第4章材料的光性能1.ppt

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1、第5章 材料的光学,5.1 光和固体相互作用 5.1.1 概论 5.1.2 光的吸收 5.1.3 光的散射 5.1.4 光的反射和折射 5.1.5 光的透射5.2 材料的发光5.4 光的传输-光纤,反射/镜子 反射-散射/颜色 散射/天空 绕过/隐形衣 全反射/光纤 发光/LED,激光 电光/LCD 红外线/夜视仪,LCD=liquid-crystal display,LED=Light Emitting Diode,引 言,400 760 nm范围内的电磁波可被人眼感受到，该波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉可见光对应的频率范围是：,=（7.6 4.0

2、）1014 HZ,760 630 600 570 500 450 430 400(nm),红 橙 黄 绿 青 蓝 紫,电磁波谱,透射系数：,吸收系数：,反射系数：,散射系数：,5.1 光和固体的相互作用,5.1.1 概论,1.宏观现象,镜面反射,慢反射,多重散射,2.微观机制,（1）光吸收+光损耗电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量E exp(iwt);-在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化；引起局域极化损耗，离域电阻损耗、极化滞后损耗等，造成吸收。-所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。电磁波的分量之一是迅速变化的磁场分

3、量H exp(iwt);磁性介质磁化损耗;正是因为介质的极化“拖住”了电磁波的步伐，使其传播 速度比真空中慢，导致折射产生。,（2）光发射 从量子力学看，电磁波的吸收和发射包含电子从一种量子能态转变到另一种量子能态的过程；吸光：材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与电磁波频率有关：E=h。发光：受激电子不可能无限长时间保持。在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波。,1）基本假设-组成介质的原子、分子内的带点粒子（电子、离子）被准弹性力保持在平衡位置附近，可比拟为弹簧振子，具有一定的固有振动频率；-在入射光辐照下，这

4、些带点粒子被光波的电场分量极化，从而发生受迫振动；-如果，受迫振动的频率(光频)与固有频率接近，发生光吸收，当二者相等时，发生谐振（最强）吸收。,1.微观机理模型,5.1.2 光的吸收,-Lorentz模型,电子极化,离子极化,2）模型建立 原子/分子 电偶极距：介质平均电偶极距（极化强度）：,-单位体积介质的原子数目,带电粒子的受迫振动方程,强迫力,回复力,阻尼,光场的电场分量,求解得,电极化率,储存,损耗,复折射率,相应的光强,光的传播,指数衰减,1.0,3）结果讨论,现象：光在材料中传播时，其强度呈指数衰减。,2.宏观唯象模型,朗伯特定律：,-介质对光的吸收系数,x,I0,I,布格定律,

5、3.吸收与波长的关系,取决于介质材料的性质和光的波长，如图1示。（参书上图4.9）P152,1）可见光区,金属和半导体的吸收系数都很大，电介质材料的很小。因为：电介质价电子所处的能带是填满的，不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以，在一定波长范围内，吸收系数很小。而，金属和半导体在正相反。,0,0,0,0,能 量,导 带 禁 带 价 带,吸收的光子,图2 电子受激越过禁带在价带留下一个空穴,E=h Eg 价电子发生跃迁,E=h Eg 价电子不发生跃迁，不能吸收光子而自由运动。,2）紫外吸收峰,紫外区出现紫外吸收端，因为频率增大、波长变短，光子能量变大，E=h Eg

6、 电子吸收光子而跃迁到导带，产生紫外吸收峰。,3）红外区的吸收峰,红外吸收与晶格及原子、分子振动及转动有关。离子的弹性振动与光子辐射产生谐振消耗能量。为了有较宽的透明频率范围，必须使吸收峰远离可见光区，要使谐振点的波长尽可能的远离可见光区，即吸收峰处的频率尽可能小。,光频电子极化-能级跃迁,分子振动,分子转动,固有频率,-紫外吸收光谱,-红外吸收光谱,光遇到微粒、胶体或其它结构成分不均匀的微小区域，偏离原来的传播方向而弥散反射的现象，称为光的散射。,5.1.3 光的散射,光散射示意图,入射光,散射光,散射中心,（分子、胶体、颗粒）,弹性散射：散射前后光的波长（频率或能量）不发生变化，只改变方向

7、的散射。非弹性散射:,散射光,（1）当光波的电磁场作用于物质原子、分子等时将激起粒子的受迫振动。这些受迫振动的粒子向各个方向发射球面次波。空气中的分子就可以作为次波源，把阳光散射到我们眼里，使我们看见物质。月球上，因为没有大气层，天空即使在白天也是黑的。（2）由于固态和液态粒子结构的致密性，微粒中每个分子发出的次波位相相关联，合作发射形成一个大次波。由于各个微粒之间空间位置排列毫无规则，这些大次波不会因位相关系而相互干涉，因此，微粒散射的光波从各个方向都能看到。,1、散射机理,2、散射分类,一、弹性散射 按照散射中心尺度a0与入射光波长是大小，分为三类：1.丁达尔散射 Tyndall Scat

8、tering(溶胶散射)当a0稍小于时；例如胶体、乳浊液、灰尘散射，森林、暗屋里的光柱。入射光的电磁波使颗粒中的电子做与入射光波同频率的强迫振动，致使颗粒本身象一个新光源一样，向各方向发出与入射光同频率的光波。,2.米氏散射 Mile Scattering（分子胶体）当a0，n=0-4米氏散射性质比较复杂，不改变入射光频率。,3.瑞利散射 Rayleigh scattering（分子散射）当a0时，n=4 即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比瑞利散射不改变入射光的频率。,为了解释天空为什么呈蔚蓝色?,白天（中午）天空呈现蓝色，因为：当日光经过大气层时，与空气分子

9、发生瑞利散射，因为蓝光比红光波长短，瑞利散射发生的比较激烈，被散射的蓝光布满了整个天空，较多蓝光向下进入眼帘。白天（中午）太阳呈现白色或黄色，因为：你看到更多的是直射光而不是散射光，所以日光的颜色（白色）基本未改变波长较长的红黄色光（多数直射）与蓝绿色光（少量散射）的混合。日落/日出时呈现红色，太阳斜射日光行程长，蓝光大量都被散射了（向上），留下多数红橙色的光，故落日的黄昏是红色的，天空其它地方由于光线很弱（无直射，散射微弱），是昏暗的蓝黑色。,760 630 600 570 500 450 430 400(nm),红 橙 黄 绿 青 蓝 紫,二、非弹性散射分类1.拉曼散射（Raman sca

10、ttering）是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波的散射。在光谱图上距离瑞利线较远，它们与瑞利线的频差可因散射介质能级结构不同而在100104之间变化。2.布里渊散射（Brillouin scattering）是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之间的能量交换结果。由于声学声子的能量低于光学声子，所以布里渊散射的频移比拉曼散射小，在光谱图上它们紧靠在瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪等光谱仪才能分辨出来。,1、反射和折射定律,非铁磁性材料：（）,铁磁性材料：,5.1.4 光的反射和折射,折射率（p146 表4.1）,相对折射率,光疏

11、,光密,真空,介质,（）,2、全反射,相对折射率,光密介质1 光疏介质2,全反射临界角,石英-空气,水-空气,1)折射原因 介质被光（电磁波）的电场分量极化，导致损耗，减慢了电磁波（光）的传播速度v=c/n，导致传播方向改变，从而发生折射(n1)。2)折射率(光速）色散 介质（材料）中的光速c/n（或介质折射率n），所广波波长变化而变化的现象，称为色散。,3、折射率,其大小衡量材料/介质的光学品质。,介质的属性,光的颜色,介质的色散率：,几种材料的色散曲线如,1）对于同一种材料，波长越短，折射率越大；2）波长越短则色散率越大；3）对于不同材料，在同一波长下，折射率越大者色散率越大4）不同材料的

12、色散曲线间没有简单的数量关系。,由于色散现象，使用光学玻璃制成的单片透镜，成像不够清晰，在自然光的透过下，在像的周围环绕了一圈色带。克服方法：用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成的复合镜头，就可以消除色差消色差镜头。,光学玻璃的色散系数：,4、反射系数及其影响因素,反射系数：,（1）透明材料，0,R 0,消光系数：,讨论：,陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气大，反射损失较严重。减小反射措施：1）透过介质表面镀增透膜；2）将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将它们粘起来，以减少空气界面造成的损失。,（2）金属材料,，R 1,除去反射、吸收、散射，余下的那部分。,0,0,0,0,能 量,吸

13、收的光子,0,0,0,费米能,空能态,被电子占据的能态,0,0,0,0,能 量,0,0,费米能,反射的光子,a),b),图6 金属吸收光子后电子能态的变化,1.金属材料的透过性,0,5.1.5 光的透射,在金属的电子能带结构中，费米能级以上存在许多空能级（晶体，-空带）。当金属受到光线照射时，电子容易吸收入射光子的能量而被激发到费米能级以上的空能级上（空带）。因而，各种不同频率的可见光，即具有各种不同能量的光子都能被吸收。0.1um。事实上，金属对所有低频电磁波都是不透明的。,2）金属材料（晶体）对光的反射,大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来，R1。根据此性质，常利用金属

14、薄层来做反光镜。且金属膜的反射率与波长成反比关系。,1）金属（原子）对光的吸收,2.非金属材料的透过性,电子极化，只有当光的频率与电子极化频率处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要；电子受激吸收光子而越过禁带，或进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光；只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。,可见光中波长最短的是紫光，波长最长的是红光：Eg1.8eV，非金属材料不吸收光子，透明。,除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范

15、围内的光却可以是不透明的。例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为3.55.0m的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。,一般吸收和选择吸收,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。对于相分布均匀的材料，散射遵循指数衰减定律。,P154,影响陶瓷材料透射比的因素：,吸收系数（对陶瓷、高分子电介质，可见光吸收系数低，非主要因素。）反射系数（取决相对折射率、表面光洁度，金属反射主要因素。）散

16、射系数（陶瓷散射系数高，是主要因素）,1）材料宏观和微观缺陷：不均匀界面存在相对折射率，散射系数增大。2）晶粒排列方向：非各向同性的立方晶体或玻璃态，则必然存在双折射，对于多晶体材料，结晶取向不完全一致，晶粒之间产生折射率差别，从而引起晶界处的反射和折射损失。3）气孔反射损失：晶粒之内以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞构成了第二相，与基体晶粒存在相对折射率，由此引起反射和散射损失。,介质对光的散射,5.2 材料的发光,5.2.0 引言5.2.1 冷发光5.2.2 热辐射5.2.3 发光二极管5.2.4 激光,5.2.0 引言 发光（光发射/光辐射）：原子处于激发态的电子向基态跃迁，与空穴复合，并释放

17、光子的过程；1.光的吸收和辐射,E2,E1,(a)自发辐射(b)受激吸收(c)受激辐射,热平衡状态:(a)-(b),受激辐射不起作用；受激辐射产生的光子频率、相位、偏振等几乎与入射光子相同，从而能够与入射光形成强相干，当超过受激吸收时，就可能形成光放大；要形成受激辐射放大，必须额外提供能量，使体系处于非平衡状态;,自发辐射,受激辐射,（2）热辐射,（3）电致发光,（4）光致发光,（5）化学发光,（6）同步辐射光源,（7）激光光源,（1）冷发光,辐射分类,方向性、相干性差、功率弱,方向性、相干性差、功率弱,=Ec-Ev=Eg=Ec-Ev+-E声=Eg K2-k1=k光 0 K2-k1=k声+k光

18、=k光,（1）带间辐射复合 直接跃迁和间接跃迁两种。,2.辐射复合方式,1、效率高2、占多数，InSb，GaAs,1、效率低2、占少数，GaP，AlAs;,（2）浅能级和主带之间的复合（掺杂）,Ed,Ec,Ea,Ev,P型，浅受主,N型，浅施主,特点：hv Eg,如果当激发除去后，在 内发出的光称为荧光，被激发的电子跳回价带时发射光子；如果，外来激发停止后物体继续发光称为磷光，持续时间 甚至更长。磷光的特点可用余辉时间表征。,5.2.1（冷）发光 广义地，除热激发以外，自发辐射导致的发光都叫冷发光，包括电、光、化学等导致的光；狭义地，这里指荧光和磷光。,磷光体余辉时间：I-I0/10所需要的时

19、间,(b)磷光材料,(a)荧光材料,带间自发辐射,浅能级参与自发辐射,激活剂,激活剂,磷光剂/激活剂(硫化物/金属）：CaS、SrS、BaS、ZnS、CdS/Ag、Cu、Mn,磷光材料,例，电视屏中使用发蓝光的 ZnS:Ag 和 发黄光的 Zn,GdS:Cu,Al的混合材料，使荧光屏呈白色；公路交通中的间路标-长余辉的磷光体。（表4.4 磷光体的使用对象和主要性质 P165）,荧光材料：荧光剂/激活剂；激发源（能量）：紫外、X射线,例，普通荧光管：卤代硫酸钙/Sb、Mn,紫外激发，宽频发射,激发源：加速电子,5.2.2 热辐射,材料中的电子被（加）热激发到高能级,原子外壳层电子易激发后，跳回低

20、能级,发射低能（低频长波长）光子，波长大于可见光,热激活增加，发射高能量光子增加，强度增加，频率增到可见光区,发射谱变成连续谱（含可见光波长的光子）,热辐射材料的颜色（频率）和亮度（幅值）随温度而改变,（温度继续提高）,低温下材料热辐射的波长太长而不可见，增加温度后，发射有短波长光子。在高温下材料热辐射所有波长的光子，则辐射成为白光辐射。白炽灯，是热辐射发光的应用。,5.2.3 发光二级管（LED）,由于电子空穴对的复合，半导体材料发射光；但是，可以发射光子的材料在室温下靠热激发不能够发出明亮的光，因为靠热激发产生的电子空穴对浓度不够高，不足以产生可以分辨出的光辐射；然而，外界能量如电场能可以

21、激发足够数量的电子空穴对以至于产生数量较大的自发复合辐射，导致材料明亮发光；一个获得足够数量的电子空穴对的传统办法就是使 p-n 结处于正向偏置状态，在同一空间（结区）注入大量的电子和空穴，它们相遇复合发出较强的光；,一、P型半导体 N型半导体,EF,Ec,Ev,q0,-+,0 载流子扩散形成的反向平衡电场,(a)偏压V=0(b)偏压V=V二、p-n结 接触后形成的能带及电致发光,Ec,Ev,q(0-V),势垒降低qV,EFn,EFp,qV,I=0,I 0,1.LED发光原理,（1）无偏压时，载流子在p-n结界面扩散，形成反向内电场0，阻碍载流子继续流过，达到热平衡，之后无载流子通过，无发光现

22、象；（2）在 p-n结外加一正向偏压V，从外界不断地注入载流子，维持非平衡载流子，使电子和空穴持续复合发光，电能转变为光能；这就是发光二极管（LED）。发光跃迁方式：本征跃迁：带间跃迁，能量最大；非本征接跃迁：带与杂质能级之间，杂质能级之间；,1、发出可见光的半导体材料，其禁带宽度 Eg：1.83.1 eV。2、Ge 和 Si 可以制成优良的 p-n 结，但带隙在光谱的红外部分，而且是间接带隙材料，复合跃迁几率低，不宜作发光材料。3、GaAs是直接带隙材料，但带隙小于 1.8 eV，不能发出可见光。故需要调节其Eg，使其落入可见光区。,2.LED对材料的要求,LED种类繁多，其中，应用最广泛的

23、是GaP（间接跃迁，Eg=2.3eV）、GaAs1-xPx(直接和间接跃迁混合)。,3.LED能带工程（带隙调节掺杂）,替位式杂质替代 1、N:GaP 绿光LED 用 N 替代 P，成负电中心而成为电子陷阱，进而形成陷阱电子空穴复合体，发射=570nm的绿光。2、Zn/O:GaP 红光LED 改变跃迁类型，二者复合（合金化）GaAsxP1-x=x GaAs+(1-x)GaP GaAs（直接）GaAs1-xPx GaP（间接）x0（GaAs），Eg较小（红外），不能发出可见光；x=0.45 时（GaAs0.45P0.55），Eg增大到可见光范围；x=0.4红色，0.65橙色，0.85黄色，1.0

24、绿色；,4.LED的优点：利用率，能耗，寿命；,P166,激光产生的前提：处于高能级上的电子数大于处于低能级上的电子数（粒子数反转），受激辐射自发辐射。,激光（Laser amplification by stimulated emission of radiation）,受激辐射光放大简称，单色性好、相干性强、方向性好的高能相干光束。1916年，爱因斯坦发表关于辐射的量子理论；1921年，赫尔发明微波磁控管；1955年，巴索夫等提出三能级微波固体激光器原理；1957年，斯科韦尔等研制第一台微波激光器模型；1960年，梅曼研制成功第一台红宝石激光器。,5.2.4 激光,粒子数反转：在通常情况下

25、，因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律，使得处于基态（最低能级）的原子数远远多于处于激发态（较高能级）的原子数。为了形成足够的激发辐射，得到强相干的激光束，必须激发原子群体，使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数反转。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出，必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。例如，氦氖激光器中，通过氦原子的协助，使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。,亚稳态,一、能级结构,1,2,3,激发态,基 态,钕钇铝石榴石,红宝石,P167,（a）示意图(b)实物图,冷却管,二、激光器工作原理,1,2,3,4,5,6,激光工作物质 产生、发射激光的物质，固体单晶，气体等；通过掺杂控制亚稳态能级。Cr3+-Al2O3，Nd3+-YAG(P170)2.激发光源 使1从基态达到激发态，3.聚光腔 使各向同性的受激辐射（激光），向轴向聚集；4.光学谐振腔 对轴向聚集的激光进行多次全反射，大量相干、放大，获得单色、高功率激光，从部分反射端发射；5.冷却系统 对激光器及腔体进行冷却保护；,三、常见激光器及其用途,He-Ne激光器CO2激光器红宝石激光器钇铝石榴石激光器,