材料的光學(xué)性能

1、第第4章章 材料的光學(xué)性能材料的光學(xué)性能l光在高科技中的地位正在不斷提高。光在高科技中的地位正在不斷提高。l電集成電集成光電子集成光電子集成光學(xué)集成。光學(xué)集成。l要想做更為深入的研究和功能的集成與光學(xué)器件要想做更為深入的研究和功能的集成與光學(xué)器件的開發(fā)等工作，基本知識是必不可少的的開發(fā)等工作，基本知識是必不可少的。主要內(nèi)容主要內(nèi)容l引言引言l光和固體的相互作用光和固體的相互作用l材料的發(fā)光材料的發(fā)光l無機(jī)材料的紅外光學(xué)性能無機(jī)材料的紅外光學(xué)性能l紅外光譜簡介紅外光譜簡介光學(xué)材料的發(fā)展進(jìn)程光學(xué)材料的發(fā)展進(jìn)程：l光學(xué)玻璃的生產(chǎn)已有光學(xué)玻璃的生產(chǎn)已有200多年的歷史。（光學(xué)透鏡：望遠(yuǎn)多年的歷史。（光

2、學(xué)透鏡：望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)、眼鏡、攝影機(jī)等。）鏡、顯微鏡、照相機(jī)、眼鏡、攝影機(jī)等。）l高純、高透明的光通信纖維玻璃。（對工作頻率僅為普通高純、高透明的光通信纖維玻璃。（對工作頻率僅為普通玻璃的萬分之一，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離光通信。）玻璃的萬分之一，實現(xiàn)了遠(yuǎn)距離光通信。）l激光領(lǐng)域：釹玻璃應(yīng)用最廣泛的大功率激光發(fā)射介質(zhì)激光領(lǐng)域：釹玻璃應(yīng)用最廣泛的大功率激光發(fā)射介質(zhì)（Nd： 稀土金屬）。稀土金屬）。l陶瓷、橡膠、塑料對可見光不透明；陶瓷、橡膠、鍺和硅陶瓷、橡膠、塑料對可見光不透明；陶瓷、橡膠、鍺和硅對紅外線透明（折射率大，做紅外透鏡）；許多陶瓷和塑對紅外線透明（折射率大，做紅外透鏡）；許多陶瓷和塑料制

3、品在可見光下不透明，但對微波透明（微波爐中的食料制品在可見光下不透明，但對微波透明（微波爐中的食品容器）；金和鋁對紅外線反射能力最強(qiáng)（用作紅外輻射品容器）；金和鋁對紅外線反射能力最強(qiáng)（用作紅外輻射腔內(nèi)的鍍層）腔內(nèi)的鍍層）l光學(xué)塑料被普遍用在隱形眼鏡上。光學(xué)塑料被普遍用在隱形眼鏡上。4.1 引言引言4.2 光和固體的相互作用光和固體的相互作用關(guān)于光的疑惑關(guān)于光的疑惑 1.光的波粒二象性光的波粒二象性 光的本性：光的本性：（1905年，愛因斯坦提出：光的粒子性）年，愛因斯坦提出：光的粒子性）（干涉、衍射）（干涉、衍射）波動性：波動性：表現(xiàn)在傳播過程中表現(xiàn)在傳播過程中粒子性：粒子性：表現(xiàn)在與物質(zhì)相互

4、作用中表現(xiàn)在與物質(zhì)相互作用中 （光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)）（光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)）光同時具有波、粒二象性光同時具有波、粒二象性，波、粒二象性的聯(lián)系：，波、粒二象性的聯(lián)系：hmcE2hmcp2cEm 關(guān)于光的認(rèn)識關(guān)于光的認(rèn)識光的本性：光的本性：“光波是電磁波光波是電磁波”18001099792458. 21msc真空中真空中rrrrcv0011介質(zhì)中介質(zhì)中c為真空中光的速度，為真空中光的速度， r為介質(zhì)的相對為介質(zhì)的相對介電常數(shù)，介電常數(shù)，r r為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率。為介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率?？梢姽饪梢姽馐请姶泡椛洳ㄗV的波長在是電磁輻射波譜的波長在400nm400nm到到750nm750nm范圍的一個波段。

5、與電磁輻射波一范圍的一個波段。與電磁輻射波一樣，可見光在傳播時，存在呈周期變化的樣，可見光在傳播時，存在呈周期變化的電場和磁場分量，且電場、磁場和傳播方電場和磁場分量，且電場、磁場和傳播方向三者之間相互垂直。向三者之間相互垂直。 光色光色 波長(nm) 頻率(Hz) 中心波長 (nm) 紅紅 750622 660 橙橙 622597 610 黃黃 597577 570 綠綠 577492 540 青青 492470 480 蘭蘭 470455 460 紫紫 455400 430 1414108 . 4109 . 31414100 . 5108 . 41414104 . 5100 . 51414

6、101 . 6104 . 51414104 . 6101 . 61414106 . 6104 . 61414105 . 7106 . 6可見光七彩顏色的波長和頻率范圍可見光七彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即人眼最為敏感的光是黃綠光，即555555nmnm附近。附近。 無線電波無線電波波長比可見光長得多，不能引起人的視覺，波長比可見光長得多，不能引起人的視覺，可以引起電子的振蕩。由于波長很長，一個金屬網(wǎng)籠，可以引起電子的振蕩。由于波長很長，一個金屬網(wǎng)籠，甚至橋梁上的鋼架就可以將其阻止。甚至橋梁上的鋼架就可以將其阻止。 微波微波波長范圍分布從毫米到幾十厘米，他們在食物波長范圍分布

7、從毫米到幾十厘米，他們在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加熱。里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加熱。 紅外線紅外線（IRIR）分布在微波和可見光之間，且僅能夠分布在微波和可見光之間，且僅能夠在它聚集熱的地方探測到。蛇和其他一些生物對紅外線在它聚集熱的地方探測到。蛇和其他一些生物對紅外線很敏感；紅外線不能透過玻璃，這一特性可以解釋溫室很敏感；紅外線不能透過玻璃，這一特性可以解釋溫室效應(yīng)：晴天時，經(jīng)過溫室玻璃的可見光被植物吸收，而效應(yīng)：晴天時，經(jīng)過溫室玻璃的可見光被植物吸收，而紅外線被再次輻射，被玻璃捕獲的紅外線引起溫室內(nèi)部紅外線被再次輻射，被玻璃捕獲的紅外線引起溫室內(nèi)部的溫度升高，整

8、個宇宙充滿了宇宙大爆炸時殘留的冷卻的溫度升高，整個宇宙充滿了宇宙大爆炸時殘留的冷卻物質(zhì)發(fā)出的紅外輻射。物質(zhì)發(fā)出的紅外輻射。 紫外線（紫外線（UVUV）：）：頻率高于可見光的，不能引起視覺，頻率高于可見光的，不能引起視覺，對生命有危害，來自太陽的紫外線幾乎被大氣中的對生命有危害，來自太陽的紫外線幾乎被大氣中的臭氧完全吸收，臭氧保護(hù)著地球的生命，少量透過臭氧完全吸收，臭氧保護(hù)著地球的生命，少量透過大氣的紫外線會曬黑皮膚或使進(jìn)行日光浴的人體產(chǎn)大氣的紫外線會曬黑皮膚或使進(jìn)行日光浴的人體產(chǎn)生曬斑。生曬斑。 X X射線：射線：波長比紫外線還短的電磁波，它們很易穿波長比紫外線還短的電磁波，它們很易穿過大多數(shù)

9、物質(zhì)。致密的物質(zhì)、固體材料比稀疏物質(zhì)過大多數(shù)物質(zhì)。致密的物質(zhì)、固體材料比稀疏物質(zhì)容易吸收更多的容易吸收更多的X X射線，這就是為什么在射線，這就是為什么在X X射線照片射線照片上顯現(xiàn)的是骨骼而不是骨骼周圍的組織。其波長可上顯現(xiàn)的是骨骼而不是骨骼周圍的組織。其波長可與原子尺寸相比擬。與原子尺寸相比擬。射線和宇宙射線：射線和宇宙射線： 波長最短，波長尺寸約為原子核大小量級波長最短，波長尺寸約為原子核大小量級; 射線產(chǎn)生于核反應(yīng)及其他特殊的激發(fā)過程射線產(chǎn)生于核反應(yīng)及其他特殊的激發(fā)過程; 宇宙射線來自地球之外的空間。宇宙射線來自地球之外的空間。 2.光通過固體現(xiàn)象光通過固體現(xiàn)象 設(shè)：設(shè)： 0為入射到材

10、料表面的光輻射能流率，透過、吸收、反射為入射到材料表面的光輻射能流率，透過、吸收、反射和散射的光輻射能流率分別為：和散射的光輻射能流率分別為： 、 A、 R、，則：，則：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時：一部分透過光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時：一部分透過介質(zhì)，一部分被吸收，一部分在兩種介質(zhì)的界介質(zhì)，一部分被吸收，一部分在兩種介質(zhì)的界面上被反射，一部分被散射。面上被反射，一部分被散射。0AR0A0T透射系數(shù)透射系數(shù)：；吸收系數(shù)：吸收系數(shù)：；反射系數(shù)：反射系數(shù)：0RR散射系數(shù)：散射系數(shù)：；01TR3.光子與固體材料相互作用的微觀機(jī)制光子與固體材料相互作用的微觀機(jī)制從微觀上分析，光子與固體材料相互作用，

11、實從微觀上分析，光子與固體材料相互作用，實際上是光子與固體材料中的原子、離子或電子際上是光子與固體材料中的原子、離子或電子相互作用的結(jié)果。相互作用的結(jié)果。光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：光與固體相互作用的本質(zhì)有兩種方式：電子極化電子極化電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電磁波的分量之一是迅速變化的電場分量；電磁波的分量之一是迅速變化的電場分量；在可見光范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中遇到在可見光范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中遇到的每一個原子都發(fā)生相互作用引起電子極化，的每一個原子都發(fā)生相互作用引起電子極化，即造成電子云與原子核的電荷中心發(fā)生相對位即造成電子云與原子核的電荷中心發(fā)生相對位移；移；所以，當(dāng)光通過

12、介質(zhì)時，一部分能量被吸收，所以，當(dāng)光通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時同時光速減小，后者導(dǎo)致折射。光速減小，后者導(dǎo)致折射。 正是因為介質(zhì)的極化正是因為介質(zhì)的極化“拖住拖住”了電磁波的步伐，了電磁波的步伐，使其傳播速度比真空中慢，導(dǎo)致折射產(chǎn)生。使其傳播速度比真空中慢，導(dǎo)致折射產(chǎn)生。電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種能態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種能態(tài)的電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種能態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種能態(tài)的過程；過程；材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發(fā)材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發(fā)到較高能級上去，電子發(fā)生的能級變化到較高能級上去，電子發(fā)生的能級變化E E與電磁波頻率有關(guān)：

13、與電磁波頻率有關(guān)： E=hE=h受激電子不可能無限長時間地保持在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時受激電子不可能無限長時間地保持在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后，它又會衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波，即期后，它又會衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射自發(fā)輻射。為了理解光子與固體作用的四種現(xiàn)象，應(yīng)首先了解折射率、色散！為了理解光子與固體作用的四種現(xiàn)象，應(yīng)首先了解折射率、色散！入射角、折射角與材料的折射入射角、折射角與材料的折射率、有下述關(guān)系：率、有下述關(guān)系：21122121sinsinvvnnn入射束入射束折射束折射束12材料的折射率反映了光在該材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。材料中傳播速度的快

14、慢。光密介質(zhì)：在折射率大的光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢；介質(zhì)中，光的傳播速度慢；光疏介質(zhì)：在折射率小的光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快。介質(zhì)中，光的傳播速度快。1）構(gòu)成材料元素的離子半徑）構(gòu)成材料元素的離子半徑rrn由，對于非鐵磁性材料，比如陶瓷，其對于非鐵磁性材料，比如陶瓷，其1r，故rn原理：原理：電磁輻射作用到介質(zhì)上時，其原子受到電場作用，使電磁輻射作用到介質(zhì)上時，其原子受到電場作用，使原子的正、負(fù)電荷重心發(fā)生相對位移，即產(chǎn)生了極化，而這原子的正、負(fù)電荷重心發(fā)生相對位移，即產(chǎn)生了極化，而這種相互作用同時也使光子速度減弱。又知，介電常數(shù)與介質(zhì)種相互作用同時也使光

15、子速度減弱。又知，介電常數(shù)與介質(zhì)的極化有關(guān)，從公式可知，材料的折射率隨介質(zhì)的介電常數(shù)的極化有關(guān)，從公式可知，材料的折射率隨介質(zhì)的介電常數(shù)的增大而增大。所以，大離子可以構(gòu)成高折射率的材料。的增大而增大。所以，大離子可以構(gòu)成高折射率的材料。2）材料的結(jié)構(gòu)、晶型）材料的結(jié)構(gòu)、晶型均勻介質(zhì)：均勻介質(zhì)：光速不因入射方向而改變，故材料只有一個折射率。光速不因入射方向而改變，故材料只有一個折射率。如：非晶態(tài)和立方晶體結(jié)構(gòu)。如：非晶態(tài)和立方晶體結(jié)構(gòu)。非均勻介質(zhì)：非均勻介質(zhì)：除了立方晶體外的其他晶型。光進(jìn)入介質(zhì)時產(chǎn)生除了立方晶體外的其他晶型。光進(jìn)入介質(zhì)時產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。雙折射現(xiàn)象。3）材料存在的內(nèi)應(yīng)力）材料存在

16、的內(nèi)應(yīng)力有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于主應(yīng)力方向的有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于主應(yīng)力方向的n值大，平行值大，平行于主應(yīng)力方向的于主應(yīng)力方向的n值小。值小。4）同質(zhì)異構(gòu)體）同質(zhì)異構(gòu)體高溫時的晶型折射率較低，低溫時的晶型折射率較高。比高溫時的晶型折射率較低，低溫時的晶型折射率較高。比如，常溫下，石英晶體如，常溫下，石英晶體 n=1.55；高溫時，方石英；高溫時，方石英n=1.49。5）色散）色散大多數(shù)情況下折射率總是隨著波長的大多數(shù)情況下折射率總是隨著波長的增加而減小，這種性質(zhì)稱為增加而減小，這種性質(zhì)稱為色散色散。ddn色散l對于光學(xué)玻璃，主要采用色散系數(shù)對于光學(xué)玻璃，主要采用色散系數(shù)(Abbe阿貝數(shù)阿

17、貝數(shù))表示：表示：1ddFCnnn 式中，式中， nd 、 nF和和nC分別為以氦的分別為以氦的d譜線（譜線（589.3nm）、氫的）、氫的F譜線譜線（486.1nm）和）和C譜線（譜線（656.3nm）為光源測得的折射率。描述光學(xué)玻璃）為光源測得的折射率。描述光學(xué)玻璃的色散還用平均色散的色散還用平均色散(nF-nC ）。）。l光學(xué)玻璃或多或少都存在色散現(xiàn)象。光學(xué)玻璃或多或少都存在色散現(xiàn)象。因此，使用這種材因此，使用這種材料制成的單片透鏡，成像不夠清晰，在自然光的透過下，料制成的單片透鏡，成像不夠清晰，在自然光的透過下，在像的周圍環(huán)繞了一圈色帶?？朔姆椒ㄊ牵河貌煌铺栐谙竦闹車h(huán)繞了一圈色帶

18、?？朔姆椒ㄊ牵河貌煌铺柕墓鈱W(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡組成的復(fù)合鏡頭，的光學(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡組成的復(fù)合鏡頭，就可以消除色差就可以消除色差消色差鏡頭。消色差鏡頭。22121)11(nnR若若介質(zhì)介質(zhì)1 1是空氣，則是空氣，則2)11(nnR若若兩種介質(zhì)的折射率相差越大，則反射損兩種介質(zhì)的折射率相差越大，則反射損失越大，光的透過率越低。失越大，光的透過率越低。在光束通過物質(zhì)時，它的傳播情況將要發(fā)生變化。首先光在光束通過物質(zhì)時，它的傳播情況將要發(fā)生變化。首先光束越深入物質(zhì)，它的光強(qiáng)將越減弱，這是由于一部分光的能量束越深入物質(zhì)，它的光強(qiáng)將越減弱，這是由于一部分光的能量被物質(zhì)所吸收，而

19、另一部分光向各個方向散射所造成的，這就被物質(zhì)所吸收，而另一部分光向各個方向散射所造成的，這就是光的吸收和散射現(xiàn)象。是光的吸收和散射現(xiàn)象。其次，光在物質(zhì)中的速度將小于光在真空中的速度，并將隨其次，光在物質(zhì)中的速度將小于光在真空中的速度，并將隨頻率而改變，這就是光的色散現(xiàn)象，光的吸收、散射和色散這頻率而改變，這就是光的色散現(xiàn)象，光的吸收、散射和色散這三種現(xiàn)象，都有是由于光與物質(zhì)的相互作用引起的，實質(zhì)上是三種現(xiàn)象，都有是由于光與物質(zhì)的相互作用引起的，實質(zhì)上是由光與原子中的電子相互作用引起的。由光與原子中的電子相互作用引起的。光學(xué)材料的應(yīng)用，一般希望材料的透射系數(shù)（透過光學(xué)材料的應(yīng)用，一般希望材料的透

20、射系數(shù)（透過率）高，除界面率）高，除界面反射反射損失外，材料對入射光的損失外，材料對入射光的吸收吸收及其及其散射散射，是影響材料光透過率的二個方面。，是影響材料光透過率的二個方面。以銅為鏡以銅為鏡,可以正衣冠可以正衣冠;以史為鏡以史為鏡,可以知興亡可以知興亡;以人為鏡以人為鏡,可以明得失可以明得失.” -魏征魏征(唐唐) 金屬對可見光是不透明的，其原因是在金屬的電子金屬對可見光是不透明的，其原因是在金屬的電子能帶結(jié)構(gòu)中，費密能級以上存在許多空能級。能帶結(jié)構(gòu)中，費密能級以上存在許多空能級。 0000E能 量吸收的光子吸收的光子000費密能費密能空能態(tài)空能態(tài)被電子占被電子占據(jù)的能態(tài)據(jù)的能態(tài)0000

21、E能 量00費密能費密能反射的光子反射的光子a)b)圖圖4.5 金屬吸收光子后電子能態(tài)的變化金屬吸收光子后電子能態(tài)的變化當(dāng)金屬受到光線照射時，電子容易吸收入射光子的能量而被激發(fā)到當(dāng)金屬受到光線照射時，電子容易吸收入射光子的能量而被激發(fā)到費密能級以上的空能級上。由于金屬的費密能級以上有許多空能級，費密能級以上的空能級上。由于金屬的費密能級以上有許多空能級，因而各種不同頻率的可見光，即具有各種不同能量的光子都能被吸因而各種不同頻率的可見光，即具有各種不同能量的光子都能被吸收。收。事實上，金屬對所有低頻電磁波都是不透明的。事實上，金屬對所有低頻電磁波都是不透明的。大部分被金屬吸收的光又會從表面上以同

22、樣波長的光波發(fā)射出來，大部分被金屬吸收的光又會從表面上以同樣波長的光波發(fā)射出來，表面為反射光表面為反射光(R接近接近1，還有一部分能量以熱的形式損失掉了）。，還有一部分能量以熱的形式損失掉了）。 結(jié)論：結(jié)論：金屬對金屬對可見光可見光是不透明的，只有對高頻電是不透明的，只有對高頻電磁波磁波X射線和射線和射線是透明的。射線是透明的。金屬和可見光間的金屬和可見光間的作用主要是反射，從而產(chǎn)生金屬的光澤。作用主要是反射，從而產(chǎn)生金屬的光澤。應(yīng)用：大多數(shù)金屬的反射系數(shù)在應(yīng)用：大多數(shù)金屬的反射系數(shù)在0.90.95之間，利之間，利用金屬對光的高反射系數(shù)，可在其他材料底上鍍上金用金屬對光的高反射系數(shù)，可在其他材

23、料底上鍍上金屬薄層做反光鏡用。屬薄層做反光鏡用。金屬的反射，是由金屬的反射，是由吸收再反射吸收再反射綜合造成的。綜合造成的。 無機(jī)非金屬材料對可見光可能透明，也可能不透明。無機(jī)非金屬材料對可見光可能透明，也可能不透明。 透過率除光在界面被反射外，還與光進(jìn)入材料中被吸收和透過率除光在界面被反射外，還與光進(jìn)入材料中被吸收和散射狀況有關(guān)。散射狀況有關(guān)。1）介質(zhì)吸收光的一般規(guī)律）介質(zhì)吸收光的一般規(guī)律：原則上，非金屬材料對可見光的吸收有原則上，非金屬材料對可見光的吸收有3種機(jī)理：種機(jī)理：（）電子極化：只有當(dāng)光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處在同）電子極化：只有當(dāng)光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處在同一個數(shù)量級時

24、，由此引起的吸收才變得比較重要；一個數(shù)量級時，由此引起的吸收才變得比較重要；（）電子受激吸收光子而越過禁帶；）電子受激吸收光子而越過禁帶；（）電子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級上而吸收光；）電子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級上而吸收光； 所以，只有當(dāng)入射光子的能量所以，只有當(dāng)入射光子的能量hc/hc/大于禁帶寬大于禁帶寬度度E Eg g時，才能以這種機(jī)制產(chǎn)生吸收。同時，材料中的時，才能以這種機(jī)制產(chǎn)生吸收。同時，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。 光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程。程

25、中表現(xiàn)出的能量交換過程。(a)(a)電子受激越過禁帶，在價帶中留下一個空穴；電子受激越過禁帶，在價帶中留下一個空穴；(b)(b) 電子返回價帶時與空穴結(jié)合發(fā)射出一個光子。電子返回價帶時與空穴結(jié)合發(fā)射出一個光子?？梢姽庵胁ㄩL最短的是可見光中波長最短的是紫紫光光，波長最長的是，波長最長的是紅光紅光。mingmaxminmaxgminmax0.4 m, E3.10.7 m, E1.8hCeVhCeV uEgEg1.8eV1.8eV的半導(dǎo)體材料，是不透明的。的半導(dǎo)體材料，是不透明的。因為所有可見光都可以通過激發(fā)價帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移因為所有可見光都可以通過激發(fā)價帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被而被吸收。吸收。uEgE

26、g=1.8eV=1.8eV 3.1eV3.1eV的非金屬材料，是帶色透明的。的非金屬材料，是帶色透明的。因為只有部分可見光通過激發(fā)價帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被材料因為只有部分可見光通過激發(fā)價帶電子向?qū)мD(zhuǎn)移而被材料吸收。吸收。uEgEg3.1eV3.1eV的非金屬材料，是無色透明的的非金屬材料，是無色透明的（若材料純度很高，不（若材料純度很高，不考慮反射和散射）。考慮反射和散射）。因為可見光不能越過禁帶，材料不能吸收可見光。因為可見光不能越過禁帶，材料不能吸收可見光。作業(yè)：作業(yè)：已知金剛石的已知金剛石的Eg=5.6ev, 1J=6.2421018 ev, h=6.610-34Js, c=3108ms

27、-1,問：金剛石對問：金剛石對 =0.11m的電磁波是否透明？（假定材料處處均勻，的電磁波是否透明？（假定材料處處均勻，反射及散射可忽略）。反射及散射可忽略）。x-0e II 朗伯特定律朗伯特定律式中：式中：為物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，其單位為為物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，其單位為cm-1，取取決于材料的性質(zhì)和光的波長。決于材料的性質(zhì)和光的波長。越大，材料越厚，光就越大，材料越厚，光就被吸收得越多，而透過后的光強(qiáng)度就越小。被吸收得越多，而透過后的光強(qiáng)度就越小。介質(zhì)對光的吸收介質(zhì)對光的吸收, ,不僅與介質(zhì)的電子能帶結(jié)構(gòu)不僅與介質(zhì)的電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還與有關(guān)外，還與光程光程有關(guān)，即介質(zhì)厚度和光的有關(guān)，即介質(zhì)厚

28、度和光的波長有關(guān)。波長有關(guān)。設(shè)入射光的強(qiáng)度為設(shè)入射光的強(qiáng)度為I I0 0, ,經(jīng)過厚度經(jīng)過厚度為為x x的介質(zhì)后，光的強(qiáng)度為的介質(zhì)后，光的強(qiáng)度為: : 介質(zhì)對光的吸收與光的波長的關(guān)系介質(zhì)對光的吸收與光的波長的關(guān)系在電磁波譜的在電磁波譜的可見光區(qū)可見光區(qū)：金屬和半導(dǎo)體金屬和半導(dǎo)體的吸收系數(shù)很大，所以的吸收系數(shù)很大，所以不透明不透明；電介質(zhì)電介質(zhì)材料（如玻璃），吸收系數(shù)小，材料（如玻璃），吸收系數(shù)小，透過性較好透過性較好。除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的。對透明的。任何一種物質(zhì)，它對某些波長范圍內(nèi)的光可以是透明任何一種物質(zhì)，它對某

29、些波長范圍內(nèi)的光可以是透明的，而對另一些波長范圍內(nèi)的光卻可以是不透明的。的，而對另一些波長范圍內(nèi)的光卻可以是不透明的。例如，在光學(xué)材料中，石英對所有可見光幾乎都透明例如，在光學(xué)材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為變，這種現(xiàn)象為；但是對于波長范圍為；但是對于波長范圍為3.5-3.5-5.05.0mm的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇烈變化，這種現(xiàn)象為烈變化，這種現(xiàn)象為。換言之，石英對可見。換言之，石英對可見光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強(qiáng)烈

30、的吸光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強(qiáng)烈的吸收。收。u一般吸收和選擇吸收一般吸收和選擇吸收 又例如，普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線主紫又例如，普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線主紫外線都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。外線都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的。 因此因此在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對紫外線體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對紫外線透明的石英制作。透明的石英制作。 實際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一定的透光實際上，任何光學(xué)材料，在紫外和紅外端都有一定的透

31、光極限。極限。 任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收只是出現(xiàn)的波長范圍不同任何物質(zhì)都有這兩種形式的吸收只是出現(xiàn)的波長范圍不同而已。而已。 2）介質(zhì)對光的散射）介質(zhì)對光的散射 影響光學(xué)材料透過性的第二個因素是影響光學(xué)材料透過性的第二個因素是介質(zhì)對光的散射介質(zhì)對光的散射。產(chǎn)生產(chǎn)生散射的原因是光傳播的介質(zhì)不均勻散射的原因是光傳播的介質(zhì)不均勻。均勻介質(zhì)對光是不散射的。均勻介質(zhì)對光是不散射的。材料中如果有光學(xué)性能不均勻的結(jié)構(gòu)，如小粒子透明介質(zhì)、光材料中如果有光學(xué)性能不均勻的結(jié)構(gòu)，如小粒子透明介質(zhì)、光學(xué)性能不同的晶界相、氣孔或其它夾雜物，都會引起光束被散學(xué)性能不同的晶界相、氣孔或其它夾雜物，都會引起光束被散射，從

32、而減弱光束強(qiáng)度。射，從而減弱光束強(qiáng)度。 光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級波，光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級波，與主波方向不一致，就會出現(xiàn)干涉，而偏與主波方向不一致，就會出現(xiàn)干涉，而偏離原來方向，引起散射。對于相分布均勻離原來方向，引起散射。對于相分布均勻的材料，散射規(guī)律與吸收規(guī)律形式相同。的材料，散射規(guī)律與吸收規(guī)律形式相同。 散射系數(shù)散射系數(shù)s與散射與散射(質(zhì)點質(zhì)點)的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點與基體的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點與基體的相對折射率等因素有關(guān)，其單位為的相對折射率等因素有關(guān)，其單位為cm-1 。x-0e sII 散散射射瑞利散射：散射光波長與入射光相同。瑞利散射：散射光波長與入射光相同。拉曼散

33、射：散射光波長與入射光不同。拉曼散射：散射光波長與入射光不同。3）影響無機(jī)非金屬材料透光性的因素分析）影響無機(jī)非金屬材料透光性的因素分析 ，吸收系數(shù)，吸收系數(shù) 無機(jī)非金屬材料的吸收率或吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)是比較低無機(jī)非金屬材料的吸收率或吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)是比較低的，在影響透光率的因素中的，在影響透光率的因素中不占主要地位不占主要地位。 材料對周圍環(huán)境的相對折射率大，反射損失也大。此外，材材料對周圍環(huán)境的相對折射率大，反射損失也大。此外，材料表面的光潔度也影響透光性能。料表面的光潔度也影響透光性能。 ，反射系數(shù)反射系數(shù) ，散射系數(shù)，散射系數(shù) a)材料宏觀及顯微缺陷材料宏觀及顯微缺陷 b)晶

34、粒排列方向影響晶粒排列方向影響c)氣孔引起的散射損失氣孔引起的散射損失主要因素主要因素u材料宏觀和微觀缺陷：材料宏觀和微觀缺陷：不均勻界面存在相對折射率，散射不均勻界面存在相對折射率，散射系數(shù)增大。系數(shù)增大。u晶粒排列方向：晶粒排列方向：非各向同性的立方晶體或玻璃態(tài)，則必然非各向同性的立方晶體或玻璃態(tài)，則必然存在雙折射，對于多晶體材料，結(jié)晶取向不完全一致，晶粒存在雙折射，對于多晶體材料，結(jié)晶取向不完全一致，晶粒之間產(chǎn)生折射率差別，從而引起晶界處的反射和折射損失之間產(chǎn)生折射率差別，從而引起晶界處的反射和折射損失.u氣孔引起的反射損失：氣孔引起的反射損失：存在于晶粒之內(nèi)的以及晶界玻璃相存在于晶粒之

35、內(nèi)的以及晶界玻璃相內(nèi)的氣孔、孔洞構(gòu)成了第二相，與基體晶粒存在相對折射率，內(nèi)的氣孔、孔洞構(gòu)成了第二相，與基體晶粒存在相對折射率，由此引起反射和散射損失由此引起反射和散射損失.吸收系數(shù)（非主要因素。）吸收系數(shù)（非主要因素。）反射系數(shù)（材料和環(huán)境的相對折射率和材料表面光潔度是重反射系數(shù)（材料和環(huán)境的相對折射率和材料表面光潔度是重要因素。）要因素。）散射系數(shù)散射系數(shù) （主要因素主要因素）3）影響無機(jī)非金屬材料透光性的因素分析）影響無機(jī)非金屬材料透光性的因素分析 4.3 材料的發(fā)光材料的發(fā)光Four stages in development of lighting applicationsFire C

36、andles and Lamps Bulbs and Tubes SemiconductorsFire Candles and Lamps Bulbs and Tubes Semiconductors1. 發(fā)光和熱輻射發(fā)光和熱輻射 發(fā)光是輻射能量以可見光的形式出現(xiàn)的。發(fā)光是輻射能量以可見光的形式出現(xiàn)的。如果輻射或任何其它形式的能量，激發(fā)如果輻射或任何其它形式的能量，激發(fā)電子從價帶進(jìn)入導(dǎo)帶，當(dāng)其返回到價帶電子從價帶進(jìn)入導(dǎo)帶，當(dāng)其返回到價帶時便發(fā)射出光子，如果這些光子的波長時便發(fā)射出光子，如果這些光子的波長在可見光范圍內(nèi)，便產(chǎn)生了發(fā)光現(xiàn)象。在可見光范圍內(nèi)，便產(chǎn)生了發(fā)光現(xiàn)象。這種光與熱輻射發(fā)光不同，

37、稱為這種光與熱輻射發(fā)光不同，稱為冷光冷光。冷光包括冷光包括熒光熒光和和磷光磷光。 熱輻射：熱輻射：當(dāng)材料加熱時，電當(dāng)材料加熱時，電子被熱激發(fā)到較高子被熱激發(fā)到較高能級，當(dāng)電子跳回能級，當(dāng)電子跳回正常能級時發(fā)射光正常能級時發(fā)射光子，其強(qiáng)度與溫度子，其強(qiáng)度與溫度有關(guān)，這種現(xiàn)象稱有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為熱輻射。為熱輻射。應(yīng)用：白幟燈熱輻應(yīng)用：白幟燈熱輻射發(fā)光。射發(fā)光。u物質(zhì)不是由于溫度升高而發(fā)射可見光，稱物質(zhì)不是由于溫度升高而發(fā)射可見光，稱冷發(fā)光冷發(fā)光。冷發(fā)光由于熱耗小，。冷發(fā)光由于熱耗小，發(fā)光效率較高。如發(fā)光效率較高。如熒火蟲熒火蟲發(fā)光發(fā)光, ,發(fā)光熱耗幾乎等于零。發(fā)光熱耗幾乎等于零。注意：注意：u熱發(fā)

38、光（熱輻射）熱發(fā)光（熱輻射）是由于可燃物質(zhì)燃燒或物體溫度升高達(dá)到紅熱、白是由于可燃物質(zhì)燃燒或物體溫度升高達(dá)到紅熱、白熱狀態(tài)時的發(fā)光。熱發(fā)光在能量轉(zhuǎn)化中的熱耗大，發(fā)光效率低。熱狀態(tài)時的發(fā)光。熱發(fā)光在能量轉(zhuǎn)化中的熱耗大，發(fā)光效率低。 自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術(shù)所自然界中很多物質(zhì)都可發(fā)光，但近代顯示技術(shù)所用的發(fā)光材料主要是無機(jī)化合物，在固體材料中主要是用的發(fā)光材料主要是無機(jī)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(dǎo)體它們通常以采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次的半導(dǎo)體它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應(yīng)用。多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應(yīng)用。 電子從激發(fā)能級向較低能級

39、的衰變可能伴隨有電子從激發(fā)能級向較低能級的衰變可能伴隨有熱量向周圍傳遞或者產(chǎn)生輻射，此過程中，光的發(fā)熱量向周圍傳遞或者產(chǎn)生輻射，此過程中，光的發(fā)射稱為熒光或磷光，取決于激發(fā)和發(fā)射之間的時間。射稱為熒光或磷光，取決于激發(fā)和發(fā)射之間的時間。 從應(yīng)用的角度，主要關(guān)注材料的光學(xué)性能從應(yīng)用的角度，主要關(guān)注材料的光學(xué)性能,包括：包括：發(fā)光發(fā)光顏色、發(fā)光強(qiáng)度及延續(xù)時間顏色、發(fā)光強(qiáng)度及延續(xù)時間等。等。（1）熒光熒光(fluorescence) ：原子的外層電子受激發(fā)，原子的外層電子受激發(fā)，從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，約經(jīng)從基態(tài)或低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，約經(jīng)10-8 s后，又后，又躍回基態(tài)或低能態(tài)，同時發(fā)射的光子，

40、稱為熒光。躍回基態(tài)或低能態(tài)，同時發(fā)射的光子，稱為熒光。應(yīng)用：應(yīng)用：利用熒光現(xiàn)象制作利用熒光現(xiàn)象制作的原子熒光光譜儀，的原子熒光光譜儀，可應(yīng)用于冶金、石可應(yīng)用于冶金、石化、材料、環(huán)境生化、材料、環(huán)境生物樣品等的痕量元物樣品等的痕量元素分析測定。素分析測定。2 2）磷光）磷光(phosphorescence)(phosphorescence) ：激發(fā)停止后：激發(fā)停止后一段時間發(fā)出的光。延遲發(fā)射一段時間發(fā)出的光。延遲發(fā)射1010-2-2s s10s10s。u材料發(fā)磷光的原理材料發(fā)磷光的原理：材料中含有雜質(zhì)并在能隙中建立：材料中含有雜質(zhì)并在能隙中建立施主能施主能級（陷阱）級（陷阱），當(dāng)激發(fā)的電子從導(dǎo)帶

41、跳回到價帶時，首先跳到施，當(dāng)激發(fā)的電子從導(dǎo)帶跳回到價帶時，首先跳到施主能級并被捕獲，在它跳回價帶時，電子從捕獲陷阱中逸出，主能級并被捕獲，在它跳回價帶時，電子從捕獲陷阱中逸出，因此因此延遲了延遲了光子發(fā)射時間，跳回價帶的過程發(fā)射光子。光子發(fā)射時間，跳回價帶的過程發(fā)射光子。u發(fā)光強(qiáng)度公式：發(fā)光強(qiáng)度公式：0ln()ItI I0為開始發(fā)光時的強(qiáng)度；為開始發(fā)光時的強(qiáng)度；I為激發(fā)除去后為激發(fā)除去后t秒內(nèi)的光秒內(nèi)的光的強(qiáng)度的強(qiáng)度; 為弛豫時間。為弛豫時間。eg:電視屏幕所用磷光電視屏幕所用磷光體的體的馳豫時間不可太長，馳豫時間不可太長，否則影像重疊。否則影像重疊。人眼能夠感覺到余輝的長發(fā)光期間者為人眼能夠

42、感覺到余輝的長發(fā)光期間者為磷光磷光；人眼感覺不到余輝的短發(fā)光期間者為人眼感覺不到余輝的短發(fā)光期間者為熒光熒光。熒光與磷光無嚴(yán)格區(qū)別。熒光與磷光無嚴(yán)格區(qū)別。極短余輝：余輝時間極短余輝：余輝時間1s的發(fā)光的發(fā)光發(fā)光持續(xù)時間特征發(fā)光持續(xù)時間特征余輝的理解：余輝的理解：余輝：余輝：當(dāng)激發(fā)停止時，其發(fā)光亮度衰減到初始亮度的10%時所經(jīng)歷的時間為余輝時間，簡稱余輝。u磷光體磷光體：激發(fā)停止后的一段時間內(nèi)能發(fā)激發(fā)停止后的一段時間內(nèi)能發(fā)光的復(fù)雜晶體無機(jī)物質(zhì)。光的復(fù)雜晶體無機(jī)物質(zhì)。u工程上對磷光體材料性能的要求：工程上對磷光體材料性能的要求：1）高的發(fā)光效率；）高的發(fā)光效率；2）希望的發(fā)光色彩；）希望的發(fā)光色彩

43、；3）適當(dāng)?shù)模┻m當(dāng)?shù)挠噍x余輝時間；時間；4）材料與基體結(jié)合力強(qiáng)等。）材料與基體結(jié)合力強(qiáng)等。激活劑激活劑（主要是金屬）：主要是金屬）：Ag、Cu、Mn等。等。u磷光體磷光體基體基體（常是硫化物）：如（常是硫化物）：如CaS、SrS、BaS、ZnS、CdS等；等；應(yīng)用：應(yīng)用：磷光現(xiàn)象的應(yīng)用是制作磷光體或熒光劑。磷光現(xiàn)象的應(yīng)用是制作磷光體或熒光劑。如：電視機(jī)的熒光屏：電視中使用發(fā)藍(lán)光的如：電視機(jī)的熒光屏：電視中使用發(fā)藍(lán)光的 ZnS:AgZnS:Ag 和發(fā)黃和發(fā)黃光的光的ZnZn，CdS:CuCdS:Cu，AlAl的混合材料，使熒光屏呈白色；的混合材料，使熒光屏呈白色；公路交通中的夜間路標(biāo)采用長余光輝

44、的磷光體。公路交通中的夜間路標(biāo)采用長余光輝的磷光體。磷光體的激發(fā)光源主要有：磷光體的激發(fā)光源主要有：紫外激發(fā)、電子射線激發(fā)、紫外激發(fā)、電子射線激發(fā)、X X射線激發(fā)等。射線激發(fā)等。如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發(fā)顯象管內(nèi)表如彩電的顏色：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(lán)三面上不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍(lán)三種基本光波而實現(xiàn)發(fā)光。種基本光波而實現(xiàn)發(fā)光。.激光激光 l 激光（激光（LaserLaser）是英文）是英文“Light amplification Light amplification by stimulated emission of ra

45、diation”by stimulated emission of radiation”首寫首寫字母的縮寫，意為受激輻射光放大，是一種字母的縮寫，意為受激輻射光放大，是一種單色單色性好性好, ,亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好亮度高、相干性強(qiáng)、方向性好的的相干相干光束。光束。l 激光技術(shù)是激光技術(shù)是2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代后發(fā)展起來的一門技術(shù)，年代后發(fā)展起來的一門技術(shù)，它帶動了傅里葉光學(xué)、全息術(shù)、光學(xué)信息處理、光它帶動了傅里葉光學(xué)、全息術(shù)、光學(xué)信息處理、光纖通信、非線性光學(xué)和激光光譜學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，纖通信、非線性光學(xué)和激光光譜學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，形成了現(xiàn)代光學(xué)。形成了現(xiàn)代光學(xué)。l19601960年第

46、一臺紅寶石激光器研制成功，標(biāo)志著激光年第一臺紅寶石激光器研制成功，標(biāo)志著激光科學(xué)技術(shù)的誕生?？茖W(xué)技術(shù)的誕生。激光激光與與普通光普通光的根本區(qū)別：激光具有極高的光子簡并度的根本區(qū)別：激光具有極高的光子簡并度 （處于同一量子態(tài)中的光子數(shù)）（處于同一量子態(tài)中的光子數(shù)） 普通光源普通光源-自發(fā)輻射自發(fā)輻射 激光光源激光光源-受激輻射受激輻射單色性好；單色性好；亮度高，能量集中，激光傳遞信息亮度高，能量集中，激光傳遞信息的容量大；的容量大；相干性好；相干性好；方向性好。方向性好。）單色性好）單色性好單色性最好的氪燈單色性最好的氪燈Kr86 =4.710-3 nm 穩(wěn)頻穩(wěn)頻HeNe激光器激光器 910 n

47、m激光的單色性比普通光高激光的單色性比普通光高 倍倍. .1010激光的特點激光的特點）亮度高）亮度高激光的特點激光的特點 太陽表面的亮度比白熾燈大太陽表面的亮度比白熾燈大幾百倍。普通的激光器的輸出亮度，幾百倍。普通的激光器的輸出亮度，比太陽表面的亮度大比太陽表面的亮度大10億倍。激光億倍。激光是當(dāng)今世界上高亮度的光源。是當(dāng)今世界上高亮度的光源。激光在屏上形成的小光斑，有極大的激光在屏上形成的小光斑，有極大的照度照度激光的能量集中激光的能量集中脈沖瞬時功率大（可達(dá)脈沖瞬時功率大（可達(dá)1014瓦），顏色瓦），顏色非常單純，而且只向著一個方向發(fā)光，亮度極高。非常單純，而且只向著一個方向發(fā)光，亮度極

48、高。激光的能量在空間上、在時間上高度集中激光的能量在空間上、在時間上高度集中光能量不僅在空間上光能量不僅在空間上高度集中，同時在時高度集中，同時在時間上也可高度集中，間上也可高度集中，因而可以在一瞬間產(chǎn)因而可以在一瞬間產(chǎn)生出巨大的光熱。生出巨大的光熱。在工業(yè)上，在工業(yè)上， 激光打孔、切割和焊接。激光打孔、切割和焊接。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進(jìn)行外科手術(shù)。醫(yī)學(xué)上視網(wǎng)膜凝結(jié)和進(jìn)行外科手術(shù)。在測繪方面，可以進(jìn)行地球到月球在測繪方面，可以進(jìn)行地球到月球之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。之間距離的測量和衛(wèi)星大地測量。在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機(jī)和在軍事領(lǐng)域，可以制成摧毀敵機(jī)和導(dǎo)彈的激光武器導(dǎo)彈的激光武器 。）相干

49、性好）相干性好激光的特點激光的特點l空間相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源?？臻g相干性好，有的激光波面上各個點幾乎都是相干光源。l時間相干性好（時間相干性好（ 10 - 8埃），相干長度可達(dá)幾十公里。埃），相干長度可達(dá)幾十公里。）方向性好）方向性好激光的特點激光的特點一束激光射到一束激光射到38萬萬km的月球的月球上，光斑的直徑只有上，光斑的直徑只有2km手電筒的光射到手電筒的光射到m處，處，擴(kuò)展成很大的光斑。擴(kuò)展成很大的光斑。 利用激光準(zhǔn)直儀可使利用激光準(zhǔn)直儀可使長為長為2.5km的隧道掘進(jìn)的隧道掘進(jìn)偏差不超過偏差不超過16nm.能量輸入系統(tǒng)（維持連續(xù)不斷的受激輻射）；能量輸入系

50、統(tǒng)（維持連續(xù)不斷的受激輻射）；實現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)的激光器（工作物質(zhì)與激活物質(zhì)）。實現(xiàn)粒子反轉(zhuǎn)的激光器（工作物質(zhì)與激活物質(zhì)）。激光的產(chǎn)生條件：激光的產(chǎn)生條件：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)。高能級的原子數(shù)大于低能級的原子數(shù)。 平衡態(tài)時各能級的粒子數(shù)平衡態(tài)時各能級的粒子數(shù)n1n2n3 波長為波長為5500埃的黃綠光照射埃的黃綠光照射 后后n2n1 紅寶石激光器中的Cr的能級 工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：Al2O3 單晶；單晶；激活物質(zhì)激活物質(zhì): Cr3+離子離子 （提供亞穩(wěn)態(tài)能級，以實現(xiàn)（提供亞穩(wěn)態(tài)能級，以實現(xiàn)泵浦作用而激發(fā)震蕩產(chǎn)生激光。）泵浦作用而激發(fā)震蕩產(chǎn)生激光。）u粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)

51、反轉(zhuǎn)是是激光激光產(chǎn)生的前提。一個產(chǎn)生的前提。一個原子原子可以在不可以在不同的同的能級能級之間之間躍遷躍遷。在通常情況下，因為。在通常情況下，因為熱力學(xué)熱力學(xué)的的平平衡態(tài)衡態(tài)服從波爾茲曼分布律，使得處于服從波爾茲曼分布律，使得處于基態(tài)基態(tài)（最低能級）（最低能級）的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于處于的原子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于處于激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)（較高能級）的原子數(shù)，（較高能級）的原子數(shù)，這種情況得不到激光。為了形成足夠的激發(fā)輻射，得這種情況得不到激光。為了形成足夠的激發(fā)輻射，得到激光，就必須用一定的方法去到激光，就必須用一定的方法去激發(fā)激發(fā)原子群體，使原子群體，使亞亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)上的原子數(shù)目超過基態(tài)上的。該過程稱為粒子數(shù)上的原子數(shù)

52、目超過基態(tài)上的。該過程稱為粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。各種激發(fā)方式被形象化地稱為泵浦或抽運。的反轉(zhuǎn)。各種激發(fā)方式被形象化地稱為泵浦或抽運。為了使激光持續(xù)輸出，必須不斷地為了使激光持續(xù)輸出，必須不斷地“泵浦泵浦”以補(bǔ)充高以補(bǔ)充高能級的粒子向下躍遷的消耗量。例如，氦氖激光器中，能級的粒子向下躍遷的消耗量。例如，氦氖激光器中，通過氦原子的協(xié)助，使氖原子中的兩個能級實現(xiàn)粒子通過氦原子的協(xié)助，使氖原子中的兩個能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而獲得激光。數(shù)反轉(zhuǎn)而獲得激光。laser亞穩(wěn)態(tài)常見的激光材料及其應(yīng)用：常見的激光材料及其應(yīng)用：紅寶石紅寶石CrAlCrAl2 2O O3 3激光器：激光器：激光加工、激光測距、激光加工、激光測距

53、、激光醫(yī)療器械。激光醫(yī)療器械。摻摻w w(Nd)(Nd) 1%1%的釔鋁石榴石單晶（的釔鋁石榴石單晶（Y3Al5O15）摻摻NdNd3 3離子的激光玻璃：離子的激光玻璃：光通訊的光纖放光通訊的光纖放大器、醫(yī)學(xué)。大器、醫(yī)學(xué)。作業(yè)：作業(yè)：激光具有什么特點？舉出生活中應(yīng)用激光具有什么特點？舉出生活中應(yīng)用激光的事例。激光的事例。4. 無機(jī)材料的紅外光學(xué)性能無機(jī)材料的紅外光學(xué)性能1. 紅外技術(shù)的起源和應(yīng)用紅外技術(shù)的起源和應(yīng)用 紅外線紅外線是是太陽太陽光線光線中眾多不可見光線中的一種。中眾多不可見光線中的一種。18001800年，英國天文學(xué)家赫胥爾年，英國天文學(xué)家赫胥爾(F.W.Herschel)(F.W

54、.Herschel)用溫度計測量用溫度計測量太陽光可見光區(qū)內(nèi)外溫度時，發(fā)現(xiàn)紅色光以外太陽光可見光區(qū)內(nèi)外溫度時，發(fā)現(xiàn)紅色光以外“黑暗黑暗”部分部分的溫度比可見光部分高，從而意識到在紅色光以外還存在一的溫度比可見光部分高，從而意識到在紅色光以外還存在一種肉眼看不見的種肉眼看不見的“光光”，因此稱之為紅外光，而對應(yīng)的這段，因此稱之為紅外光，而對應(yīng)的這段光區(qū)便稱為紅外光區(qū)（光區(qū)便稱為紅外光區(qū)（0.750.7510001000 m)m)。赫胥爾實驗表明：物質(zhì)對紅外光具有選擇性吸收。赫胥爾實驗表明：物質(zhì)對紅外光具有選擇性吸收。（1 1）起源）起源（2 2）應(yīng)用）應(yīng)用l20世紀(jì)世紀(jì)30年代以前主要用來做學(xué)術(shù)

55、研究；其后發(fā)現(xiàn)，每種年代以前主要用來做學(xué)術(shù)研究；其后發(fā)現(xiàn)，每種處于處于0K以上以上的物體均發(fā)射的物體均發(fā)射特征電磁波輻射，特征電磁波輻射，并主要位于電磁并主要位于電磁波譜的紅外區(qū)域波譜的紅外區(qū)域這個特征對于軍事觀察和測定肉眼看不這個特征對于軍事觀察和測定肉眼看不見的物體具見的物體具有特殊意義。有特殊意義。u紅外線照射體表后，一部分紅外線照射體表后，一部分被被反射反射，另一部分，另一部分被皮膚吸收被皮膚吸收。皮膚對紅外線的反射程度與色素沉著的狀況有關(guān)。皮膚對紅外線的反射程度與色素沉著的狀況有關(guān)。由于由于眼球眼球含有較多的液體含有較多的液體，對紅外線吸收較強(qiáng)對紅外線吸收較強(qiáng)，因而一定強(qiáng)度，因而一定

56、強(qiáng)度的紅外線直接照射眼睛時可引起的紅外線直接照射眼睛時可引起白內(nèi)障白內(nèi)障。l紅外探測技術(shù)在現(xiàn)代國防技術(shù)中占有十分重要的地紅外探測技術(shù)在現(xiàn)代國防技術(shù)中占有十分重要的地位，各種導(dǎo)彈的制造，紅外預(yù)警（包括探測、識別位，各種導(dǎo)彈的制造，紅外預(yù)警（包括探測、識別和跟蹤、預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)測飛機(jī)、各種偵察機(jī)等）、和跟蹤、預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)測飛機(jī)、各種偵察機(jī)等）、觀察瞄準(zhǔn)（高能束攔截武器等）都離不開紅外探測觀察瞄準(zhǔn)（高能束攔截武器等）都離不開紅外探測技術(shù)。技術(shù)。海灣戰(zhàn)爭中被美國擊落的飛機(jī)，海灣戰(zhàn)爭中被美國擊落的飛機(jī)，40%40%左右是由左右是由紅外制導(dǎo)的空紅外制導(dǎo)的空/ /空導(dǎo)彈擊中的空導(dǎo)彈擊中的. .l紅外制導(dǎo)紅外制

57、導(dǎo):是利用紅外探測器捕獲和跟蹤目標(biāo)自身是利用紅外探測器捕獲和跟蹤目標(biāo)自身輻射的能量來實現(xiàn)尋地制導(dǎo)的技術(shù)。紅外制導(dǎo)技術(shù)輻射的能量來實現(xiàn)尋地制導(dǎo)的技術(shù)。紅外制導(dǎo)技術(shù)是精確制導(dǎo)武器一個十分重要的技術(shù)手段是精確制導(dǎo)武器一個十分重要的技術(shù)手段 。國外紅國外紅外技術(shù)的發(fā)展，都是以紅外探測器，特別是紅外探外技術(shù)的發(fā)展，都是以紅外探測器，特別是紅外探測器材料（簡稱紅外材料）的發(fā)展為先導(dǎo)和標(biāo)志的。測器材料（簡稱紅外材料）的發(fā)展為先導(dǎo)和標(biāo)志的。紅外材料是紅外光電探測技術(shù)的基礎(chǔ)，在紅外技術(shù)紅外材料是紅外光電探測技術(shù)的基礎(chǔ)，在紅外技術(shù)的研究中有舉足輕重的地位。的研究中有舉足輕重的地位。l紅外光學(xué)材料紅外光學(xué)材料是指在

58、紅外成像與制導(dǎo)技術(shù)中用于是指在紅外成像與制導(dǎo)技術(shù)中用于制造透鏡、棱鏡、窗口、濾光片、整流罩等的一類制造透鏡、棱鏡、窗口、濾光片、整流罩等的一類材料。這些材料具備滿足需要的物理及化學(xué)性質(zhì)，材料。這些材料具備滿足需要的物理及化學(xué)性質(zhì)，即即主要指標(biāo)主要指標(biāo)為：良好的紅外透明性與較寬的透射波為：良好的紅外透明性與較寬的透射波段。段。l紅外材料技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合，紅外材料技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合， 極大地推動極大地推動了紅外成像與紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。紅外技術(shù)應(yīng)用了紅外成像與紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。紅外技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展，又促進(jìn)了紅外材料技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)步。與發(fā)展，又促進(jìn)了紅外材料技術(shù)的發(fā)展及進(jìn)步。紅外技術(shù)的應(yīng)用

59、主要概括為以下四個方面：紅外技術(shù)的應(yīng)用主要概括為以下四個方面：總結(jié)總結(jié)1）輻射測量和光譜輻射測量；）輻射測量和光譜輻射測量；2）對能量輻射物的搜索和跟蹤；）對能量輻射物的搜索和跟蹤；3）制造紅外成像器件；）制造紅外成像器件；4）通信和遙控。）通信和遙控。（3 3）紅外光學(xué)儀器組成：）紅外光學(xué)儀器組成：紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)接收外來紅外接收外來紅外輻射，進(jìn)行光學(xué)過程處理（透過、輻射，進(jìn)行光學(xué)過程處理（透過、折射、吸收等）。折射、吸收等）?！把劬ρ劬Α薄耙暰W(wǎng)視網(wǎng)膜膜”探測器探測器把接收到的紅外輻把接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成人們便于測量和觀察射轉(zhuǎn)換成人們便于測量和觀察的電能、熱能等形式。的電能、熱能等

60、形式。2.2.紅外透過材料紅外透過材料 u紅外光學(xué)系統(tǒng)對紅外透過材料的基本要求是：透過紅外光學(xué)系統(tǒng)對紅外透過材料的基本要求是：透過率高，透過的短波限低，頻帶寬。自身輻射小，熱穩(wěn)率高，透過的短波限低，頻帶寬。自身輻射小，熱穩(wěn)定性好。定性好。u目前實用的紅外透過材料包括：玻璃、晶體、目前實用的紅外透過材料包括：玻璃、晶體、透明陶瓷、塑料等透明陶瓷、塑料等4 4類。類。u主要指紅外光學(xué)系統(tǒng)中的窗口、整流罩、透鏡、主要指紅外光學(xué)系統(tǒng)中的窗口、整流罩、透鏡、棱鏡、濾光片、調(diào)制盤等。棱鏡、濾光片、調(diào)制盤等。玻璃玻璃優(yōu)點：光學(xué)均勻性好，易于加工成型，便宜。優(yōu)點：光學(xué)均勻性好，易于加工成型，便宜。缺點：透過波