•   2 光学材料_材料科学_工程科技_专业资料。光学材料 Optical Materials ? 光是电磁波,其颜色由它们的波长?(单位:cm 或nm)决定 ——可见光的波长大约在400 ~ 700 nm之间。 ? 光速C等于波长?和频率?(单

      光学材料 Optical Materials ? 光是电磁波,其颜色由它们的波长?(单位:cm 或nm)决定 ——可见光的波长大约在400 ~ 700 nm之间。 ? 光速C等于波长?和频率?(单位:s–1)的乘积: C = ?? 2 3 ? 光学材料是用来制作光学零件的材料,如玻璃、 光学晶体、光学塑料等,包括: ? 光纤材料 ? 发光材料 ? 红外材料 ? 激光材料 ? 光色材料 4 一、发光材料 1. 概述 ? 发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光辐射 的过程 ? 光子是固体中的电子在受激高能态返回较低能态 时发射出来的 ? 当发出光子的能量在1.8 ~ 3.1 eV时,便是可见光 1.24 E (keV) ? h? ? h ? ? ? (nm) 5 c 6 平衡辐射和非平衡辐射 ? 光辐射有平衡辐射和非平衡辐射两大类: ? 平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有 关,又称为热辐射 ? 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 7 热辐射与温度的关系 8 发光材料(非平衡辐射)的晶格 ? 发光材料的晶格要具有结构缺陷或杂质缺陷,材 料才具有发光性能 ? 结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷,由其引起 的发光称为自激活发光 ? 如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格 中形成杂质缺陷,由其引起的发光叫激活发光 ——掺入的微量杂质一般充当发光中心,称激活剂。 ——实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。 9 ? 发光材料的化学成分表示形式:MR: A ? MR为发光材料的基质 ? A为激活剂 例如:ZnS: Cu 10 被激发和去激发可能的过程 ? 发光是去激发的一种方式,晶体中电子的被激发 和去激发互为逆过程 ——被激发和去激发可能在价带、导带和缺陷能级 中任意两个之间进行: ? 价带与导带之间 ? 价带与缺陷能级之间 ? 缺陷能级与导带之间 ? 两个不同能量的缺陷能级之间 11 材料发光的基本性质 1)发射光谱(颜色) ? 发射光谱是指在一定的激发条件下发射光强按波 长的分布 ——材料的发光光谱可分为下列3种类型: ? 宽带:半宽度100nm,如CaWO4 ? 窄带:半宽度50nm,如Sr2(PO4)Cl: Eu3+ ? 线S: Tb3+的线状发射光谱 ——这种材料由于同时可发绿色和蓝色光,常被选 作黑白电视显像材料。 13 2)发光强度 ? 发光强度是随激发强度而变的,通常用发光效率 来表征材料的发光能力 ? 发光效率也同激发强度有关 ——激发强度较大,一般不发光或发光很弱的材料 也可发出可觉察的光或较强的光。 14 ? 发光效率有三种表示方法: ? 量子效率:发光的量子数与激发源输入的量子数 的比值 ? 能量效率:发光的能量与激发源输入能量的比值 ? 光度效率:发光的光度与激发源输入能量的比值 15 3)发光寿命 ? 发光体在激发停止之后持续发光时间的长短称为 发光寿命(荧光寿命或余辉时间) ? 一般约 定,从 激发停 止时的 发光强 度 I0 衰减 到 I0/10的时间称为余辉时间 ? 发光最初分为荧光及磷光两种 ——当时对发光持续时间很短的发光无法测量,才 有这种划分法。 16 ? 固体吸收能量后,激发态的寿命极短,一般大约 仅10?8s就会自动回到基态而放出光子 ——这种发光现象称为荧光,撤去激发源后,荧光 立即停止,延迟发射 10?8 s ? 被激发的物质在切断激发源后仍能继续发光,这 种发光现象称为磷光 ——延迟发射 10?8 s 17 ? 根据余辉时间的长短可以把发光材料分为: ? 超短余辉: 1 ?s ? 短余辉:1~10 ?s ? 中短余辉:10?2~1 ms ? 中余辉:1~100 ms ? 长余辉:0.1~1 s ? 超长余辉: 1 s 18 发光材料分类 ? 根据发光的类型,可把发光材料分为: ? 光致发光材料 ? 阴极射线发光材料 ? 场致发光材料 ? 发光二极管 ? X射线发光材料 ? 等离子体发光 19 2. 光致发光材料 ? 光致发光是指通过较高能量的光辐射(如紫外光) 将材料中的电子激发到高能态从而导致发光 ——如可用于荧光灯的荧光粉,荧光粉涂在充满汞 的玻璃管内侧。 20 ? 早期的荧光粉是MgWO4与(Zn, Be)2SiO4: Mn2+ ? 1949 年,出现了锰、锑激活的卤磷酸钙荧光粉 3Ca3(PO4)2· Ca(F, Cl)2: Mn, Sb(卤粉) ? 量子效率较高、稳定性好、原料易得、价格便宜 ? 而且可以通过调整配方比例获得冷白、暖白和日 光色的输出 ——这些突出的优点使它一直沿用至今。 21 荧光灯发光原理 ? 电子轰击Hg使其激发 ? 受激Hg放出紫外线+激发 ? 处于激发态的Sb3+和Mn2+返回基态时发出光 ——二者的光谱范围都较宽,几乎遍及整个可见光 谱范围(一种白色光)。 22 发彩色光荧光粉 ? 发红光的荧光粉——Y2O3: Eu3+ ? 发绿光的荧光粉—— MgAl11O19: Ce3+, Tb3+ ? 发蓝光的荧光粉——BaMg2Al16O27: Eu2+ 23 长余辉发光材料 ? 长余辉发光材料是一种通过环境光激发出可见光, 而且在激发停止后仍可继续发光的物质 ——简称长余辉材料,又称夜光材料。 ? 常用的传统长余辉材料主要是硫化锌和硫化钙荧 光体 24 ——长余辉材料不消耗电能,但能把吸收的环境光 储存起来,在较暗环境中呈现出明亮可辨的可 见光,具有照明功能,可起到指示照明和装饰 照明的作用,是一种“绿色”光源材料。 25 3. 阴极射线发光材料 ? 阴极射线发光是在真空中从阴极出来的电子经加 速后轰击荧屏所发出的光 ——发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。 ? 使用阴极射线发光材料时应考虑它的亮度及影响 亮度的几个因素 ? 还必须考虑另外两个重要特性:发光颜色及衰减 ——如对于必须保证特定颜色的彩色电子束管,一 般要牺牲一定的亮度。 26 —— 飞点扫描管要求发光的上升及衰减都很快,约 < 10?7s ,从发光中心看, Ce2+可满足这个要求。 ——Y2SiO3: Ce、Y3A15O12: Ce及它们的混合物的余 辉约为10?7~10?8s。 27 ——雷达显示屏要求长余辉,一般采用双层屏。 ? 在电子束轰击下,电子束激发第一层材料ZnS: Ag, 发出短余辉的蓝光 ? 它再激发第二层材料(Zn,Cd)S: Cu, Al,发射长余 辉的黄光 28 —— 由于电子的能量在几千电子伏以上,所以除发 光以外,还产生X射线。 ——X 射线对人体有害,因而在显示屏的玻璃中常 添加一些重金属(如Pb),以吸收在电子轰击 下荧光屏所产生的X射线 阴极射线. 场致发光材料 ? 半导体材料在外电场作用下,出现发光的现象称 为场(电)致发光 ——场致发光材料是禁带宽度比较大的半导体。 ? 在这些半导体内场致发光的微观过程主要是碰撞 激发或离化杂质中心 31 ? 它在与金属电极相接的界面上形成一个势垒 ——电子从金属电极一侧隧穿到半导体的几率明显 增大,当电压提高时,几率进一步增大。 ? 电子进入半导体后随即被半导体内的电场加速, 动能增加 ——沿电场方向的整个自由程内,能量愈积愈高。 32 ? 当它与发光中心或基质的某个原子发生碰撞,它 就会将一部分能量交给中心或基质的电子 ——使它们被激发或被离化。 ? 前者,由于电子没有离开中心,当它从激发态跃 迁到基态时,就发射出光来 ? 后者,由于电子离开了中心,进入导带而为整个 晶格所有,电子与离化中心复合时,就发出光束 ——场致发光材料在交流电压或直流电压作用下都 可发光。 33 ? 直流场致发光材料本身就是一个可传导电流的半 导体,最常用的直流场致发光粉末材料有: ? ZnS: Mn, Cu,亮度约350 Cd/m2,发光效率为0.5 lm/W,发黄光 ? ZnS: Ag可以发出蓝光 ? (ZnCd)S: Ag可以发出绿光 ? 改变配比(ZnCd)S: Ag可以发出红光 34 ? 交流场致发光的效率较高,可达 15 lm/W ,场致 发光的研究和应用都以交流场致发光为主 ? 当前,薄膜场致发光材料最受人重视,它的机理 和粉末材料中的过程一样,只是它不需要介质 ? 而且可在高频电压下工作,发光亮度很高,发光 效率也高,而且寿命可达104 h以上 35 交流场致发光材料 场致发光显示屏 36 5. 发光二极管 ? 发光二极管( LED)是具有发光特性的半导体二 极管 ? 施加正向电压时,通过p-n 结分别把 n区电子注入 p区,p区空穴注入n区 ? 进入对方区域的少数载流子一部分与多数载流子 复合而发光 37 38 假设发光是在P区中发生 ? 注入的电子或者与价带空穴直接复合而发光 ? 或者先被发光中心捕获后,再与空穴复合发光 —— 由于复合是在少数载流子扩散区内发光的,所 以光仅在靠近PN结面数?m以内产生。 ? 除了这种发光复合外,还有些电子被非发光中心 (这个中心介于导带、价带中间附近)捕获 —— 而后再与空穴复合,每次释放的能量不大,不 能形成可见光。 39 ——发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大, 光量子效率越高。 40 发光二极管用材料应具有的特性 ? 发光在可见光区,Eg ≥ 1.8 eV,? ≤ 700 nm ? 材料容易作成n型及p型 ——常用的是同质结,也就是在p型及n型材料接触 面两侧是同一种基质。 ? 有效率高的发光中心或复合发光 ? 效率降到初始值一半的时间要大于105 h ? 材料要能生长成单晶,并能规模生产且价廉 41 发光二极管用主要半导体材料 42 ? LED和器件已实现红橙黄绿青蓝紫七彩原色的生 产和应用,并拓展到近红外和近紫外范围 ——如发红光的GaAsP,发绿光的GaP等。 43 ? LED的发光效率也提高上千倍:现使用 GaN 基材 料的二极管,可发出高亮度的白光 ——在20mA的电流下,发光强度达到2Cd,能作为 强光源使用。 44 发光二极管的应用 ? 发光二极管最有前景的用途是照明,具有高效、 节能、环保、寿命长、易维护等优点 ——以LED为主的半导体照明被誉为是人类照明史 上继白炽灯、荧光灯之后的又一次革命。 45 LED灯带 LED灯音频指示器 ? 发光二极管也可做成指示器和数字显示器 —— 用于计算机、广告、家用电器、车辆、交通信 号及类似的仪表的显示中。 46 ? LED电视实际上还是液晶电视,只是将液晶电视 中的CCFL背光灯管换成发光更稳定的二极管 ? 主要的优势是发光均匀、色彩更好、节能环保、 寿命更长 ? RGB-LED有助提升液晶电视的色域,可达105% 47 6. X射线激发发光材料 ? X射线发光材料是由X射线辐射而发光的材料 ——X 射线发光材料在发光材料中使用较早,而且 应用量很大。 ? X射线发光材料可使X光转换为可见光并显示成像 ——如它将X射线透过人体或物体后所形成的X射线 潜像转换成可见图像。 48 ——X 射线扫描及计算机配合组成断层分析系统, 也就是常说的CT系统。 49 X射线发光材料 ——X 射线发光材料的发光或起源于原子团,或起 源于掺杂离子的能级间的电子跃迁。 50 7. 等离子体发光 ? 等离子体发光是用气体放电方法产生发光的显示 技术 ? 等离子发光一般用氖气为基质,另外掺一些其他 气体,如氦气、氢气等 ——这类气体发光都是橙红色。 51 ? 现代显示技术趋向彩色化,人们求助于光致发光 ——即在放电管的近旁涂上了发光粉。 52 二、红外材料 ? 红外线同可见光一样都是电磁波,它的波长范围 很宽,从0.7~1000 ?m ——红外线按波长可分为三个光谱区: ? 近红外:0.7~15 ?m ? 中红外:15~50 ?m ? 远红外:50~1000 ?m 53 ? 红外线同可见光一样,具有波粒二象性 ——遵守光的反射和折射定律,在一定条件下产生 干涉和衍射现象。 ? 在0K以上,一切物体均可产生热辐射,除炽热物 体外,其他物体电磁波主要位于红外区域 ——这个特征对于军事观察和测定肉眼看不见的物 体具有特殊意义。 54 1. 红外辐射的三个规律 ? 基尔霍夫定律: ? 同温度物体红外发射能力正比于其红外吸收能力 ? 红外平衡状态时,物体吸收的红外能量恒等于它 所发射的红外能量 表明:若物体对某种波长的辐射有很强的吸收能力, 则它对这种辐射的发射能力也很强 推论:性能好的反射体或透明体,必然是性能差的 辐射体 55 ? 斯蒂芬-玻耳兹曼定律:物体辐射的红外能量密度 M与其自身的热力学温度T的四次方成正比: M ? ?T 4 ——可见,物体的温度越高,红外辐射能量越多。 ? ? :黑体的辐射常数,或称斯蒂芬 - 玻尔兹曼常数, 等于5.67 ? 10-8 W/m2· K4 ? M:单位面积发射的能通量(W/m2) 56 ? 维恩位移定律:物体的红外辐射能量密度大小, 随波长(频率)不同而变化 ——与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值 波长。 ——维恩通过大量实验得出了峰值波长和物体热力 学温度之间的关系: ?max ? T ? 2898 57 红外辐射能量密度曲线. 红外光学材料(透红外材料) ? 通常把可以透过红外辐射的介质称为红外光学材 料,一般透过率要求在50%以上 ——许多对可见光透明的介质,对红外辐射却是不 透明的。 ——用于制造红外仪器的部件,如红外探测器的窗 口、红外仪器光学系统的透镜和棱镜等。 ? 红外光学材料主要是晶体 ? 一部分玻璃及高分子材料也可作为透红外材料 59 几种红外光学材料的透过率 ——每种材料都对某些波长范围的红外线)单质晶体 ? 单质的锗、硅可作为红外光学材料 ? Si力学性能和抗热冲击性比锗好,温度影响也小 ? 但硅折射率高,使用时需镀增透膜 ——以减少反射损失。 61 (2)碱卤化合物晶体 ? 碱卤化合物晶体是一类离子晶体,如:LiF、NaF 、KCl、NaCl、KBr等,其特点: ? 熔点不高,容易生成大单晶 ? 具有较高的透过率和较宽的透过波段 ? 但容易受潮、硬度低、力学强度差 ? 应用范围受限 62 (3)碱土-卤族化合物晶体 ? 如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等,其特点: ? 具有较高的力学强度和硬度 ? 几乎不溶于水 ? 适合制作窗口、滤光片、基板等方面 ——其中MgF2具有高于90%的红外透过率,是较为 满意的导弹整流罩透红外窗口材料。 63 (4)氧化物晶体 ? 氧化物晶体如蓝宝石(Al2O3)、石英(SiO2)、 氧化镁(MgO)和金红石(TiO2)等 ——具有优良的物理和化学性质: ? 熔点高、硬度大 ? 化学稳定性好 ——作为优良的红外材料在火箭、导弹、人造卫星 、通讯、遥测等使用的红外装置中被广泛地用 作窗口和整流罩等。 64 (5)无机盐化合物晶体 ? 可作为红外透射光学材料使用的主要有SrTiO3、 Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等 ? SrTiO2单晶在红外装置中主要作浸没透镜使用 ? Ba3Ta4O15单晶是一种耐高温的近红外透光材料 65 (6)金属铊的卤化合物晶体 ? 如溴化铊(TlBr)、氯化铊(TlCl)、溴化铊-碘 化铊(KRS-5)和溴化铊-氯化铊(KRS-6) ——这类晶体具有很宽的透过波段且只微溶于水。 ——所以是一种适于在较低温度下使用的良好的红 外窗口与透镜材料。 66 (7)半导体晶体 ? 在半导体材料中,有些晶体也具有良好的红外透 过特性 ? HgCdTe材料是当前最重要的红外探测器材料, 可覆盖1~25 ?m的红外波段 ——是目前制备光伏列阵器件、焦平面器件的主要 材料。 ? ZnS和ZnSe两种晶体都具有较宽的红外透过波段 ——是作远红外导弹整流罩的候选材料。 67 (8)其他 ? 玻璃的光学均匀性好,易于加工成型、便宜;缺 点是透过波长较短,使用温度低于500℃ 红外光学破璃主要有以下几种:硅酸盐玻璃、铝酸 盐玻璃、镓酸盐玻璃、硫化合物玻璃等 ? 塑料也可做红外光学材料,但近红外性能较差, 多用于远红外,如聚四氟乙烯、聚丙乙烯等 68 3. 红外材料的用途 (1)红外辐射测量 ? 非接触温度测量——农业、渔业、地面勘察 ? 探测焊接缺陷 ? 微重力下热流过程研究 红外云图 69 (2)对能量辐射物的搜索和跟踪 空空红外制导导弹 干扰弹 70 71 (3)红外成像器件 ? 主动式红外成像系统(红外夜视仪):自带红外 光源,利用不同物体对红外辐射反射率不同成像 ? 优点:成像清晰、对比度高、不受环境光源影响 ? 缺点:易暴露,不利于军事应用 装有红外夜视仪的步枪 72 红外夜视图像 红外热成像系统 小图是可见光图像,大图是热图像 ? 被动式红外成像系统(红外热像仪):利用物体 自然发射的红外辐射 ——热图像再现了景物各部分温度和辐射发射率的 差异,能够显示出景物的特征。 73 红外成像的医学应用 74 (4)通信和遥控 优点: ? 抗干扰性好,也不干扰其他信息 ? 不易被人发现和截获,保密性好 缺点: ? 必须在直视距离内通信,传输距离短 ? 要求通信设备的位置固定 ? 点对点的传输连接,无法灵活地组成网络 75 USB接口红外通讯适配器 红外遥控器 76 三、固体激光材料 1. 光与原子的相互作用 ——1917年Einstein提出,光与物质的相互作用包括 受激吸收、自发辐射、受激辐射3种跃迁过程。 ? 受激吸收:固体吸收一个光子的过程,固体中粒 子的能级由E1跃迁到E2 ? 自发辐射:处于高能态的原子不稳定,在无外界 作用下,激发态原子会自发地向低能态跃迁 ——并发射一个光子,光子的能量为: h? = E2 ? E1 77 ? 受激辐射: ? 处于高能态的原子,受到一个具有能量等于两能 级间差值(h? = E2 ? E1)的外来光子的作用时 ? 从高能级跳到低能级,并发出与外来光子性质完 全相同的另一光子 ——从而实现一个光子变两个光子的光放大过程。 78 ——受激辐射发出的光子的显著特点是它与诱发光 子完全相同,不仅频率(能量)相同,而且发 射方向、偏振方向以及相位都完全一样。 79 ? 受激辐射中,一个入射光子作用的结果得到两个 状态全同的光子 ? 这两个光子再引起其他原子产生受激辐射 ? 这样继续下去,就能得到大量的特征相同的光子, 从而实现光放大 ——可见,在连续诱发的受激辐射中,各原子发出 的光频率、相位、偏振态和传播方向都相同。 ——因此这样的受激辐射的光是相干光。 80 2. 粒子数反转 ? 统计物理理论指出,在通常的热平衡状态下,原 子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律 ——即在温度T 时,原子处于能级Ei的数目为: Ni ? Ae N2 ?e N1 ? ? Ei kT ? 因此,处于E1和E2的原子数之比为: E2 ? E1 kT ? 室温T = 300K,设E2 ? E1 = 1eV,得N2/N1 ? 10?40 81 ? 说明在正常状态下,处于高能态的原子数远小于 处于低能态的原子数,这种分布称为正常分布 ——光通过正常分布的物质时,受激吸收过程较受 激辐射过程占优势,不可能实现光放大。 ? 要使受激辐射胜过受激吸收而占优势,必须使处 在高能态的原子数大于低能态的原子数 ——这种分布与正常分布相反,称为粒子数反转。 ——实现粒子数反转是产生激光的必要条件。 82 3. 激光的特点 ? 用一个光子去激发位于高能级的电子或离子,使 之放出光子,则受激发射产生的光就是激光 ? 如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子 都处于激发状态 ? 再用外界光感应,使所有处于激发状态的原子和 离子几乎同时受激发射而回到低能态 ? 这将发出强大的光束 ——因而激光具有强大的能量密度。 83 ? 激光较普通光具有如下突出特点: ? 单色性 ? 相干性极好 ? 方向性极好 ? 亮度极高 84 4. 激光器工作原理 ? 抽运过程:在外界能源(电源或光源等)的激励 下,使基态上的粒子跃迁到激发态的过程 ? 粒子数反转:当亚稳态上的粒子数多于基态上的 粒子数时,实现了粒子数的反转 ? 受激辐射:当由于某种原因使粒子从激发态跃迁 到基态时,频率为? =(E2?E1/h)的光就被放大 ——激光产生。 85 三能级系统 ——亚稳态能级更好地为粒子数反转创造条件。 86 亚稳态能级和受激辐射 ? 原子中可能存在这样一些能级,一旦电子被激发 到这种能级上,由于不满足跃迁的选择规则,使 它在这种能级上的寿命很长,不易发生自发跃迁 到低能级上,这种高能态能级称为亚稳态能级 ? 根据爱因斯坦的受激辐射理论,处在亚稳态能级 的电子在外来光子的诱发和刺激下可以使其迅速 跃迁到低能级,并放出光子 87 激光器的组成——三要素 ? 工作物质:又称激光晶体,由基质晶体与激活离 子组成 ——激活离子的作用在于提供亚稳态能级。 ? 泵浦:激励能源,实现粒子数反转 ? 光学谐振腔:两个高度平行的镀银面之间形成的 空间 88 光学谐振腔 ? 在实现粒子数反转的工作物质内,初始诱发工作 物质原子发生受激辐射的光子来源于自发辐射 ? 而原子的自发辐射是随机的,因而在这样的光子 激励下发生的受激辐射也是随机的 ——所辐射的光的相位、偏振态、频率和传播方向 都互不相关,也是随机的。 89 光学谐振腔 (两个高度平行的镀银面之间形成的空间) 90 5. 红宝石激光器(三能级系统) 工作物质:红宝石——?-Al2O3(含0.05%Cr3+), Cr3+离子提供产生激光所必要的电子能态。 红宝石激光器的组成 ? 将红宝石制成柱状,两端为高度抛光互相平行的 平面 ? 一个端面部分镀银,能部分透光;另一端面充分 镀银,使之对光波有完全反射作用 ? 在激光管内,用氙气闪光灯辐照红宝石 91 ——红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质。 92 激光产生过程 ? 外部激励:用氙气闪光灯(波长560nm)照射红 宝石,其中Cr3+离子中的电子受激转变为高能态 ——实现粒子数反转。 ? 许多电子返回基态时先在亚稳态(中间能级)停 留较长时间 ? 当少数电子自发地从亚稳态返回基态时,带动更 多电子以“雪崩”形式返回基态 ——从而发射出愈来愈多的同频光子。 93 ? 通过反射作用得到高度准直的相干波——激光 ? 平行于红宝石轴运动的光子部分透过半反射镜, 部分被半反射镜反射回来 ? 光波沿红宝石轴向来回传播,强度越来越强 ——从半反射镜出来的是高度准直的高强度相干波, 波长694.3 nm,单色光。 94 6. 激光材料 ? 生产激光系统最重要的是激光工作物质,可分为: 固体、液体和气体激光工作物质 ——固体激光器是最重要的一种,它不但激活离子 密度大,振荡频带宽并能产生谱线窄的光脉冲, 而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。 95 (1)晶体激光材料 ——按照组成分类,激光晶体又可分为: ? 掺杂型激光晶体:掺杂型激光晶体由激活离子和 基质晶体两部分组成 ? 自激活激光晶体 ——绝大部分激光晶体是含有激活离子的荧光晶体。 96 1)激活离子 ——现有的激活离子主要有四类: ? 过渡族金属离子 ? 三价稀土离子 ? 二价稀土离子 ? 锕系离子 ——常用的是前两类,如下表所示。 97 金属激活离子 离子 3d壳层 电子数 离子半 径/nm 离子 Ti4+ 1 0.067 Pr3+ V2+ 3 0.079 Nd3+ Cr3+ 3 0.062 Sm4+ Mn2+ 5 0.065 Eu3+ Fe3+ 6 0.064 Dy4+ Co2+ 7 0.065 Ho3+ Ni2+ 8 0.069 Er3+ Cu2+ 10 0.096 Tm4+ Yb3+ 4f壳层 电子数 离子半 径/nm 2 0.114 3 0.112 5 0.109 6 0.107 9 0.103 10 0.102 11 0.100 12 0.099 13 0.098 98 2)基质晶体 三类:氧化物、含氧金属酸化物和氟化物 氟化物和复合氟化物晶体:如 CaF2 、 BaF2 、 MgF2 、 SrF2、MnF2、ZnF2等 ? 早期研究的激光晶体材料 ? 氟化物熔点较氧化物晶体要低,晶体生长相对而 言较容易 ? 它们大多需在低温下工作,因而现在较少应用 99 含 氧 金 属 酸 化 物 晶 体 : 如 CaWO4 、 SrWO4 、 CaMoO4、SrMoO4、LiNbO3等晶体 ? 这类材料是较早研究的激光晶体材料之一 ? 均以三价稀土离子为激活离子 ? 掺杂时需要考虑电荷补偿问题 100 氧化物和复合氧化物晶体:如 Al2O3, Y2O3, La2O3, Gd2O3 ; Y3Al5O12(YAG), Gd3Al5O12(GAG), Ho3Al5O12(HAG), Y3Ga5O12(YGG) ? 通常熔点高、硬度大 ? 物理化学性能稳定 ? 掺入三价激活离子不需要电荷补偿 ? 研制最多、应用最广 101 红宝石激光晶体 Nd: YAG激光晶体棒 ——Al2O3、Y3Al5O12(YAG,钇铝石榴石)等氧化 物晶体已获得较为广泛的应用。 102 (2)激光玻璃 ? 玻璃中激活离子的发光性能不如在晶体中的好, 如荧光谱线较宽、受激发射截面较低等 ? 激光玻璃储能大,基质玻璃的性质可按要求在很 大范围内变化,而且制造工艺成熟、价格便宜 ——因而,激光玻璃在高功率激光系统、纤维激光 器以及其他重复频率不高的中小激光器中得到 广泛的应用。 103 1)激活离子 ? 由于基质玻璃配位场的作用,使极大部分3d过渡 金属离子在玻璃中实现激光的可能性较少 ? 而稀土离子由于5s和5p外层电子对4f电子的屏蔽 作用,使它在玻璃中仍保持与自由离子相似的光 谱特性,容易获得较窄的荧光 ——因此,激光玻璃中激活离子是以Nd3+离子为代 表的三价稀土离子。 104 2)基质玻璃 硅酸盐激光玻璃: ? Nd3+ 离子在硅酸盐玻璃中发光量子效率高,荧光 寿命较长 ? 硅酸盐玻璃化学稳定性好 ? 机械和热机械性能优越,制造工艺成熟 ——这些特点使掺钕硅酸盐玻璃成为最早的并适于 工业生产的激光玻璃。 105 磷酸盐激光玻璃: ? 掺钕磷酸盐玻璃 具有受激发射截面大、发光量子 效率高和非线性折射率低等优点 ? 通过调整玻璃组成还可获得折射率温度系数为负 值、热光稳定的玻璃 —— 典 型 的 体 系 有 BaO-Al2O3-P2O5 和 K2O-BaOP2O5等,它们已用于高功率激光系统中。 106 氮化物激光玻璃: ? 氮化物玻璃具有较强的离子键性,基质对激活离 子的作用较小 ? 发光量子效率高 ? 激活离子的发光特性与离子晶体较接近 107 氟化物激光玻璃: ? 氟铍酸盐玻璃光学性能十分优异,但其剧毒,这 给氟铍酸盐的玻璃制备和加工带来很大的因难 ? 氟锆酸盐玻璃是一种超低损耗红外光纤材料,在 中红外区具有高的透过率 108 ? 近年来,氟锆酸盐玻璃作为纤维激光器工作物质 得到了很大的发展 ? Nd3+ 、 Er3+ 、 Tm3+ 、 Ho3+ 等稀土离子在氟锆酸盐 玻璃光纤中都获得了激光输出 ? 在某些波段还可实现可调谐激光输出 109 (3)半导体激光材料 ? 受激辐射的激发方式主要有三种:光辐照、电子 轰击和向p-n结注入电子 ——其中p-n结注入电子是半导体产生激光的重要方 式。 ? 半导体激光器是固体激光器中重要的一类,又称 激光二极管 ——它是利用少数载流子注入产生受激发射的器件。 110 半导体激光器的基本结构 ——这类激光器的特点是体积小、效率高、运行简 单、便宜。 111 7. 激光应用 激光指示(如激光笔) 112 激光炮 激光加工 ——激光加工技术 是利用激光束与物质相互作用的 特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、 焊接、表面处理、打孔、微加工以及做为光源, 识别物体等的一门技术。 113 四、光色材料 ? 材料受光照射着色,停止光照射后又可逆地褪色, 这一特性称为材料的光色现象(光致变色) ? 具有光色现象的材料称为光色材料 ——光色材料有多种,包括无机材料和有机材料, 这里只介绍光色玻璃。 114 光色玻璃 ? 根据照相化学原理制成的含卤化银的玻璃是一种 典型的光色材料,其成分: ? 以普通的碱金属硼硅酸盐玻璃的成分为基础 ? 加入少量的卤化银,如 AgI、AgCl、 AgBr或者它 们的混合物作为感光剂 ? 再加入极微量的敏化剂,如As、Se、Cu、Sb的氧 化物 ——加入敏化剂的目的是为了提高光色互变的灵敏 度,其中氧化铜特别有效。 115 照相化学原理 ? 普通照相底片上的AgBr经曝光后分解为Ag和Br ? 再经过显影、定影: ? Ag原子就成为影像而固定下来 ? Br则扩散逸出或被底片中的乳胶所吸收,溶于定 影液中 ——这使光学反应不可逆。 116 光色玻璃着色和褪色机理 ? 铝硅酸盐玻璃中引入卤化银,经过熔化、成型和 热处理后得到卤化银光色玻璃 —— 其中卤化银是以极小颗粒( 10~25nm )的晶体 存在。 ? 在紫外线或太阳光等短波长的光线辐照下,将引 起卤化银光分解,产生胶态银原子 ? 当银原子集中到一定程度,就形成Ag胶体 —— 银原子使玻璃在可见光区产生均匀光吸收而产 生着色变暗。 117 ——由于玻璃本身的惰性和不渗透性,一方面使Ag 原子不能在玻璃中自由行动,另一方面 Cl 原子 也跑不出去。 ? 当停止光辐照后,由于热或长波长的光的作用, 银原子与卤素再结合,又生成无色的卤化银 ——这就是光色玻璃着褪色可以可逆进行的原因。 118 nAg ? nX o o h? 2 (或Δ) h? 1 nAgX ? 当h?1 h?2时,反应向左边进行,此为着色过程 ? 当h?2 h?1或被加热时,反应向右边进行,称为 褪色过程 —— 在黑暗中及室温下,由于分子热运动,玻璃也 会缓慢褪色。 119 光色玻璃性能的调节 ? 改变感光剂的卤素离子种类和含量,就可以调节 使光色玻璃由透明变暗所需辐照光的波长范围: ? 仅含AgCl晶体的光色玻璃的光谱灵敏范围为紫外 光到紫光 ? 含 AgCl 和 AgBr 晶体,其灵敏范围为紫外光到蓝 绿光区域 120 ? 通过控制光色玻璃的制备中的热处理温度与时间, 可以控制玻璃中析出的卤化银颗粒的大小 ——从而也可以调节光色玻璃的光色性能。 121

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    2019-10-01 21:57
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