命很短约为 很快转移到 能级上， 寿命较长（10-3s）,4、粒子数反转分布,在激活介质内部受激辐射与自发辐射同时存在 即使在工作物质处于粒子数反转分布情况下，所获得激光的强度很弱，没有实用价值,四能级示意图,.,基态,亚稳态,激发态,激发态,4、粒子数反转分布,5、光学谐振腔与阈值条件,设计一种装置，使在某一方向上的受激辐射不断得到放大和加强，就是说，使受激辐射在某一方向上产生振荡，而将其它方向传播的光抑制住，以致

11、在这一特定方向超过自发辐射，这样就能在这一方向上实现受激辐射占主导地位的情况，从而获得方向性和单色性很好的激光 光学谐振腔,工作物质两端，分别放置一块全反射镜和一块部分反射镜（两反射面可以是平面、凹球面，或一平一凹），它们相互平行，且垂直于工作物质的轴线，这样的装置就能起到光学谐振腔的作用 实现光振荡，有放大元件、正反馈系统、谐振系统和输出系统。在激光器中，可实现粒子数反转的工作物质就是放大元件，而光学谐振腔就起正反馈、谐振和输出的作用,工作物质,全反射镜,部分反射镜,5、光学谐振腔与阈值条件,光在粒子数反转的工作物质中往返传播,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得很强的光,这种现象叫做光振荡

12、.,加强光须满足驻波条件,5、光学谐振腔与阈值条件,激光光束,全反射镜,光学谐振腔示意图,部分透光反射镜,激活介质和谐振腔一定能产生激光吗？,（1）激活介质中光的增益，它使光强变大 （2）端面上光的损耗（包括衍射、吸收、透射等），它使光强变小。,要使光强在谐振腔内来回反射的过程中不断得到加强，就必须使增益大于损耗，这就是阈值条件,光在谐振腔内来回反射的过程中，对光强变化的影响存在两个独立因素：,5、光学谐振腔与阈值条件,常用激光器由三部分组成：,工作物质 泵浦源 光学谐振腔,激光,激光器结构示意图,6、激光器的组成和常见激光器,（1）激光工作物质 必须能在该物质中实现粒子数反转。可以是气体、液

13、体、固体或半导体。现已有工作物质近千种，可以产生波长从紫外到远红外波段的激光。,固体激光工作物质：晶体和玻璃,激光工作物质：在基质中加入激活离子，提供亚稳能级。,（2）激励源 泵浦源 为使工作物质中出现粒子数反转，必须用一定的方法激励原子体系，使处于高能级的粒子数增加。用气体放电的办法激发物质原子，称为电激励，也可用脉冲光源去照射工作物质，称为光激励，还有热激励，化学激励等。为了不断地得到激光输出，就需不断地将处于低能级的原子抽运到高能级上去，激励源形象地称为泵。,（ 3）谐振腔,光学谐振腔，实际上是在激光器两端，面对面地装上两块反射率很高的平面镜，一块平面镜对光几乎全反射，另一块则让光大部分

14、反射，少部分透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。,光在放大介质中经历的路程越长，和越多的原子发生作用，才能获得越有效的光放大。但是把工作物质作得无限长是不现实的。,反射镜的一个作用是使光沿工作物质轴线在反射镜间来回反射，每经过一次工作物质光就得到一次放大，被反射回到工作物质的光，继续诱发新的受激辐射，光在谐振腔内来回振荡，造成连锁反应，雪崩式地获得放大。,下图显示红宝石激光器的原理。红宝石是在蓝宝石（Al2O3单晶）中加入0.05%Cr3+离子后得到的产物。 Cr3+离子使红宝石呈红色，更重要的是提供了产生激光所必要的电子能态。红宝石激光器由一枝闪光灯，激光介质和两面镜子所组成。激光介质是

15、红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能级。 而释放出的光子会被设于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。设在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜 子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。,产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。以红宝石激光为例，原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约10-7秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态。原子

16、停留在亚稳态的时间很长，大约是10-3 秒 或更长的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子数反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。,按输出方式分：,脉冲输出,连续输出,半导体激光器,按工作物质分 ：,气体激光器,固体激光器,液体激光器,激光器的分类,（1） 固体激光器,工作物质有红宝石、钕玻璃、钇铝石榴石（YAG）等，是在作为基质的材料的晶体或玻璃中均匀地掺入少量离子，称为激活离子。产生激光发射作用的是掺入的离子。可作为

17、激活离子的有过渡族金属离子如铬离子(Cr3+)、稀土金属离子如钕离子(Nd3+)、锕系离子等。,半导体激光器体积小重量轻，寿命长，结构简单而坚固，特别适于飞机、车辆、宇宙飞船之用。现在的光驱、VCD、DVD的激光头都是一个小型半导体激光发射器。,（2） 气体激光器,工作物质是气体或金属蒸气。气体激光的特点是激光输出波长范围较宽。常用的氦-氖激光器，是通过气体放电使Ne原子产生粒子数反转，输出激光的波长为632.8nm（红光）。,气体激光器具有结构简单、造价低、操作方便、光束质量好以及能长时间较稳定连续工作的特点，是目前品种最多应用最广泛的激光器。,（3）液体激光器,常用有机染料作工作物质，大多

18、数情况是把有机染料溶于乙醇、丙酮、水等，也有以蒸汽状工作的。液体激光器的工作原理比较复杂，但输出的波长连续可调，且覆盖面宽。,梅曼和第一只红宝石激光器,气体激光器,固体激光器,液体激光器,半导体激光器,所有温度在0K以上的物体，只要不是处于炽热态，辐射出的特征电磁波均在红外波段。,红外的三个大气窗口：13m、35m和813 m。在大气窗口内，大气对红外吸收很少，在大气窗口之外，大气对红外线几乎不透明。,4.5 无机材料的红外光学性能,4.5.1 红外技术的起源和应用,应用,辐射测量：非接触式测温； 对辐射物搜索和跟踪：导弹、火箭； 红外成像器件：夜视仪、红外显微镜等； 通信和遥控：视频和音频、

19、测距、测速；,目标,大气衰减,信号处理,光学接收器,光学调制器,探测器,探测器制冷设备,显示,红外传感器工作原理：,红外光学材料通常指红外透过材料，在短波的可见光部分有强吸收，而在很宽的红外光波段有很高的透过率。,4.5.2 红外透过材料,红外光学材料是红外光学系统中用来制造透镜、棱镜、滤光片、窗口、整流罩等不可缺少的物质。随着红外技术的迅速发展，目前已制造出上百种透过某一部分红外辐射的光学材料，但是真正符合一定的使用要求，具备一定的物理化学性能的红外材料并不多，大约只有二、三十种，可分为玻璃、晶体、透明陶瓷和塑料四类。,（1）透过率和频宽及其随温度变化； （2）折射率和色散及其随温度变化；

20、（3）稳定性。如热稳定性、耐腐蚀性等； （4）可加工性； （5）成本；,实用红外材料的基本性能要求：,截止限：如果材料对某波长的透过率低于50%，可认为此波长已截止。,(1) 红外玻璃,在光波红外波段（0.7520m）具有很高的透过率的玻璃。,按玻璃组成分类：,卤化物玻璃,硫化物玻璃,重金属氧化物玻璃,氯化物玻璃,氟化物玻璃,锗酸盐玻璃,碲酸盐玻璃,硅酸盐玻璃,(2) 晶体,离子晶体：IA-VIIA化合物晶体、IIA-VIIA族化合物晶体和无机盐晶体,CsI, KCI, KI, CsBr, MgF2, CaF2 CaCO3,半导体晶体：IVA晶体、IIIA-VA化合物晶体、IIA-VIA化合物

21、晶体,特点：折射率很高，反射损失大，需镀增透膜。散射较单晶严重。,硅和锗的化学稳定性都很好，都可以长成大尺寸单晶（硅直径150mm，锗可达250mm）。锗的缺点是较软，实用温度限为期150。硅的硬度高，可加工性能不好，且因为禁带较宽，受温度影响比锗小。都需镀增透膜。,举例：,(3) 陶瓷和金刚石,Al2O3透明陶瓷:透近红外和可见光,熔点高,价格便宜,金刚石:最理想的红外透过材料.透过带宽从0.23m到200m以上.具有高的热导率.热导率是铜的5倍.散射是多晶金刚石的主要问题.,常用的红外陶瓷有热压氟化镁、硫化锌、氧化镁，烧结氧化铝、氧化锆等。,(4) 塑料,优点：价格便宜、耐化学腐蚀性好、比

22、重轻、易加工成型。在近红外和远红外有良好的透过率。 缺点：复杂的高分子聚合物，其分子振动和转动吸收带、晶格振动吸收带正好在中红外区。因此中红外透过率很低。此外软化温度低，强度不高。目前只用于远红外。主要在低温下作为窗口和保护膜用。,4.5.3 红外探测材料,红外探测器：一种辐射能转换器，主要用于将接收到的红外辐射能转换为便于测量或观察的电能、热能等其他形式的能量。,能量转换方式：,光子探测器,热探测器,4.6 电光效应,材料的光学特性受电场影响而发生变化的现象统称为电光效应。,材料的折射率受电场影响而发生变化的电光效应。,Pockels效应：,Kerr效应：,4.7 光导纤维,光导纤维：简称“

23、光纤”，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维。,利用光导纤维可以弯曲传光,传像,可制作各种潜望镜,医用内窥镜等.,“导光”的古老历史,一、概述,光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。从烽火传递信号，到信号灯旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。但由于受到视距大气衰减地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。 20世纪60年代发现激光（光信号的传输介质），这是人们期待已久的信号载体（能产生相干光，有巨大能量）。,“光纤之父”-高锟博士,1966年：高锟博士（英国标准电信实验室华裔科学家）发表他的著名论文“光频介质纤维表面波导”首次明确提出,通过改进制备工艺,减少原材料杂质 ,

24、可使石英光纤的损耗大大下降 , 并有可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤,从而使光纤可用于通信之中。,1970年康宁玻璃公司(Corning Glass Co）率先研制成功损耗为20dB/km 的石英光纤,使光通讯成为现实。 光纤电话与普通电话很相似, 其基本原理和差别如图1 所示。 在调制器和解调器之间, 由光发送器、光纤和光接收器组成的“ 光传输通路” 取代了原来的电话线。光发送器将要送出的电信号变换成光信号,并将光信号送入光纤光接收器将光纤传来的微弱的光信号变换成电信号, 并经放大后, 还原成原来的电信号。,经过近30年的发展，光纤的损耗已经降至0.2dB/km (单模光纤）； 通常，

25、光纤的一端的发射装置使用发光二极管（LED）或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。包含光纤的线缆称为光缆。在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用作长距离的信息传递。随着光纤的价格日渐降低，光纤也被用于医疗和娱乐的用途。,光纤通信既可以是模拟传输, 又可以是数字传输。光纤通信系统主要用于数字传输。 光纤的分类： 普通光纤：为通讯设计的光纤，作为通讯信号的载体介质。 特种光纤：用于传感的或其他材料集成为智能复合材料的光纤。 光纤的应用：目前用于通信中的光纤主要是玻璃纤维，其外径约为250微米，中心通光部分直径为1060微米。

26、在医学上，光纤用于内视镜，在娱乐方面，常用于音响的讯号线。 本节课以通讯光纤为主介绍光纤材料的基本物理性能。,二、通讯光纤的构成和分类,1.构成：芯部、包覆层（包层）、保护层。 芯部材料是非晶SiO2、P2O5等；包覆层一般由高硅玻璃组成；保护层基本上由尼龙增强材料作成。,单模光纤,多模光纤,图 通讯光纤的构成,2.分类 A、按光在光纤中的传播模式来分：单模和多模光纤,多模光纤：是可以传输多种模式的光波导（能传输多条光线）。,芯,包覆层,保护层,单模光纤：是传输一个模的光波导（只能传输一条光线）其内芯很小，约8-10m。这种光纤适用于大容最，长距离的光纤通信。它是未来光纤通信和光波技术发展的必

27、然趋势。,B、按折射率变化来分类：突变（阶跃）光纤、渐变（梯度）光纤,突变（阶跃）光纤：芯部有均匀的折射率，直到包层和芯部的界面，折射 率发生变化。 渐变（梯度）光纤：芯部折射率在剖面上看是逐渐变的，包层的折射率是均匀的。,两种常用光纤的结构及其折射率分布,C.按材料分类： 玻璃光纤：纤芯与包层都是玻璃，损耗小，传输距离长，成本高； 胶套硅光纤：纤芯是玻璃，包层为塑料，特性同玻璃光纤差不多，成本较低； 塑料光纤：纤芯与包层都是塑料，损耗大，传输距离很短，价格很低。多用于家电、音响，以及短距的图像传输。,利用全反射,临界角：,O,n1,n2,三、光导纤维传输光的原理,当光束从折射率n1较大的光密

28、介质进入折射率n2较小的光疏介质，即n2nl时，则折射角大于入射角。当入射光与界面夹角等于某一角度c时，折射角可等于900，此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。如果入射光与界面夹角小于c，就不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。这种现象称为全反射，c角就称为全反射的临界角。,不同介质的临界角大小不同，例如普通玻璃对空气的临界角为480，水对空气的临界角为41.500。而钻石因折射率很大(n=2.417)，故临界角很大，容易发生全反射。切割钻石时，经过特殊的角度选择，可使进入的光线全反射并经色散后向其顶部射出，看起来就会光彩夺目。,当光线从一端射入纤维内部时，如果其方向与纤维表面所成夹

29、角小于某一角度，则光线全部内反射，无折射能量损失。因此光线在内外两层之间产生多次全反射而传播到纤维另一端。,光纤的传输方式（全反射）,四、光纤传输特性,光纤特性有光学特性,传输特性,机械特性,温度特性等九项,其中传输特性有两个： 损耗特性 色散特性,损耗的定义：,当光在光纤中传输时，随着传输距离的增加，光功率逐渐减小，这种现象即称为光纤的损耗。损耗一般用损耗系数表示： (单位：dB/km) 损耗大小影响光纤的传输距离长短和中继距离的选择。,吸收损耗：,本征吸收损耗是由于光纤材料本身吸收光能量产生的。主要存在红外波段的分子振动吸收和紫外波段的电子跃迁吸收。 杂质吸收损耗主要是由于光纤中含有的各种过渡金