材物4章材料的光學

1、4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射一、定義一、定義n材料以某種方式吸收能量之后，將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程，這就是光發(fā)射光發(fā)射。n自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術所用的發(fā)光材料主要是無機化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次的半導體它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應用。n從應用的角度，主要關注材料的光學性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強度及延續(xù)時間等。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射平衡輻射和非平衡輻射平衡輻射和非平衡輻射1. 平衡輻射q只與輻射體的溫度和發(fā)射本領有關，如白熾燈的發(fā)光。2. 非平衡輻射在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。

2、4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射光源光源能夠發(fā)光的物體稱為光源能夠發(fā)光的物體稱為光源 = (E2-E1) / hE1E2 原子光波列原子光波列 (wave train) cL c 一般光源的發(fā)光特點：一般光源的發(fā)光特點： 1 間歇性；間歇性； 2 隨機性。隨機性。 （1）熱輻射）熱輻射 （2）電致發(fā)光）電致發(fā)光 （3）光致發(fā)光）光致發(fā)光 （4）化學發(fā)光）化學發(fā)光 自發(fā)自發(fā)輻射輻射（5）同步輻射光源）同步輻射光源 （6）激光光源）激光光源 受激受激輻射輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射 = (E2-E1) / hE1E2激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的受

3、激輻射 4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射4.7.14.7.1 激勵方式激勵方式材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.1 4.7.1 激勵方式激勵方式一、光激勵（光致發(fā)光） 通過光的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而導致發(fā)光。 激勵光源可以采用光頻波段、x-射線波段、-射線波段。 如熒光燈：通過紫外線激發(fā)涂布于燈管內(nèi)壁的熒光粉而發(fā)光。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.14.7.1 激勵方式激勵方式二、陰極射線發(fā)光 利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內(nèi)部的多次散射碰撞，使材料中多種發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光的過程。 如

4、彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍三種基本光波而實現(xiàn)發(fā)光。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.24.7.2 激勵方式激勵方式三、電激勵（電致發(fā)光） 通過對絕緣發(fā)光體施加強電場而導致發(fā)光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導體的導帶（或價帶），導致載流子復合而發(fā)光。 如儀器指示燈的發(fā)光二極管：半導體復合發(fā)光。一、發(fā)射光譜：一、發(fā)射光譜：發(fā)射光強 發(fā)射光波長q指在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強按波長的分布。q其形狀與材料的能量結構有關。反映材料中從高能級始發(fā)的向下躍遷過程。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.34.7.3 材

5、料發(fā)光的基本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)二、激發(fā)光譜：二、激發(fā)光譜：發(fā)光強度 激發(fā)光波長q指材料發(fā)射某一特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強度隨激發(fā)光的波長而變化的曲線q能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長也一定是材料可以吸收的波長，但激發(fā)光譜吸收光譜（因為有的材料吸收光后不一定會發(fā)射光困難把吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散掉對發(fā)光沒有貢獻的吸收是不會在激發(fā)光譜上反映的）。反映材料中從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.34.7.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)三、發(fā)光壽命：三、發(fā)光壽命：n發(fā)光壽命指發(fā)光體在激發(fā)停止之后持續(xù)發(fā)光時間的長短。n發(fā)光強度也以指數(shù)規(guī)律衰減：n余輝時間：

6、從激發(fā)停止時的發(fā)光強度I0衰減到I0 /10的時間，按余輝時間長短分為：ttIIenn00n - 初始激發(fā)態(tài)的電子數(shù)- 電子在單位時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率=1/ 發(fā)光壽命4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.34.7.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)四、發(fā)光效率四、發(fā)光效率n量子效率q：n指發(fā)射光子數(shù)nout與吸收光子數(shù)（或輸入的電子數(shù)） nin之比。n功率效率p：n表示發(fā)光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。n光度效率l：n表示發(fā)射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。功率效率與光度效率的關系： （）-人眼的視見函數(shù) I （）-發(fā)光功率的光譜分布

7、函數(shù) D 光功當量inoutqnninoutqPPinlPL DdIdIql004.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.34.7.3 材料發(fā)光的基本性質(zhì)材料發(fā)光的基本性質(zhì)2. 復合發(fā)光復合發(fā)光 源于固體本征態(tài)的輻射躍遷源于固體本征態(tài)的輻射躍遷 固體能帶模型描述（限于最高能隙固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內(nèi)）內(nèi)）如如II-VI、III-V族半導體發(fā)光族半導體發(fā)光1. 分立中心發(fā)光分立中心發(fā)光3. 特殊的復合發(fā)光特殊的復合發(fā)光BaF2型型 固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷固體中局域中心內(nèi)部電子態(tài)間的輻射躍遷 位形坐標描述位形坐標描述如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）如稀土離子發(fā)光

8、（寬禁帶絕緣體材料）發(fā)光分類發(fā)光分類4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制一、分立中心發(fā)光一、分立中心發(fā)光 RE3+發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光發(fā)光，雜質(zhì)、缺陷發(fā)光 其發(fā)光通常是摻雜在透明基質(zhì)材料中的離子，或基質(zhì)材料自身結構的某一個基團。 選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質(zhì)組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長，調(diào)節(jié)其光色。 發(fā)光中心分布在晶體點陣中，受晶體點陣作用，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化進而影響材料餓發(fā)光性能。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制 根據(jù)發(fā)光中心與晶體點陣之間相互作用的強弱可分為兩種情況：

9、發(fā)光中心基本上是孤立的它的發(fā)光光譜與自由離子相似； 發(fā)光中心受基質(zhì)點陣電場（或晶體場）影響較大，其發(fā)光特性與自由離子不同必須把中心和基質(zhì)作為一個整體來分析。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制稀土離子發(fā)光：稀土離子發(fā)光：n “4f4f”電子組態(tài)間的躍遷電子組態(tài)間的躍遷 如Tb3+, Eu3+, Gd3+ +, Pr3+ 線譜，禁戒部分解除）n“4f5d”電子組態(tài)間的躍遷電子組態(tài)間的躍遷 如Ce3+帶譜，允許躍遷 特點：及其豐富的能級，具有光譜的可調(diào)性。特點：及其豐富的能級，具有光譜的可調(diào)性。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7

10、.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制 缺陷發(fā)光缺陷發(fā)光 F心，心，PWO的綠光、紅光中心，的綠光、紅光中心， ZnO的綠光，的綠光，ZrO2的發(fā)光的發(fā)光氧化物、氟化物、堿鹵化物，氧化物、氟化物、堿鹵化物，負離子缺位（電子陷阱）負離子缺位（電子陷阱）+ e F心心4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制1. 固體“導帶電子價帶空穴”間的復合2. “導帶電子受主A（空穴）”或“價帶空穴施主D（電子）”或“DA”復合3. 激子（“eh”）或束縛激子的復合4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理

11、機制固體中可能的躍遷固體中可能的躍遷（1）帶間吸收；（21）帶間發(fā)射或自由激子發(fā)射（因有一定結合能，略Eg,圖上未顯示）；（22）有一定聲子參與的光發(fā)射；（3）（5）與雜質(zhì)、缺陷有關的輻射復合；（6）分立中心內(nèi)部的發(fā)射；（7）無輻射（多聲子）弛豫；（8）俄歇Auger過程4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制復合發(fā)光效率：復合發(fā)光效率：帶間躍遷帶間躍遷直接高 （僅有光子參與的電子躍遷） 間接低 （有光子和聲子同時參與的電子躍遷）帶間躍遷中要保持能量守衡和動量守衡帶間躍遷中要保持能量守衡和動量守衡4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.

12、7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制 發(fā)光體被激發(fā)后，電子、空穴如何運動，激發(fā)態(tài)發(fā)光體被激發(fā)后，電子、空穴如何運動，激發(fā)態(tài)如何去激發(fā)如何去激發(fā)激發(fā)激發(fā) 能量傳遞能量傳遞 發(fā)光發(fā)光 研究方法：發(fā)光衰減（研究方法：發(fā)光衰減（ ），激發(fā)光譜，時間），激發(fā)光譜，時間分辨譜，發(fā)光的濃度依賴，溫度依賴，熱釋光。分辨譜，發(fā)光的濃度依賴，溫度依賴，熱釋光。4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制一、能量傳遞現(xiàn)象：一、能量傳遞現(xiàn)象：激發(fā)于某處（某中心），激發(fā)于某處（某中心），發(fā)光在另一處（另一中心）發(fā)光在另一處（另一中心）如如 Ca3(PO4)2:M

13、n，250nm激發(fā)時，激發(fā)時，Mn不發(fā)光，不發(fā)光， Ca3(PO4)2:Ce，250nm激發(fā)時，激發(fā)時，Ce發(fā)光，發(fā)光， Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發(fā)時，可見激發(fā)時，可見Mn，Ce發(fā)光，發(fā)光， Ce Mn激發(fā)激發(fā)CdS 10-5cm發(fā)射發(fā)射4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機制 二、能量傳遞方式：二、能量傳遞方式： 載流子傳遞載流子傳遞 再吸收光子傳遞再吸收光子傳遞 共振傳遞共振傳遞 激子傳遞激子傳遞VBCB發(fā)光發(fā)光激發(fā)激發(fā)CuZnS:Cu4.7 4.7 材料的材料的光發(fā)射光發(fā)射 4.7.44.7.4 發(fā)光的物理機制發(fā)光的物理機

14、制 激光（Laser）是受激輻射光放大的簡稱，是一種單色性好,亮度高、相干性強、方向性好的相干光束。 激光技術是20世紀60年代后發(fā)展起來的一門技術，它帶動了傅里葉光學、全息術、光學信息處理、光纖通信、非線性光學和激光光譜學等學科的發(fā)展，形成了現(xiàn)代光學。 僅就全息照相和傅里葉光學中的一些最基礎的內(nèi)容作扼要的介紹。7-1激光（激光（LaserLaser）4.8 4.8 材料的受激輻射和激光材料的受激輻射和激光全息照相全息照相（holography）是利用光的干涉和衍射原利用光的干涉和衍射原理理，將攜帶物質(zhì)信息的光波以干涉圖的形式記錄下來，并且在一定的條件下使其再現(xiàn)，形成原物體逼真的立體象。由于記

15、錄了物體的全部信息，由于記錄了物體的全部信息，包括振幅和相位因此稱為全息術包括振幅和相位因此稱為全息術。7 7 其它光學性質(zhì)其它光學性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相n為了提高電子顯微鏡的分辨本領，伽伯（D.Gabor，19001979）在1948年提出了全息術原理，并開始了全息照相（holography）的早期研究工作。n那時的主要問題是再現(xiàn)的原始象與其共軛象不能分離，以及沒有好的相干光源。n1960年出現(xiàn)了激光以后，1962年萊特（E.Leith）和烏帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息術中利用了激光，并提出了離軸全息術，使全息技術迅速發(fā)展成為科學技術的一個新領域。n激光記錄和白

16、光再現(xiàn)的全息術，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息術在顯示方面展現(xiàn)出了它的優(yōu)越性，并逐步深入到了社會的各個領域中。n而且，聲全息術和微波全息術等也已經(jīng)開始發(fā)展，但進展遠不如光學全息術。7 7 其它光學性質(zhì)其它光學性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的獲得光的干涉n由激光器發(fā)出的激光束，通過分光鏡分成兩束。n一束稱物光，它是經(jīng)過透鏡擴束后射向物體，再由物體反射后投向全息干版；n另一束光經(jīng)反射鏡反射和透鏡擴束后直接照到全息干版上，稱為參考光。n在干版上相遇后，發(fā)生干涉，形成干涉條紋。它是無數(shù)組干涉條紋的集合，最終形成一肉眼不能識別的全息圖。n干涉條紋的間距： d = /

17、2sin(/2)7 7 其它光學性質(zhì)其它光學性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的再現(xiàn)光的衍射n感光以后的全息底片經(jīng)顯影、定影等處理得到的全息照片上，記錄了無數(shù)干涉條紋，相當于一個“衍射光柵”，n一般是用相同于拍攝時的激光作為照明光，照明光經(jīng)全息照片（即“光柵”）便發(fā)生衍射，得到一列沿照射方向傳播的零級衍射光波和二列一級衍射波。透鏡物體透鏡全息干板全反鏡全反鏡分光鏡電快門He-Ne激光器 全息照片的拍攝全息照片的拍攝7 7 其它光學性質(zhì)其它光學性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相全息照片的主要特點全息照片的主要特點 立體感強。 具有分割性。 同一張全息干版可重疊多個全息圖。 有視差

18、效應。 改變?nèi)⒄掌恢没蚋淖児獠úㄩL可使再現(xiàn)圖像放大或縮小。7-2共軛實像三維虛像全息照片激光 全息照片的再現(xiàn)全息照片的再現(xiàn)7 7 其它光學性質(zhì)其它光學性質(zhì) 7.2 7.2 全息照相全息照相傅立葉光學傅立葉光學 光學信息處理光學信息處理n20世紀30年代以來，光學與電通訊和電信息理論相互結合，逐漸形成了傅立葉光學。n傅立葉光學的數(shù)學基礎是傅立葉變換，它的物理基礎是光的衍射理論。n阿貝成象原理：1873年，阿貝（E.Abbe，18401905）在顯微鏡成象原理的論述中，首次提出了空間頻率和空間頻譜以及兩次衍射成象的概念，并用傅立葉變換來闡明顯微鏡成象的物理機制。1906年，波特（A.B.Por

19、ter）以一系列實驗證實了阿貝成象原理。7 7 其它光學性質(zhì)其它光學性質(zhì) 7.3 7.3 傅立葉光學傅立葉光學1、光電效應的基本概念光電效應的基本概念當光照射到金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象叫當光照射到金屬表面時，金屬中有電子逸出的現(xiàn)象叫光電光電效應效應，所逸出的電子叫，所逸出的電子叫光電子光電子，由光電子形成的電流叫，由光電子形成的電流叫光光電流電流，使電子逸出某種金屬表面所需的功稱為該種金屬的，使電子逸出某種金屬表面所需的功稱為該種金屬的逸出功逸出功。8 8 光電效應光電效應8.1 8.1 光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律2、實驗裝置、實驗裝置單色光通過石英窗照射金屬板單色光通過石

20、英窗照射金屬板陰極上有光電子產(chǎn)生。陰極上有光電子產(chǎn)生。UGKA如將K接正極、A接負極，則光電子離開K后，將受到電場的阻礙作用。當K、A之間的反向電勢差等于U0時，從K逸出的動能最大的電子剛好不能到達A，電路中沒有電流， U0叫遏止電壓。0maxeUEk 8 8 光電效應光電效應8.1 8.1 光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律8 8 光電效應光電效應8.1 8.1 光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律3、實驗現(xiàn)象、實驗現(xiàn)象(2)存在截止頻率：存在截止頻率：對某一種金屬來說，只有當入射光的頻率大于某一頻率0時，電子才能從金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個頻率0叫做截止頻率紅限.0UaU0紅限

21、頻率紅限頻率(1)飽和光電流：飽和光電流：飽和光電流強度與入射光強度成正比。U0312UIIS0(3)線性性：線性性：用不同頻率的光照射金屬K的表面時，只要入射光的頻率大于截止頻率，遏止電勢差與入射光頻率具有線性關系。NaCaO2.01.06.08.010.0Hz1040102|US|8 8 光電效應光電效應8.1 8.1 光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律(4)瞬時性瞬時性：無論入射光的強度如何，只要其頻率大于截止頻率，則當光照射到金屬表面時，幾乎立即就有光電流逸出（延遲時間越為10-9s）8 8 光電效應光電效應8.1 8.1 光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律(1) 經(jīng)典認為光強越大

22、，飽和電流應該大，光電子的初動能也該大。但實驗上飽和電流不僅與光強有關而且與頻率有關，光電子初動能也與頻率有關。4、經(jīng)典理論的困難、經(jīng)典理論的困難(2) 只要頻率高于紅限，既使光強很弱也有光電流；頻率低于紅限時，無論光強再大也沒有光電流。而經(jīng)典認為有無光電效應不應與頻率有關。(3) 瞬時性。經(jīng)典認為光能量分布在波面上，吸收能量要時間，即需能量的積累過程。8 8 光電效應光電效應8.1 8.1 光電效應的實驗規(guī)律光電效應的實驗規(guī)律1、愛因斯坦光子假說、愛因斯坦光子假說1905年，愛因斯坦對光的本性提出了新的理論，認為光年，愛因斯坦對光的本性提出了新的理論，認為光束可以看成是由微粒構成的粒子流，這

23、些粒子流叫做束可以看成是由微粒構成的粒子流，這些粒子流叫做光光量子量子，簡稱簡稱光子光子。在真空中，光子以光速。在真空中，光子以光速c 運動。一個運動。一個頻率為頻率為 的光子具有能量的光子具有能量eeh 2 、光電效應的愛因斯坦方程、光電效應的愛因斯坦方程Wmvh 221 8 8 光電效應光電效應8.2 8.2 光子光子 愛因斯坦方程愛因斯坦方程3、光電效應解釋、光電效應解釋(1)飽和光電流強度與光強成正比：飽和光電流強度與光強成正比：對于給定頻率的光束來說，光的強度越大，表示光子的對于給定頻率的光束來說，光的強度越大，表示光子的數(shù)目越多，光電子越多，光電流越大。數(shù)目越多，光電子越多，光電流越大。(2) 紅限頻率的存在紅限頻率的存在：當入射光頻率低于紅限頻率當入射光頻率低于紅限頻率 0，h W/h），以致每個光子的能），以致每個光子的能量足夠大，電子才能克服逸出功而逸出金屬表面。所以紅量足夠大，電子才能克服逸出功而逸出金屬表面。所以紅限頻率限頻率 =W/h；8 8 光電效應光電效應8.2 8.2 光子光子 愛因斯坦方程愛因斯坦方程(3) 截止電壓與頻率成線性關系截止電壓與頻率成線性關系WheU 0eWehU 0Whmv 202102021eUmv aUKU 0(4)光電效應的瞬時性光電效應的瞬時性：當電子一次性地吸收了一個光子