第第1010章章材料的光学性能材料的光学性能(Optical properties of (Optical properties of materials)materials)12024/9/510. 1 10. 1 光与材料的作用光与材料的作用(Interaction between lights and (Interaction between lights and materials)materials)10. 1. 1 10. 1. 1 光的物理本质光的物理本质(Physical essence of lights)(Physical essence of lights)22024/9/5可见光：波可见光：波长处于人眼长处于人眼能够感知范能够感知范围的那部分围的那部分电磁波，波电磁波，波长范围很窄长范围很窄颜颜色色随随波波长长 改改 变变 。白白光光是是各各色色光光的的混混合合 32024/9/5光光波波也也由由电电场场分分量量与与磁磁场场分分量量组组成成，这这两两种种分分量量彼彼此此垂垂直直且都垂直于光的传播方向。且都垂直于光的传播方向。 电磁波在真空中的传播速度电磁波在真空中的传播速度c c=3=310108 8m/sm/s，且有，且有其中其中 0和和 0分别为真空中的介电常数分别为真空中的介电常数和磁导率。和磁导率。 42024/9/5光在非真空介质中传播时光速其中和分别为介质的介电常数和磁导率，r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。考虑光的量子性，将光看成粒子，其能量量子即为光子，光子的能量其中为频率，为波长，h为普朗克常数。 52024/9/510. 1. 2 10. 1. 2 光与材料作用的一般光与材料作用的一般规律规律(General rules of the (General rules of the interaction between lights interaction between lights and materials)and materials)62024/9/5(a)(a)吸收；吸收；(b)(b)散射；散射；(b)(b)透射；透射；(b), (c), (d)(b), (c), (d)反射。反射。72024/9/5入射到材料表面的光的能流率为入射到材料表面的光的能流率为 0 0W/mW/m2 2，则有，则有 0 0= = T T+ + A A+ + R R+ + S S 其中其中 T T、 A A、 R R、 S S分别是分别是透射、吸收、反射、散射的能流率。透射、吸收、反射、散射的能流率。用用 0 0除等式两边，则有除等式两边，则有 T+A+R+ST+A+R+S=1=1 分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。折射、反射、散射、吸收各有其微观机制折射、反射、散射、吸收各有其微观机制光与固体中光与固体中的原子、离子、电子等的相互作用的原子、离子、电子等的相互作用82024/9/5光子与固体材料的相互作用的本质有两种方式：电子极化电子极化电子能态转变电子能态转变从微观上分析，其实就是光子与固体材料的原子、离子、电子之间的相互作用92024/9/5第第一一：引引起起材材料料中中的的电电子子极极化化光光波波的的电电场场分分量量与与传传播播路路径径上上的的原原子子作作用用，造造成成电电子子云云的的负负电电荷荷中中心心与与原原子子核核的的正正电电荷荷中中心心发发生生相相对对位位移移光光的的部部分分能能量量被被吸吸收收，光光速速降降低低折射。折射。第二：引起材料中电子能态第二：引起材料中电子能态的改变。的改变。光光子子能能量量恰恰好好为为孤孤立立原原子子两两能能级级差差，将将电电子子激激发发到到高高能能级。光子消失级。光子消失吸收吸收102024/9/5这种吸收的条件为这种吸收的条件为 E E= =h h ijij 其中其中i i、j j为原子中电子的两个能级，为原子中电子的两个能级， E=EE=Ei i-E-Ej j为这两个能为这两个能级的能级差，级的能级差， ijij为能量恰好为这一能级差的光子的频率，为能量恰好为这一能级差的光子的频率，h h为普朗克常数。为普朗克常数。只有能量为电子能级差的光子才能被吸收只有能量为电子能级差的光子才能被吸收可被孤立原子吸收的光子是不多的。可被孤立原子吸收的光子是不多的。固体中固体中能带准连续，不同能量（频率）的光子都有可能带准连续，不同能量（频率）的光子都有可能被吸收。能被吸收。吸收了光子的电子处于高能量的受激态吸收了光子的电子处于高能量的受激态不稳定不稳定又又会按不同途径衰变返回基态，同时发射不同波长（能量）会按不同途径衰变返回基态，同时发射不同波长（能量）的电磁波的电磁波受激电子又直接衰变回原能级受激电子又直接衰变回原能级发射与入射光同样波长发射与入射光同样波长的光波的光波反射反射112024/9/512受限于人们的视野，受制于我们所接触的世界尺度！光波的传播方向光波的传播方向光波等相面光波等相面 在某个时刻其上各点相位取等值的曲面称为等相面。2024/9/513光在均匀介质中的直线传播定律光在均匀介质中的直线传播定律; ;光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律光通过两种介质的分界面时的反射定律和折射定律; ;光的独立传播定律和光路可逆性原理。光的独立传播定律和光路可逆性原理。在日常生活和实验的基础上，人们简单明了地总结：几何光学2024/9/510. 1. 3 10. 1. 3 金属材料对光的吸收和金属材料对光的吸收和反射反射(Absorption and reflection of (Absorption and reflection of metallic materials to lights) metallic materials to lights) 142024/9/5金属对可见光一般不透明金属对可见光一般不透明能带结构决定能带结构决定 费费米米能能级级以以上上有有许许多多空空能能级级可可吸吸收收不不同同波波长长的的光光子子将将电电子子激发到空能级上激发到空能级上大大部部分分被被激激发发电电子子又又会会衰衰变变回回基基态态，放放出出与与所所吸吸收收的的光光子子同同波波长的光子长的光子反射光反射光 152024/9/5大大多多数数金金属属的的反反射射率率在在0.90.90.950.95之之间间，其其余余能能量量转转换换成成其他形式的能量，如热量其他形式的能量，如热量金属对不同波长的光的反射能力不同金属对不同波长的光的反射能力不同反射光的波长不反射光的波长不同同颜色不同颜色不同162024/9/510. 1. 4 10. 1. 4 非金属材料对光的反应非金属材料对光的反应(Interfaction between non-metal (Interfaction between non-metal materials and lights)materials and lights)172024/9/5光从真空进入材料时速度降低，光在真空中的速度c和材料中的速度v之比即为材料的折射率 n=c/v 当光从材料1中通过界面进入材料2时，在材料1中入射光与界面法线所成的角即入射角为i1，在材料2中折射光与界面法线所成的角即折射角为i21 1 非金属材料对光的折射非金属材料对光的折射 n21：称为材料2相对于材料1的相对折射率，n1、n2分别为材料1、2的折射率，v1、v2分别为材料1、2中的光速。182024/9/5由材料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得其中r和r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。大多数非金属材料的磁性很弱，r1，有由于r1，材料的折射率总是大于1的。大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相对位移，r增大可用大离子构成高折射率的材料，小离子构成低折射率的材料。 192024/9/5均质介质（非晶态材料和立方晶系的晶体）：对光是各向同性的，只有一个折射率。非均质介质（非立方晶系的晶体）：光线入射到该介质中会产生双折射现象双折射现象，即出现两条振动方向相互垂直、转播速度不等的折射线。双折射导致双折射率：平行于入射面的光线的折射率为常数，与入射角无关，称为常光折射率常光折射率n n0 0，严格服从折射定律；另一条与之垂直的光线不严格遵守折射定律，所构成的折射率的大小随入射光方向变化，称为非常光折射率非常光折射率n ne e。双折射现象双折射现象例如对石英，n0和ne分别为1.543和1.552；对方解石，n0和ne分别为1.658和1.486。一般沿晶体密堆方向ne较大。202024/9/521材料折射率的影响因素(1) 当离子半径增大时，因而n也随之增大。(2) 材料的结构、晶型和非晶态 双折射是非均质晶体的特性(3) 材料所受的内应力(4) 入射光波长入射光波长2024/9/5光的色散光在介质中的传播速度v 随波长而异的现象，亦即介质的折射率随着波长而变化，这种现象称为光的色散。1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为彩色光带。为了表征介质折射率随波长的变化快慢程度和趋势，引入介质色散率的概念。 定义为：介质的折射率对波长的导数dn/d222024/9/5232024/9/5一一. . 正常色散正常色散测量不同波长的光线通过棱镜的偏转角，就可算出棱测量不同波长的光线通过棱镜的偏转角，就可算出棱镜材料的折射率镜材料的折射率n n与波长与波长之间的依赖关系曲线，即之间的依赖关系曲线，即色色散曲线。散曲线。24实验表明：凡在可见光实验表明：凡在可见光范围内无色透明的物质，范围内无色透明的物质，它们的色散曲线形式上它们的色散曲线形式上很相似，其间有许多共很相似，其间有许多共同特点，如同特点，如n n随随的增加的增加而单调下降而单调下降，且下降率，且下降率在短波一端更大，等等。在短波一端更大，等等。这种色散称为这种色散称为正常色散正常色散。2024/9/5当白光通过介质发当白光通过介质发生正常色散时，白生正常色散时，白光中不仅紫光比红光中不仅紫光比红光偏折的厉害，而光偏折的厉害，而且在所形成的光谱且在所形成的光谱中，紫端比红端展中，紫端比红端展得更开。得更开。2518361836年柯西年柯西（A.L.CauchyA.L.Cauchy，1789-1789-1857)1857)给出一个正常色散给出一个正常色散的折射率随波长变化的的折射率随波长变化的经验公式。经验公式。2024/9/526正常色散的经验公式：正常色散的经验公式：上式称为上式称为柯西公式，柯西公式，式中式中A A，B B，C C是与物质有关的常是与物质有关的常数，其数值由实验数据来确定，当波长变化范围不大数，其数值由实验数据来确定，当波长变化范围不大时，科希公式可只取前两项，即时，科希公式可只取前两项，即则介质的色散率为：则介质的色散率为：A A、B B均为正值，上式表明，折射率和色散率的数值都均为正值，上式表明，折射率和色散率的数值都随波长的增加而减小，当发生正常色散时，介质的色随波长的增加而减小，当发生正常色散时，介质的色散率小于零。散率小于零。2024/9/5反常色散反常色散27对介质有强烈吸收的波段称为吸收带。实验表明，在强烈吸收的波段，色散曲线的形状与正常色散曲线大不相同。 若向红外区域延伸，并接近吸收带时，色散曲线开始与柯西公式偏离（见图中R点）。如图所示为一种在可见光区域内透明的物质（如石英）在红外区域中的色散曲线，在可见光区域内色散是正常的，曲线（PQ段）满足柯西公式。2024/9/528在吸收带内因光极弱，很难推测到折射率的数据。过了吸收带，色散曲线（ST段）又恢复正常的形式，并满足柯西公式在吸收带内，折射率随波长的增加而增加，即在吸收带内，折射率随波长的增加而增加，即dn/ddn/d 0,0,与正与正常色散相反，这种现象称为常色散相反，这种现象称为反常色散。反常色散。所有介质在透明波段表现出正常色散；而在吸收带内表现出反常色散。F.-P.勒鲁于1860年首先在碘蒸气棱镜内观察到反常色散现象。2024/9/5三合镜：由两片凹凸透镜中央夹一片双凸透镜组成。三合镜：由两片凹凸透镜中央夹一片双凸透镜组成。 优点：消像差和色差优点：消像差和色差292024/9/5光线从一种透明介质进入另一种折射率不同的介质时，总有一部分光线在界面处被反射。光线垂直于或接近垂直于界面入射时，反射率2 2 非金属材料对光的反射非金属材料对光的反射 n1、n2：两种介质的折射率。如果是从真空或空气射入到某种材料，则有n：该材料的折射率折射率高则反射率高 302024/9/5 除了真空，没有一种物质对电磁波是绝对透明的，光进入物质，使带电粒子受迫振动，一部分光能 振动能 平均动能。使分子热运动能量增加，即光能转化成热能，光能减少 吸收。 分子碰撞313 3 非金属材料对光的吸收非金属材料对光的吸收 2024/9/5光从介质1进入介质2后可发生连续多次的反射和折射，反射光强是各次反射的总强度，透射光强是在介质2中反复传播过程中吸收和散射损失以及反射以外的光的总强度。 322024/9/5吸收机理：电子极化，电子受激吸收光子跃迁吸收机理：电子极化，电子受激吸收光子跃迁到禁带以到禁带以上的能级或禁带中的杂质或缺陷能级上的能级或禁带中的杂质或缺陷能级显然显然光子能量光子能量 E E大于禁带宽度大于禁带宽度E Eg g- -将电子从满价带激发到将电子从满价带激发到空导带上，并在价带留下空导带上，并在价带留下一个空穴。一个空穴。 c c为为真真空空中中的的光光速速， 和和 分分别别为为光光的的频频率率和和波波长长 332024/9/5可计算出可计算出E Eg g3.1eV3.1eV时波长最短的紫光（时波长最短的紫光（0.40.4 m m）也不能将）也不能将电子激发电子激发不吸收可见光不吸收可见光可能是无色透明的。可能是无色透明的。E Eg g 1.8eV 1.8eV时波长最大的红光（时波长最大的红光（0.70.7 m m）也可将电子激发）也可将电子激发到空导带中到空导带中吸收所有颜色的可见光，不透明。吸收所有颜色的可见光，不透明。对于对于1.8eV1.8eVE Eg g3.1eV波长时，可以认为所引起的散射系数与散射质点的投影面积成正比，即 S=KNR2N：单位体积内的散射质点数；R：散射质点的平均半径；K：基体与散射质点的相对折射率决定的系数，当两者的折射率相近时为0。假设散射质点的体积分数为V，则有散射质点体积分数一定时，质点直径越大，散射系数越小。 482024/9/5按不均匀团块的情况，散射可分为两大类：(1)悬浮质点的散射：如胶体，乳状液，含有烟雾、尘埃的大气等。(2)分子散射：分子热运动造成密度的局部涨落引起的散射。 如：十分纯净的液体或气体，也能产生较微弱的散射。492024/9/550光的散射可分为两大类：光的散射可分为两大类：散射光的波长不变散射光的波长不变散射光的波长改变散射光的波长改变瑞利散射瑞利散射米氏散射米氏散射拉曼散射（拉曼散射（Raman1928）布里渊散射布里渊散射Brillouin1921Brillouin1921廷德尔散射廷德尔散射弹性散射非弹性散射2024/9/551弹性散射散射前后，光的波长(或光子能量)不发生变化的散射称为弹性散射。一.廷德尔散射粉笔灰白云+ +尺度远大于光波的波长散射光强与入射波长无关2024/9/5瑞利散射52光学性质不均匀的介质，可能是由于均匀物质中散布着折射率与它不同的其它物质的大量微粒，也可能是由于物质本身的组成部分（粒子）的不规则聚集；早在1869年爱尔兰物理学家亭德尔(Tyndall， 1820-1893) 就对混浊介质的散射现象做过大量的实验研究。尤其对于线度小于波长的微粒。因此瑞利散射有时又称亭德尔效应。例如尘埃、烟（大气中散布着固态微粒）,雾（空气中散布着液态微粒），悬浮液（液体中悬浮着固态微粒），乳状液（一种液体中悬浮着另一种液体而不能互相溶解），如水中加入几滴牛奶，等等。这样的物质称为混浊介质。2024/9/5在亭德尔的基础上，英国物理学家瑞利于在亭德尔的基础上，英国物理学家瑞利于18991899年对小粒子散射年对小粒子散射又进行了研究。又进行了研究。透透射射光光散射光散射光检偏器检偏器探测器探测器实验发现：从容器侧面看实验发现：从容器侧面看到的散射光，带有青蓝色，到的散射光，带有青蓝色，透射光则带有红色。透射光则带有红色。瑞利（瑞利（1842 -19191842 -1919） 19041904年诺年诺贝尔物理学奖获得者贝尔物理学奖获得者532024/9/554进一步研究表明，散射光的强度与光波波长的四次方成反比：称为瑞利散射定律根据瑞利散射定律，可以对前面的实验现象作出很好的解释。假设白光中波长为720nm的红光与波长为440nm的青蓝光具有相同的强度，由于两种波长之比为：所以散射光中，蓝光的强度与红光强度之比为：可见散射光中蓝光的强度约为红光强度的7.2倍，因此透射光中所含的红光成分就较多，故带红色。2024/9/5552024/9/5表面上看起来是纯净均匀的介质，由于分子的热运动使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散射。分子散射也满足瑞利散射定律。用以上的散射理论可以解释许多我们日常熟悉的自然现象，如天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么是红？以及云为什么是白？首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空，将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象是宇航员司空见惯了的。562024/9/557 按瑞利定律，由于大气的散射，白光中的短波成分（蓝紫色）遭到散射比长波成分（红黄色）强烈得多，散射光乃因短波的富集而呈蔚蓝色。所以每当大雨初霁、澄清了尘埃的时候，天空总是蓝得格外美丽可爱，其道理就在这里. 旭日和夕阳呈红色，与天空呈蓝色属于同一类现象，由于白光中的短成分被更多地散射掉了，在直射的日光中剩余较多的自然是长波成分。早晚阳光以很大的倾角穿过大气层，经历大气层的厚度要比中午时大得多，从而大气的散射效应也要强烈得多，这便是旭日初升时颜色显得特别殷红的原因。 2024/9/5因为红光透过散射物的穿透能力比蓝光强，因此通常情况因为红光透过散射物的穿透能力比蓝光强，因此通常情况下，下，危险信号灯、交通禁行灯等采用红色危险信号灯、交通禁行灯等采用红色，使有关人员在，使有关人员在能见度低的情况下，能尽早发现采取措施。能见度低的情况下，能尽早发现采取措施。582024/9/5米氏散射59当散射粒子的线度大于十分之几波长，甚至与波长相当时瑞利散射定律不再成立，此为大粒子散射，称为米氏散射。米（G.Mie)和德拜(P. Debye)以球形质点为模型计算了电磁波的散射。计算表明，只有球半径满足下列条件时，瑞利散射定律才是正确的。当a较大时，散射强度与波长的依赖关系就不明显了，米德拜的计算结果如图。2024/9/5当入射光的波长大于十分之一时，散射光的强度与当入射光的波长大于十分之一时，散射光的强度与波长的依赖关系不明显。因此散射光的颜色与入射波长的依赖关系不明显。因此散射光的颜色与入射光相近，白光入射将观察到白色的散射光。光相近，白光入射将观察到白色的散射光。这就是云雾呈这就是云雾呈白色的缘故。白色的缘故。 602024/9/5例，点燃的香烟冒出蓝灰色的烟，但例，点燃的香烟冒出蓝灰色的烟，但从口中吐出的烟却是白色的。从口中吐出的烟却是白色的。WhyWhy？这是因为组成烟的微小颗粒蓝光散射这是因为组成烟的微小颗粒蓝光散射强烈强烈瑞利散射；而从口中吐出的烟，瑞利散射；而从口中吐出的烟，由于凝聚了水蒸气在其上，颗粒变大由于凝聚了水蒸气在其上，颗粒变大属于米氏散射，故呈现白色。属于米氏散射，故呈现白色。612024/9/562非弹性散射 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”。2024/9/563RamanRamanRamanRaman散射散射散射散射 瑞利散射不改变原入射光的频率。1928年，Raman等发现散射光光谱中，在入射光频率0附近，存在01、02等散射线。称为Raman散射。2024/9/564拉曼散射谱线特征：2. 频率差j（j=1,2,3）与入射光的频率无关；它们与散射物质的红外吸收频率相对应，表征了散射物质的分子振动频率。1. 每条原始入射谱线两旁都伴有频率差j（j=1,2,3）相等的散射谱线。称为斯托克斯线和反斯托克斯线。2024/9/565分子散射的量子图像瑞利散射 拉曼斯托克斯 拉曼反斯托克斯2024/9/5应用 为研究分子结构提供了一个重要工具，用此法可容易、迅速地定出分子振动的固有频率，并判断分子的对称性、内部作用力及研究相关分子动力学问题。拉曼光谱已成为光谱学的一个重要分支，有了激光后，光强达到一定值，还可出现受激拉曼散射等非线性效应。还有布里渊散射）662024/9/5672024/9/55 5 非金属材料的透光性非金属材料的透光性反射、折射、散射、二次反射反射、折射、散射、二次反射强强度度为为I I0 0的的光光线线从从介介质质1 1（假假设设为为空空气气或或真真空空）垂垂直直入入射射到到厚厚度度为为x x的的材材料料（介介质质2 2）中中，射射出出，至至少少有有四四次次能量损失能量损失682024/9/5第一次反射损失R为反射率，n为介质2的折射率。所以进入介质2的光强度为I0(1-R)，经吸收和散射后其能量损失 E23=I0(1-R)1-e-(+S)x 其中和S分别为介质2的吸收系数和散射系数。光线到达介质2的右表面的强度只有I0(1-R)e-(+S)x二次放射的能量损失 E4=I0R(1-R)e-(+S)x 传出介质2的透射光强度只有I=I0(1-R)2e-(+S)x此时的I/I0才是近似的透射率忽略了多次反射后形成的透射光略低于实际测得的透射率692024/9/5影响透射率的因素影响透射率的因素吸收系数、散射系数和反射率都影响透射率。非金属材料吸收系数较低，对透射率影响不大。其透射率的主要因素是散射系数。宏观和微观缺陷，如第二相粒子、夹杂物、气孔、孔洞等在相界面产生散射。气孔和孔洞气孔和孔洞与基体的相对折射率大，引起的散射损失大。一般陶瓷材料的气孔直径大约为1m，用特殊的工艺消除大尺寸气孔，使气孔直径减小到 0.01m的数量级，散射系数可降低三个数量级以上，得到透明陶瓷。702024/9/5多晶材料晶粒的取向差多晶材料晶粒的取向差 常光折射率n0和非常光折射率ne相差越大，散射越严重。例如：-Al2O3（刚玉），n0和ne分别为1.760和1.768，计算出晶界反射率R=5.1410-6经过多次反射，晶界散射引起的损失也不大可制成透光率很高的耐高温灯管。金红石晶体，n0和ne分别为2.854和2.567，晶界反射率R=2.810-3。如果平均晶粒直径为3m，厚度为3mm，可算出透过率只有(1-R)1000=0.06不透光。712024/9/5提高透光性：用高纯原料，既防止异相的生成增大散射，又防止杂质能级提高吸收率；掺杂微量成分降低气孔率，并形成与主晶相折射率相近的固溶体降低散射。例：向Al2O3中加少量MgO、Y2O3、La2O3等。用热压、热煅、热等静压等工艺方法降低气孔率 降低透光性（不透明，乳浊态）：生成尺寸与入射光波长相近、体积分数大、与基体折射率相差大的颗粒。例：向硅酸盐玻璃中加入TiO2、SnO2、ZrO2、ZrSiO4等乳浊剂颗粒，加入气孔，加入NaF、CaTiSiO5、As2O5等乳浊剂在玻璃中结晶析出细小颗粒搪瓷釉。适当调整半透明陶瓷改变透射率的方法改变透射率的方法722024/9/5不不透透明明材材料料的的颜颜色色由由反反射射光光的的波波长长决决定定，透透明明材材料的颜色由透射光波长决定。料的颜色由透射光波长决定。 6 6 非金属材料的颜色非金属材料的颜色 绿绿色色玻玻璃璃：不不同同比比例例的的各各颜颜色色光光的的混混合合光光谱谱决决定定透透射射光光的的波波长长绿色绿色732024/9/5蓝宝石：氧化铝单晶蓝宝石：氧化铝单晶红宝石：掺杂有少量红宝石：掺杂有少量CrCr2 2O O3 3的氧化铝单晶的氧化铝单晶对对各各波波长长的的光光的的透透射率相近，无色射率相近，无色禁禁带带中中引引入入Cr3+杂杂质质能能级级，对对蓝蓝紫紫光光和和黄黄绿绿光光吸吸收收强强，透透射射的的混混合合光光谱谱呈呈红色红色742024/9/5对陶瓷、玻璃、搪瓷、水泥等无机材料，通常采用分子着色剂和胶体着色剂改变其颜色。分子着色剂：分子着色剂：加入不同的离子在基体材料的禁带中形成杂质能级而选择性吸收某些波长的光。例：Co2+呈蓝紫色，Cu2+呈蓝绿色，Cr3+呈现鲜艳的紫色，CrO42-呈黄色，MnO4-呈紫色。改变颜色的方法改变颜色的方法胶体着色剂：胶体着色剂：胶体金、银、铜等金属着色剂（颜色随粒径改变，如胶体金粒径小于20nm弱黄色，2050nm红色，100150nm透射呈蓝色，反射呈棕色）。非金属胶体着色剂如硫硒化镉。在不同温度和气氛下烧制陶瓷可能形成不同的氧化物，改变颜色“窑变”，绚丽多彩752024/9/510. 2 10. 2 材料的发光和激光材料的发光和激光(Luminescence of materials (Luminescence of materials and laser)and laser)10. 2. 1 10. 2. 1 发光和热辐射发光和热辐射 (Luminescence and heat radiation)(Luminescence and heat radiation)762024/9/5772024/9/5思考：发光的根源是什么？思考：发光的根源是什么？782024/9/5发光：激发态电子衰变回低能级同时发出可见光的现象激发原因：热激发，高能辐射如X射线、紫外光照射、电子轰击等，短波长的可见光。 热激发：温度升高从红外线到白炽光白炽灯，辐射式温度计普通物理发射冷光，即在低温下发光。荧光灯、阴极射线管、荧光屏、X光闪烁计数器、公路夜视路标、夜光仪表等。不同应用场合需要不同的冷光余辉时间。例如夜视路标需要长余辉，而电视荧光屏的余辉时间过长则会产生影像重叠。792024/9/51. 概述材料以某种方式（射线、高能粒子、电子材料以某种方式（射线、高能粒子、电子束、外电场等激发）吸收能量之后，将其束、外电场等激发）吸收能量之后，将其转化为光能即发射光子的过程。转化为光能即发射光子的过程。802024/9/581 物体发光(辐射)可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类。A、平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光就属于平衡或准平衡辐射;B、非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的热平衡态，非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的热平衡态，继而发出的辐射。继而发出的辐射。2024/9/5施加能量对材料进行激励，将固体中的电子能量提高到“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。物理机制辐射跃迁发光非辐射跃迁发热电子 + 空穴 光822024/9/583固体发光的微观过程可以分为两个步骤固体发光的微观过程可以分为两个步骤: :第一步，对材料进行激励，即以各种方式输人能量，将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激发激发态”;第二步，处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发发射射光子。如果材料存在多个低能态，发光跃迁可以有多种渠道，那么材料就可能发射多种频率的光子。2024/9/5按激励方式不同，可分为：电致发光(EL)阴极射线发光(CL)光致发光(PL)通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光。通过对绝缘发光体施加强电场导致发光，或者从外电路将电子(空穴)注入到半导体的导带(价带)，导致载流子复合而发光。利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程。842024/9/5荧光粉磷光体宽带隙半导体常见的发光材料：半导体绝缘体、陶瓷852024/9/5常用光源种类热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器蜡烛、火把、白炽灯等汞灯、氙灯等半导体发光二极管等862024/9/52.评价材料发光的主要参数发光强度、颜色吸收波长发光寿命发光效率87发射光谱激发光谱瞬态荧光光谱积分球附件2024/9/5 发射光谱在一定的激发条件下发射光强按波长的分布；反映了固体能带的精细结构；反映了从高能级始发的向下跃迁过程；通过比较发光强度的变化可得到淬灭相关的信息。 Y2O3S:Tb3+的线状发射光谱 光、电或电子束等882024/9/5发射光谱类型光致发光谱（PL谱）电致发光谱（EL谱）阴极射线发光谱（CL）EL谱PL谱CL谱892024/9/5光致发光类型荧光荧光随入射光辐照立即产生，入射光停止则立即终止。余辉时间 10-8 s902024/9/5荧光和磷光荧光：电子直接跃迁，寿命荧光：电子直接跃迁，寿命10108 8 s s磷光：电子间接跃迁磷光：电子间接跃迁激发后发光强度会逐渐降低，满足激发后发光强度会逐渐降低，满足另一种发光模式为磷光，是主要研究对象另一种发光模式为磷光，是主要研究对象最初人们很难区分荧光和磷光，最初人们很难区分荧光和磷光，16581658年年CelliniCellini最早记最早记录到磷光现象录到磷光现象912024/9/5磷光体：激发停止后一段时间内能发光的复杂晶体无机物质磷光体：激发停止后一段时间内能发光的复杂晶体无机物质激发源激发源实用磷光实用磷光体特征：体特征：u高效高效u希望的反光颜色希望的反光颜色u适当的余辉时间适当的余辉时间u与集体的结合力强与集体的结合力强u紫外光紫外光u电子电子uX X射线射线磷光体组成：基体激活体磷光体组成：基体激活体1.1.黑白电视荧光剂黑白电视荧光剂（阴极射线管激发源是电子，发光无颜色）2.2.荧光灯：荧光灯：汞惰性气体 单色紫外辐射 激发荧光剂发光3.3.阴极射线管阴极射线管(激发源电子能量非常高)4.4.雷达扫描显示器雷达扫描显示器（Zn2SO4Mn，黄绿色光）5.5.长余辉磷光体长余辉磷光体（夜间路标）92 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的波长而变化的曲线。 Y Y2 2SiOSiO5 5:Eu:Eu3+3+部分高分辨率的激发光谱部分高分辨率的激发光谱 只能通过荧光光谱仪测得，简称PLE谱。932024/9/5ZnO纳米棒阵列的PLE谱意义： 研究ZnO绿光发射的起源； 研究掺杂对能带结构的影响； 研究固体能带的精细结构。942024/9/5激发光谱与吸收光谱的异同相似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。激发光谱和吸收光谱都是反映材料中从基态始发的向上跃迁的都能给出有关材料能级和能带结构的有用信息。不同但是有的材料吸收光之后不一定会发射光，就是说它可能把吸收的能量转化为热能而耗散掉，对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上得到反映的。通过激发光谱的分析可以找出采用什么波长进行光激励最为有效。952024/9/5 发光寿命 定义：发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。定义：发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。设某时刻共有n个电子处于激发态，则在dt 时间内损失的电子数目为：解微分方程得到：相应地，光强也以相同的规律衰减：于是，定义发光寿命为光强衰减到初始值光强衰减到初始值I I0 0的的1/e1/e所经历的时间。所经历的时间。962024/9/5荧光寿命（ps数量级）ZB-InP/WZ-InP纳米线异质结构的带边PL发射的时间衰减曲线。量子限域效应有利于促进电子空穴分离，提高激子发射寿命。提高了近2个数量级972024/9/5超长余辉 应用于夜光钟表字盘、紧急照明等场合长余辉 0.11s中余辉 1100 ms中短余辉 10-21 ms短余辉 110 s 应用于计算机终端显示器等。超短余辉余辉时间余辉时间：从激发停止时的发光强度I0衰减到I0/10的时间。 1 s 1 s982024/9/5 发光效率量子效率功率效率（能量效率）光度效率（流明效率）可分为：内量子效率、外量子效率当光子入射到材料表面时，被吸收的那部分光子会激发材料产生电子空穴对，形成电流，此时收集到的电子与被吸收的光子之比，就是内量子效率。 产生的电子数与所有入射的光子数之比，称为外量子效率。内量子效率一般要高于外量子效率。992024/9/5IPCE/QE测试系统用途：测试太阳能电池的内量子效率。内量子效率测试结果Incident Photon to Charge Carrier/ Quantum efficiency1002024/9/53.材料发光的主要形式分立中心发光分立中心发光热辐射发光热辐射发光复合发光复合发光激光激光1012024/9/5 分立中心发光发光材料除了要有合适的基质作为主体外，还要选择掺入微量杂质作为“激活剂”，如稀土离子。这些微量杂质一般被用来充当发光中心，有些也被用来改变发光体的导电类型。稀土发光材料基质：晶体，如ZnS, NaGdO2, Y2O3等发光中心：三价稀土离子，如Eu3+ Ce3+等1022024/9/5发光中心与晶体点阵的组合类型发光中心基本上是孤立的，其发光光谱与自由离子很相似；发光中心受基质点阵电场(晶格场)地影响较大，这时必须把中心和基质作为一个整体来分析。 晶格场影响光谱结构 晶格场影响光谱的相对强度 晶格场影响发光寿命晶格场对发光离子的影响1032024/9/5稀土发光材料类型光致发光 以紫外光或可见光激发阴极射线发光 以电子束激发X射线发光 以X射线激发电致发光 以电场激发1042024/9/5稀土发光材料发光原理其中，M表示基质晶格； A和S为搀杂离子；并假设基质晶格M的吸收不产生辐射。基质基质发光中心发光中心激励源激励源1052024/9/5基质晶格M吸收激发能，传递给搀杂离子，使其上升到激发态，它返回基态时可能有以下三种途径： 以热的形式把激发能量释放给邻近的晶格，称为“无辐射弛豫”，也叫荧光猝灭； 以辐射形式释放激发能量，称 “发光” ； S将激发能传递给A，即S吸收的全部或部分激发能由A产生发射而释放出来，这种现象称为“敏化发光”，A称为激活剂激活剂，S通常被称为A的敏化剂。1062024/9/5物质被加热到较高温度，电子受热激发到高能级，然后跃迁到低能级而发光。发光与温度有关，强度分布决定于温度，辐射为连续谱。 热辐射发光 太阳是我们最大的热辐射光源 烧红的石头 白炽灯泡（发光效率低，已经逐渐被淘汰）1072024/9/5108 复合发光与分立中心发光最根本的差别在于，复复合合发发光光时时电电子子的的跃跃迁迁涉涉及及固固体体的的能能带带。由于电子被激发到导带时在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，便以光的形式放出能量。这种发光过程就叫复合发光。复合发光所发射的 光 子 能 量 等 于 禁 带 宽 度(Eg=hv)。通常复合发光采用半导体材料，并且以掺杂的方式提高发光效率。 复合发光2024/9/5半导体发光二极管利用半导体PN结将电能转化为光能的一种器件。109多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差P P P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区越强，而漂移使空间电荷区变薄。变薄。变薄。变薄。 扩散的结果使空间电扩散的结果使空间电荷区变宽。荷区变宽。+形成空间电荷区形成空间电荷区PN结物理机制示意图2024/9/5正向偏压使 pn 结形成一个增益区：导带主要是电子，价带主要是空穴，实现了粒子数反转大量的导带电子和价带的空穴复合，产生自发辐射光pn外加正偏压 注入载流子 粒子数反转 载流子复合发光PN结发光原理1102024/9/5光发射的测量与分析：荧光光谱仪激发源也可为激光，特点是可微区分析。1112024/9/5应用领域半导体、特种陶瓷、有机物等领域探测纳米材料的量子尺寸效应探测纳米材料的表面态、缺陷态效应基本功能： 简单读数 发射光谱扫描 激发光谱扫描 荧光寿命测定（瞬态）1122024/9/5激光与一般的光不同的是纯单色，具有相干性，因而具有较大的能量密度。名称：激光 laser定义：由受激发射的光放大产生的辐射。Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation113材料的受激辐射和激光2024/9/5梅曼和第一只激光器（梅曼和第一只激光器（19601960年年）红宝石激光器利用一个高强闪光灯管，来刺激红宝石。由于红宝石其实在物理上只是一种掺有铬原子的刚玉，所以当红宝石受到刺激时，就会发出一种红光。在一块表面镀上反光镜的红宝石的表面钻一个孔，使红光可以从这个孔溢出，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到比太阳表面还高的温度。 1142024/9/51960年，世界上第一个红宝石（Al2O3：Cr3）为工作物质的固体激光器研制成功，使得光学的发展进入了一个新的发展阶段。1962年，即仅比国外迟一年，就研制出了掺钕硅酸盐激光玻璃，在我国建立了第一台钕玻璃激光器。1964年，干福熹利用掺钕磷酸盐和亚磷酸盐玻璃，在国际上首先获得激光不仅建立了我国第一个光学玻璃试制基地和耐辐射光学玻璃系列，而且研究建立了激光钕玻璃系列，并在此基础上建立了完整的无机玻璃性质的计算体系，获得了国际玻璃协会的终生成就奖1152024/9/51162024/9/5产生激光的条件受激辐射需要达到一定的能量阈值，使粒子数反转。激活介质能够对受激发射进行放大，又称为增益介质。介质需要进行激励才能称为激活介质，如光激励（光泵）。光学谐振腔需要达到一定的振荡条件。提供光的正反馈，限制光束方向。1172024/9/5激光和普通光源激光和普通光源受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，这意味着原来光信号被放大，这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。激光器把自然光转变为激光1182024/9/5119光与物质的作用 任何粒子的辐射光和吸收光的过程都是原子能级之间的跃迁过程 光与物质的相互作用有三种不同的基本过程：自发辐射受激辐射受激吸收这三种过程总是同时存在，紧密联系。2024/9/5受激辐射概念是爱因斯坦首先提出的(1917年)。普朗克于1900年用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，波尔在1913年提出原子中电子运动状态量子化假设爱因斯坦在此基础上, 研究了关于光与物质相互作用的问题,他明确指出,只有自发辐射和光吸收两过程,是不足以解释普朗克黑体辐射公式的,必需引入受激吸收过程的逆过程受激发射。、他把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程-自发发射自发发射, , 受激吸收受激吸收和受激辐射受激辐射, , 并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。四十年后，受激辐射概念在激光技术中得到了应用。1202024/9/5121自发辐射自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向低能级E1跃迁，同时放出能量为 的光子自发辐射的特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播，是非相干光。下图表示自发辐射的过程自发辐射122受激吸收受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子（能量）的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程光的受激吸收过程特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程光的受激吸收过程光的受激吸收过程123受激吸收跃迁速率与受激吸收系数从E1经受激吸收跃迁到E2具有一定的跃迁速率则有式中的 为外来光的光场单色能量密度，即受激吸收跃迁速率与外来光的光场单色能量密度成正比其他参数意义同自发辐射：n1为某时刻高能级E1上的原子数密度（即单位体积中的原子数），dn2表示在dt时间间隔内由E1受激吸收跃迁到E2的原子数，“”被去除表示E2能级的粒子数密度增加B12称为爱因斯坦受激吸收系数，简称受激吸收系数2024/9/5124受激辐射受激辐射：当受到外来的能量 的光照射时，高能级E2上的电子受到外来光的激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外来光子完全相同的光子。光的受激辐射过程光的受激辐射过程125受激辐射的特点当外来激励光子能量为高低两能级能量差 时，才能发生受激辐射受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同， 即：频率、位相、偏振和传播方向完全一样，因此受激辐射与外来辐射是相干的，换句话说外来辐射被“放大” 了光的受激辐射过程是产生激光的基本过程（受激辐射的光子与外来光子的特性完全相同可以在量子电动力学中得到证明）2024/9/5126自发辐射、受激辐射和吸收之间的关系某原子自发辐射产生的光子对于其他原子来讲是外来光子，会引起受激辐射与吸收，因此三个过程在大量原子组成的系统中是同时发生的。由此可讨论三个爱因斯坦系数之间的关系在处于热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统，由于是平衡状态，各能级上的原子数不变，辐射与吸收总数相等，从而可以建立三个爱因斯坦系数之间的关系2024/9/5127A21、B21、B12三个系数的关系在光和原子相互作用达到热平衡的绝对黑体空腔内的原子系统中，如果单色辐射能量密度为 ，则有如下关系式子的左边是与高能级上粒子数有关的辐射光子数，而右边是与低能级上粒子数有关的吸收光子数，即发射与吸收光子数相等达到热平衡的绝对黑体空腔内任何位置的光强都相等，理想空腔内壁反射率为1，黑体温度为常数T自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数2024/9/51281、受激辐射光与自发辐射光的区别受激辐射光是相干光，自发辐射光是非相干光。受激辐射光是相干光，自发辐射光是非相干光。2、造成两种辐射光区别的理论解释（1 1）量子电动力学的解释）量子电动力学的解释受激辐射是在外界辐射的控制下产生的，受激辐射光子与激励的入射光子是同一光子态的，具有相同的频率、相位、波矢、偏振态。大量原子在同一辐射场激发下产生同一光子态或同一光波模式的光子，因而是相干的。自发辐射不受外界辐射场的影响，是自发的，大量原子的自发辐射光子具有各自不同的频率、相位、波矢、偏振态，呈无规则、随几的分布。自发辐射光平均地分配到腔内所有的模式上，而不属于同一光子态或同一光波模式，因而是非相干的。2024/9/5129原子发光的经典电子论模型的解释原子发光的经典电子论模型的解释受激辐射对应于电子在外加电场作用下作受迫振荡时产生的辐射，受迫振荡产生的辐射的频率、相位、波矢、偏振态应与外加电场一致，即大量受激辐射光子的性质被外加的同一电场同步。因而是相干的。2024/9/5激活介质观察不到受激辐射 Why ？热平衡体系服从玻尔兹曼分布高能级原子密度低于低能级原子密度受激辐射产生的光子数与受激吸收的光子数之比等于高低能级粒子数之比受激辐射可以忽略1302024/9/5131 粒子数反转体系，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“激活介质”。 受激辐射光子的性质与人射光子完全一样，激活介质放大的结果，就能使特定频率、特定方向、使特定频率、特定方向、特定偏振态的光得到增强特定偏振态的光得到增强。当增益足以克服损耗时，即形成激光辐射。2024/9/5132光学谐振腔1.提供光的正反馈2.限制或选择光束的方向3.选择光的模式和振荡频率2024/9/5激光的产生过程可归纳为：激光的产生过程可归纳为：激励能源工作物质全反射镜部分反射镜激激光光产产生生工工作作物物质质光光子子放放大大及及振振荡荡其其它它粒粒子子的的受受激激辐辐射射偶偶然然的的自自发发辐辐射射粒粒子子数数反反转转外界激励光学谐振腔1332024/9/5激光器内部结构晶体腔：产生最原始的激光（包含YAG晶体，LED光源，电源）；全反光镜：使光完全反射回去，增大光强度；半反射镜：反射75%的光，只有满足一定线性，能量和波长的光才能通过，大约25%；Q-Switch：分X轴和Y轴，控制激光输出能量，得到能量较强，持续时间较长的光束；功率计：量测输出的激光能量大小；Shutter：控制激光输出的一个开关。全反光镜反光镜： （越75%）Q-Switch晶体腔功率计Shutter接光纤激光器外形1342024/9/5激光器内部分解图Q-Switch晶体腔半反镜光纤耦合器1352024/9/5Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation136THE END2024/9/5137/10/29