•   光学材料_物理_自然科学_专业资料。第七讲 光学材料 Optical Materials ?1 主要内容 ? 发光材料 ? 红外光学材料 ? 固体激光材料 ? 光色材料 ?2 前言 ? 光充满着整个宇宙,各种星体都在发光

      第七讲 光学材料 Optical Materials ?1 主要内容 ? 发光材料 ? 红外光学材料 ? 固体激光材料 ? 光色材料 ?2 前言 ? 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。 ? 我们生活在光的世界里,整天都在和光打交道,白天靠日 光,黑夜靠灯光,夜间在野外可能还要靠星光定方向。 ? 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 ?3 ? 自然界中存在一些天然或合成的光学材料,如我国的夜明 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,能在无光的环境下放出各种色 泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有,因而被视为人间 珍宝,其主要作用成了权力和财富的象征。 夜明珠 珍珠 猫眼石 ?4 ? 在春秋战国时期,墨子就研究了光的传播规律,接着出现了最古 老的光学材料—青铜反光镜。 ? 17世纪,瑞士人纪南成功地熔制出光学玻璃,主要用于天文望远 镜。随后,欧洲出现了望远镜和三色棱镜,人工制造的光学玻璃 成为主要光学材料。 ? 19 世纪和 20 世纪初是世界光学工业形成的主要时代,以望远镜 (包括天文望远镜和军用望远镜 )、显微镜、光谱仪以及物理光学 仪器(包括很多种医用光学仪器 )四大类为主体,建立了光学工业。 青铜镜 望远镜 ?5 ? 光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用。 ? 最简单的例子,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。 ? 工农业生产、科学研究和人类生活等需要使用显微镜、望 远镜、经纬仪、照相机、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。 ? 光学材料已成为社会必不可少的功能材料之一。 眼镜 望远镜 摄相机 ?6 ? 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、强度和位相,使光线按预定 要求传输,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 和光色材料等。 ? 光纤材料已在信息材料中介绍,主要介绍余下的几种光学 材料。 光学材料 ?7 1、发光材料 ?8 发光现象 ? 发光是物质将某种方式吸收的能量转 化为光辐射的过程,是热辐射外的另 一种辐射现象。 ? 光子是固体中的电子在受激高能态返 极光现象 回较低能态时发射出来的。当发出光 子的能量在1.8-3.1eV时,便是可见光。 ? 材料发光所需吸收的能量可从较高能 量的电磁辐射 ( 如紫外光 ) 中得到,也 可从高能电子或热能、机械能和化学 能中得到。 荧光现象 ?9 ? 发光材料是指吸收光照,然后转化为光的材料。 ? 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。所以制备发光材料采用合适的基质十分重 要。 ? 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 般都充当发光中心,称为激活剂。 ? 实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。 ?10 ? 材料发光时,吸收外界的能量,产生高能电子和空穴,它们经 过相互碰撞,又产生能量较低的电子及空穴。这个过程一直持 续下去,直到电子的能量降到和发光体禁带能量相匹配为止, 期间发出光子产生光。 自然极光 半导体发光 ?11 ? 发光的特征有三个: (1)发光材料的发光颜色彼此不同,都有它们各自特征。选用 不同的发光材料以得到各种发光颜色。已有发光材料的种类 很多,它们发光的颜色也足可覆盖整个可见光的范围。材料 的发光光谱可分为下列3种类型: ? 宽带:半宽度一100nm,如CaWO4; ? 窄带:半宽度一50nm,如Sr2(PO4)Cl:Eu3+; ? 线+。 ? 究竟一个材料的发光光谱属于哪一类,这既与基质有关,又 与杂质有关。 ?12 (2)发光的第二个特征是它的强度。 ? 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, ? 在激光未出现前,电子束的能量较高,强度也较大,所 以一股不发光或发光很弱的材料,在阴极射线激发下则 可发出可觉察的光或较强的光。激光出现后,因为激光 的强度可以>107W/cm2,在它激发下很容易引起发光。 ?13 (3)发光的第三个特征是发光持续时间。 ? 最初发光分为荧光及磷光两种。荧光是指在激发时发出的光, 磷光是指在激发停止后发出的光。 ? 瞬态光谱技术已经把测量的范围缩小到 1ps(10-12s)以下,最快的 脉冲光输出已可短到8fs(1fs=10-16s),荧光及磷光的时间界限已 不清楚。 ? 发光总是延迟于激发。 荧光现象 磷光夜明珠 ?14 ? 在应用中硬性规定当激发停止时的发光亮度从 J0 衰减到 J0 的10%时,所经历的时间为余辉时间。 ? 由此发光材料可以划分为6个范围: ? 极短余辉:<1μs; ? 短余辉:1-10μs; ? 中短余辉:10-2-1ms; ? 中余辉:1-100ms; ? 长余辉:0.1-1s; ? 极长余辉:>1s。 ?15 ? 自然界中很多物质都或多或少的可以发光。比较有效的发 光材料中有无机化合物,也有有机化合物;有固体、液体, 也有气体。 ? 从当代的显示技术所用的发光材料看,主要是无机化合物, 而且主要是固体材料,少数气体材料。 蝴蝶翅膀上的磷粉具有发光现象 磷光虾 ?16 ? 固体材料中,又主要是禁带宽度比较大的绝缘体,其次 是半导体。 ? 使用得最多的发光材料是粉末状的多晶,其次是单晶和 薄膜。 ? 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、 X 射线发光材料、场致发光材料、发 光二极管等。 荧光二极管 场致发光材料(ZnS:Cu,Mn) ?17 光致发光材料 ? 光致发光是指发光材料从较高能量的光辐射 ( 如紫外光 ) 中得到能 量,击发光子发光的现象, ? A)光致发光材料主要是荧光粉。早期的荧光粉是MgWO4与(Zn、 Be)2SiO4:Mn2+。将这两种荧光粉进行混合,可用于荧光灯中,涂 在充满汞的玻璃管内侧。汞在电场作用下放电产生紫外线,照射 到荧光粉上,荧光粉吸收紫外线的能量,将其转化为白光放出。 各色荧光粉 荧光灯 ?18 ? 发红光的荧光粉有 Y2O3 : Eu3+ ,它可满足作为发红光荧光粉 的所有条件, ? 发蓝光的含Eu3+荧光粉 ? 发绿光的离子是Tb3+。 Tb3+掺杂绿色荧光粉 蓝绿荧光粉末材料 ?19 ? B)蓄光型发光材料也是光致发光材料中的重要一种,它 更注意其发光的衰减规律和热释光性能。将蓄光型发光材 料可直接制成各种制品应用,如发光涂料、塑料膜板、纤 维、陶瓷和玻璃等。 稀土长余辉蓄光材料标示牌 ?20 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: 扫描仪中的阴极射线 阴极射线发光材料 材料组成 Zn2SiO4:Mn 发光颜色 绿 相对亮度 95% 10%余辉 /ms 30 用途 示波管 ZnS:Ag ZnO:Zn (Zn,Cd)S:Ag ZnS:Ag ZnS:Ag,Ni Zn(S,Se):Cu ZnS:Cu KMgF3:Mn ZnS:Ag ZnS:Ag,Cu Y2O3:Eu 紫蓝 青白 黄 蓝 蓝 黄绿 黄绿 橙 蓝 黄绿 红 95% 95% 95% 95% 95% 95% 95% 95% 95% 95% 95% 0.5 0.01 1 1 0.05 1 2 250 1 2 1 双层显示波管 飞点扫描管 黑白显像管 黑白显像管 照明记录示波管 红外变像管 示波管 雷达指示管 彩色显像管 示波管 彩色显像管 Y2O3S:Eu (Cd,Zn)S:Cu,Al 红 黄 95% 95% 5 1 彩色显像管 黑白显像管 ?22 ? 使用阴极射线发光材料时,除考虑它的亮度及影响亮度的几种因 素外,还必须选择另外两个重要特性,发光颜色及衰减。 ? 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。 ? 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。 倒车雷达显示屏 ?23 ? 阴极射线发光材料可用于制备阴极射线管,具有广泛的用 途。阴极射线管可大量用于制造彩色电视机的显像管,对 人们的生活造成巨大影响。阴极射线管还可用于示波器、 雷达以及特殊要求的显示屏。发光亮度高的阴极射线管则 可用于投影管、飞机上的平视仪及露天的大屏幕显示等。 投影管 舰用雷达显示屏 电视显像管 ?24 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致发光。 ? 在一面电极为透明导电玻璃的平板式电容器中,放进几十μm 厚的混有介质的发光粉,然后在两个电极之间加上约百伏的 电压,就可从玻璃一面看到发光。 场致发光材料 场致发光玻璃饰品 ?25 ? 场致发光材料在交流电压或直流电压作用下都可发光。 ? 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350Cd/m2, 发光效率为0.5lm/W; ? 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。 ? 近年来还试用在CaS、SrS等基质中掺杂稀土元素的直流场致发光材 料。 蓝色场致发光材料 黄色场致发光材料 红色场致发光材料 ?26 ? 交流场致发光的效率较高,可达15lm/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104h以上。 交流场致发光材料 发光材料 ZnS:Cu ZnS:Cu,Al 发光颜色 浅蓝 绿 发光光谱峰值/nm 455 510 ZnS:Cu,Mn (Zn,Cd) (S,Se):Cu 黄 橙红 580 650 ?27 发光二极管材料 ? 发光二极管是辐射光的半导体二极管。施加正向电压时, 通过pn 结分别把 n区电子注入 p 区,p 区空穴注入 n区,电子 和空穴复合发光,把电能直接转换成光能。 ? 发光二极管所用材料具有下述特性: ? 发光在可见光区,Eg≥1.8eV,λ≤700nm; ? 材料容易作成n型及p型; ? 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105h, ? 材料要能生长成单晶,并能规模生产且价廉。 发光二极管 ?28 ? 发光二极管和器件已经实现了红、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。 ? 发光二极管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。 各色发光二极管 作为强光源使用的发光二极管 ?29 ? 发光二极管最有前景的用途是照明。发光二极管照明具有 高效、节能、环保、寿命长、易维护等特点,被认为是进 入普通照明领域的一种新型固态冷光源。以发光二极管为 主的半导体照明被誉为是人类照明史上继白织灯、荧光灯 之后的又一次革命。 ? 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。 照明用发光二极管 ?30 X射线激发发光材料 ? 发光材料在 X 射线照射下可发生康普顿效应,也可吸收 x 射 线.它们都可产生高速的光电子。光电子又经过非弹性碰撞, 产生第一代、第三代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁 所需能量时,就可以发出光。 ? X射线发光材料可使X光转换为可见光,并显示成像。 ?31 ? 根据对发光材料的要求,参照在其他激发方式下发光材料 的性能,已研制出一系列X射线发光材料。 X射线发光材料 发光材料 CaWO4 ZnS:Ag ZnS,CdS:Ag CsI:Na 发光波峰/nm 420 450 538 410 发光效率/(lm/W) 3 17 20 19 BaSO4:Pb (Sr,Ba)SO4:Eu Ba3(PO4)2:Eu 350 380 375 4.5 8 1.5 Y2O3S:Tb La2O3S:Tb 380,410,420,550 490,544,588,620 18 12.5 ?32 ? X射线发光材料使用较早而且应用很大。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。这种图像 可以用肉眼直接观察,也可用胶片照相,还可用光电器件将 它转换成电信号后再处理。 ? 用于x射线远视及照相; ? 由x射线像增强器和电视组成的X射线显示系统; ? 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。 医用CT系统 ?33 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。 ? 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。 等离子体发光材料 ?34 2、红外光学材料 ?35 红外线 ? 红外线同可见光一样都是电磁波,它的波长范围很宽,从0.7μm到 1000μm。 ? 红外线按波长可分为三个光谱区:近红外 (0.7-15μm)、中红外 (1550μm)和远红外(50-1000μm) ? 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。 ? 除非炽热物体外,每种处于 0K以上的物体均发射特征电磁波辐射, 并主要位于电磁波谱的红外区域。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。 ?36 (1)红外材料 ? 红外材料是指能透过红外线,并对不同波长红外线具有不同 透光率、折射率及色散的材料。 ? 红外材料主要是晶体,包括碱卤化合物晶体、碱土-卤族化合 物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体及半导体晶体。一部分玻 璃及高分子材料也可作为红外材料。 ? A)单质晶体:单质的锗、硅可作为红外光学材料。Si的力学 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。 ?37 ? B)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、KBr等。特点:这类晶体熔点不高,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。 ? C )碱土 - 卤族化合物晶体:这类晶体如 CaF2 、 BaF2 、 SrF2 、 MgF2等,特点:这类晶体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,是较为满意的导弹镇流 罩透红外窗口材料。 ?38 ? D)氧化物晶体:Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物熔点高、 硬度大,化学稳定性好,是优良的红外材料。 A12O3 陶瓷不 只是透过近红外,而且还可透过可见光,其熔点高达2050℃, 稀有金属氧化是另外一类耐高温的红外光学材料,其中的代 表是Y2O3。它们大都属立方系,光学上是各向同性的,红外 散射损失很小。 ? E)无机盐化合物晶体:主要有SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2 等。Ba3Ta4O15是一种耐高温的近红外透光材料。金属铊的卤 化物晶体也是一类常用的红外光学材料,这类玻璃具有很宽 的透过波段,且只微溶于水,是一种适于在较低温度下使用 的良好的红外窗口和透镜材料。 ?39 ? F)半导体晶体:一些半导体晶体如 PbS 、 BbSe、 CdSe、 CdTe 、 InSe等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1-25μm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,是作远红外导弹镇流罩的候选材料。 ? 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。 ?40 (2)红外材料的用途 ? 红外光学材料主要应用于以下4个方面: 1)辐射测量、光谱辐射测量:如非接触温度测量.农业、渔 业、地面勘察,探测焊接缺陷,微重力下热流过程研究; 2)对能量辐射物的搜索和跟踪:如宇航装置导航,火箭、飞 机预警,遥控引爆管等; 红外测量 红外遥控 红外警报器 ?41 ? 3)红外成像器件,夜视仪器、红外显微镜等:用于红外光 学系统中的窗口、整流罩、透镜棱镜、滤光片、调制盘等, 可用于火山、地震研究,肿瘤、中风早期诊断,军事上的 伪装识别,半导体元件和集成电路的质量检查等; 军用红外夜视仪 红外窗口 红外显微镜 ?42 ? 4)通信和遥控:如宇宙飞船之间进行视频和音频传输, 海洋、陆地、空中目标的距离和速度测量,这种红外通 信比其他通信(如无线电通讯)抗干扰性好.也不干扰其他 信息,保密性好,而且在大气中传播,波长愈长,损耗 衰减愈小。 红外通讯适配器 手机红外通讯口 ?43 3、固体激光材料 ?44 (1)激光 ? 材料中的原子可处于不同能量状态。一个原子吸收外界能量后由 低能态跃迁到高能态的过程称为“激发”。 ? 处于高能态的原子是不稳定的,它可自发恢复到低能状态,并伴 随有光的发射,这一过程叫自发辐射。 ? 处于高能态的原子发生自发辐射以前,受到外来能量为 E2-E1的光 子的刺激作用,可从E2跃迁到E1,同时辐射出一个与外来光子同频 率、同位相、同方向、同偏振态的光子,这一过程称为受激辐射。 受激辐射 ?45 ? 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。 高能激光束 ?46 ? 激光较普通光具有三个突出特点: ? 高度的方向性、亮度高; ? 单色性好; ? 相干性好。 发射的激光束 ?47 ? 激光器由3部分组成:产生激光的物质,称为激光工作物质;激 光产生的激励装置(如红宝石激光器的激励装置是氙闪光灯 );供 激光放大的谐振腔。 ? 红宝石棒一端的镜子对所要求的波长激光几乎是 100%的反射, 另一端的镜子可让激光部分透过。正是激光束在两面平行的镜 子间来回反射,造成放大作用。 红宝石脉冲式激光器 ?48 (2)激光材料 ? 生产激光系统最重要的是激光工作物质。 ? 激光工作物质分为固体、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。 ? 固体激光工作物质又分为晶体和玻璃两种。 固体激光器 ?49 1)晶体激光材料 ? 绝大部分激光晶体是含有激活离子的荧光晶体。 ? 按照晶体的组成分类 : 它们又可分为掺杂型激光晶体和自激 活激光晶体两类,其中前者占现有激光晶体的绝大部分。 ? 掺杂型激光晶体由激活离子和基质晶体两部分组成。 掺杂激光晶体发射的激光束 ?50 ? A)激活离子:现有的激活离子主要有四类,它们是过渡族金属 离子、三价稀土离子、二价稀土离子和锕系离子,常用的是前两 类,如下表所示。 金属激活离子 离子 3d壳层 电子数 离子半 径/nm 离子 4f壳层 电子数 离子半 径/nm Ti4+ 1 0.067 Pr3+ 2 0.114 V2+ 3 0.079 Nd3+ 3 0.112 Cr3+ 3 0.062 Sm4+ 5 0.109 Mn2+ 5 0.065 Eu3+ 6 0.107 Fe3+ 6 0.064 Dy4+ 9 0.103 Co2+ 7 0.065 Ho3+ 10 0.102 Ni2+ 8 0.069 Er3+ 11 0.100 Cu2+ 10 0.096 Tm4+ 12 0.099 Yb3+ 13 0.098 ?51 ? B)基质晶体:基质晶体主要是氧化物、含氧金属酸化物和复合 氟化物三大类。 ? 氧化物和复合氧化物晶体:氧化物和复合氧化物基质晶体通常熔 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,是研制最多、应用最广的一类基质晶体,如 Al2O3 、 Y2O3 、 La2O3 、 Gd2O3 等。复合氧化物晶体有 Y3Al5O12(YAG) 、 Gd3Al5O12(GAG)、Ho3Al5O12(HAG)、Y3Ga5O12(YGG)等。 ? Al2O3 、 Y3Al5O12 ( YAG )等氧化物晶体已获得较为广泛的应用。 激光舞台应用 ?52 ? 含氧金属酸化物晶体: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。如CdWO4、SrWO4、CaMoO4、SrMoO4、 LiNbO4等晶体。 ? 氟化物和复合氟化物晶体:氟化物熔点较氧化物晶体要低, 晶体生长相对而言较容易,如CaF2、BaF2、MgF2、SrF2、 MnF2 、 ZnF2 等。它们大多需要在低温下工作,因而现在 较少应用。 ?53 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。 ? 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,而稀土离于由于 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。 ?54 ? 基质玻璃:玻璃中最早的激光输出是由在掺钕钡玻璃中实现 的。以后为寻找性能更好的激光玻璃,对几乎所有玻璃中 Nd3+离子的发光性质进行详细的研究。在此基础上,研制出 许多品种钕激光玻璃。 ? 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。 ? 稀土掺杂的石英光纤是另一类型的硅酸盐激光玻璃,除Nd离 子外,Er2+、Er3+、Ho3+、Tb3+等稀土离子在单模石英光纤中 都获得了激光输出。 ?55 ? 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-BaO-P2O5等。它们已 用于高功率激光系统中。 ? 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 光特性与离子晶体中较接近。 硅酸盐激光玻璃 ?56 ? 氟化物激光玻璃:主要是氟铍酸盐玻璃和氟锆酸盐玻璃。 氟铍酸盐玻璃光学性能十分友谊,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。近年来.它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。 ?57 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 ? 半导体激光器是固体激光器中重要的一类,又称激光二级管。 它是利用少数载流子注入产生受激发射的器件, ? 半导体激光器的典型结构如图所示。 GaAlAs 结注入电子,其中pn结注入电子是半导体产生激光的重要方式。 半导体激光器的基本结构 GaAs ?58 4、光色材料 ?59 ? 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。具有光色现象的材料称为光色材料。 光色材料 ?60 1)光色玻璃 ? 含有卤化银的玻璃是一种典型的光色材料。 ? 组成:它是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(锑)的氧化物)制成。 阳光照射后变色的光色玻璃 ?61 ? 卤化银光色玻璃是将照相化学原理移植到玻璃中的产物,但 却青出于蓝胜于蓝。 ? 普通的照相底片上的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 变的不可逆。 光致变色玻璃的生产 ?62 ? 在光色玻璃中,以极小颗粒存在的 AgCl 晶体经光照射后分解 为 Ag原子和Cl原子。 Ag原子使玻璃在可见光区产生均匀光吸 收而着色变暗,但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。 所以,光照结束后, Ag原子和 Cl原子又重新生成无色的 AgCl, 这就是光色玻璃着褪色可以可逆进行的原因。 光致变色玻璃镜片 ?63 ? 光色玻璃的性能可根据需要进行调节。 ? 改变光色玻璃中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幅照光的波长范围,如仅含 AgCl 晶体的光色玻璃的光谱灵敏范围为紫外光到紫光; 如含 AgCl 和AgBr 晶体,则其灵敏范围为紫外光到蓝绿光 区域。 ? 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。 ?64 2)光色晶体 ? 一些单晶体也具有光色互变特性。用白光照射掺有稀土 Sm (钐)、 Eu (铕)的 CaF2 单晶体时,能透过的光的波长为 500-550nm,绿光较多,晶体呈绿色;如果晶体用紫外光照 射一下,绿色就褪去,变成无色。如再用白色光照射,又会 变成绿色。 ?65 3)光存储材料 ? 光色材料一个重要的用途是作为光存储材料。 ? 主要是利用光色材料的颜色在光照下发生可逆变化, 从而产生两种形式的光学存储,即写入和擦除。读出 时用光照射光栅,光栅衍射以再现所存储的信息。 ? 光致变色存储材料已在信息材料中作了介绍,这里不 在赘述。 ? The End ?66

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    2019-10-01 21:57
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