2 光学材料.ppt

光学材料光学材料Optical Materials2v光是光是电磁波电磁波，其颜色由它们的波长，其颜色由它们的波长（单位：（单位：cm或或nm）决定）决定C=v光速光速C等于波长等于波长 和频率和频率（单位：（单位：s1）的乘积：）的乘积：可见光的波长大约在可见光的波长大约在400 700 nm之间。之间。34v光学材料光学材料是用来制作是用来制作光学零件光学零件的材料，如玻璃、的材料，如玻璃、光学晶体、光学塑料等，包括：光学晶体、光学塑料等，包括：光纤材料光纤材料发光材料发光材料红外材料红外材料激光材料激光材料光色材料光色材料5一、一、发光材料发光材料v发光是物质将某种方式吸收的能量转化为发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光辐射光辐射的过程的过程v光子光子是固体中的电子在受激高能态返回较低能态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时发射出来的v当发出光子的能量在当发出光子的能量在1.8 3.1 eV时，便是时，便是可见光可见光1.概述概述67v光辐射有平衡辐射和非平衡辐射两大类：光辐射有平衡辐射和非平衡辐射两大类：平平衡衡辐辐射射的的性性质质只只与与辐辐射射体体的的温温度度和和发发射射本本领领有有关，又称为关，又称为热辐射热辐射非非平平衡衡辐辐射射是是在在外外界界激激发发下下物物体体偏偏离离了了原原来来的的热热平衡态，继而发出的辐射平衡态，继而发出的辐射平衡辐射和非平衡辐射平衡辐射和非平衡辐射8热辐射与温度的关系热辐射与温度的关系9v发发光光材材料料的的晶晶格格要要具具有有结结构构缺缺陷陷或或杂杂质质缺缺陷陷，材材料才具有发光性能料才具有发光性能结结构构缺缺陷陷是是晶晶格格间间的的空空位位等等晶晶格格缺缺陷陷，由由其其引引起起的发光称为的发光称为自激活发光自激活发光如如果果在在基基质质材材料料中中有有选选择择地地掺掺入入微微量量杂杂质质在在晶晶格格中形成杂质缺陷，由其引起的发光叫中形成杂质缺陷，由其引起的发光叫激活发光激活发光掺入的微量杂质一般充当掺入的微量杂质一般充当发光中心发光中心，称，称激活剂激活剂。实际应用的发光材料大多是实际应用的发光材料大多是激活型发光材料激活型发光材料。发光材料（非平衡辐射）的晶格发光材料（非平衡辐射）的晶格10v发光材料的化学成分表示形式：发光材料的化学成分表示形式：MR:AMR为发光材料的为发光材料的基质基质A为为激活剂激活剂例如：例如：ZnS:Cu11被激发和去激发可能的过程被激发和去激发可能的过程价带与导带之间价带与导带之间价带与缺陷能级之间价带与缺陷能级之间缺陷能级与导带之间缺陷能级与导带之间两个不同能量的缺陷能级之间两个不同能量的缺陷能级之间v发发光光是是去去激激发发的的一一种种方方式式，晶晶体体中中电电子子的的被被激激发发和和去激发去激发互为逆过程互为逆过程被激发和去激发可能在被激发和去激发可能在价带价带、导带导带和和缺陷能级缺陷能级中任意两个之间进行：中任意两个之间进行：12材料发光的基本性质材料发光的基本性质v发发射射光光谱谱是是指指在在一一定定的的激激发发条条件件下下发发射射光光强强按按波波长的分布长的分布1）发射光谱（颜色）发射光谱（颜色）宽带宽带：半宽度：半宽度100nm，如，如CaWO4窄带窄带：半宽度：半宽度50nm，如，如Sr2(PO4)Cl:Eu3+线谱线谱：半宽度：半宽度0.1nm，如，如GdVO4:Eu3+材料的发光光谱可分为下列材料的发光光谱可分为下列3种类型：种类型：13Y2O2S:Tb3+的线状发射光谱的线状发射光谱这种材料由于同时可发绿色和蓝色光，常被选这种材料由于同时可发绿色和蓝色光，常被选作作黑白电视显像材料黑白电视显像材料。142）发光强度）发光强度v发发光光强强度度是是随随激激发发强强度度而而变变的的，通通常常用用发发光光效效率率来表征材料的发光能力来表征材料的发光能力v发光效率也同激发强度有关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。也可发出可觉察的光或较强的光。15v发光效率有三种表示方法：发光效率有三种表示方法：量量子子效效率率：发发光光的的量量子子数数与与激激发发源源输输入入的的量量子子数数的比值的比值能量效率能量效率：发光的能量与激发源输入能量的比值：发光的能量与激发源输入能量的比值光度效率光度效率：发光的光度与激发源输入能量的比值：发光的光度与激发源输入能量的比值16v发发光光体体在在激激发发停停止止之之后后持持续续发发光光时时间间的的长长短短称称为为发光寿命发光寿命（荧光寿命荧光寿命或或余辉时间余辉时间）v一一般般约约定定，从从激激发发停停止止时时的的发发光光强强度度I0衰衰减减到到I0/10的时间称为的时间称为余辉时间余辉时间v发光最初分为发光最初分为荧光荧光及及磷光磷光两种两种3）发光寿命）发光寿命当时对发光持续时间很短的发光无法测量，才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。有这种划分法。17固体吸收能量后，激发态的寿命极短，一般大约固体吸收能量后，激发态的寿命极短，一般大约仅仅108s就会自动回到基态而放出光子就会自动回到基态而放出光子这种发光现象称为这种发光现象称为荧光荧光，撤去激发源后，荧光，撤去激发源后，荧光立即停止，立即停止，延迟发射延迟发射 108 s18v根据余辉时间的长短可以把发光材料分为：根据余辉时间的长短可以把发光材料分为：超短余辉超短余辉：1 s19v根据发光的类型，可把发光材料分为：根据发光的类型，可把发光材料分为：光致光致发光材料发光材料阴极射线阴极射线发光材料发光材料场致场致发光材料发光材料发光二极管发光二极管X射线射线发光材料发光材料等离子体发光等离子体发光发光材料发光材料分类分类20v光光致致发发光光是是指指通通过过较较高高能能量量的的光光辐辐射射（如如紫紫外外光光）将材料中的电子激发到高能态从而导致发光将材料中的电子激发到高能态从而导致发光2.光致发光材料光致发光材料如可用于如可用于荧光灯荧光灯的的荧光粉荧光粉，荧光粉涂在充满汞，荧光粉涂在充满汞的玻璃管内侧。的玻璃管内侧。21v早期的荧光粉是早期的荧光粉是MgWO4与与(Zn,Be)2SiO4:Mn2+v1949年年，出出现现了了锰锰、锑锑激激活活的的卤卤磷磷酸酸钙钙荧荧光光粉粉3Ca3(PO4)2Ca(F,Cl)2:Mn,Sb（卤粉卤粉）量子效率较高、稳定性好、原料易得、价格便宜量子效率较高、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光色的输出这些突出的优点使它一直沿用至今。这些突出的优点使它一直沿用至今。22电子轰击电子轰击Hg使其使其激发激发受激受激Hg放出放出紫外线紫外线紫外线使荧光粉中的紫外线使荧光粉中的Sb3+、Mn2+激发激发处于激发态的处于激发态的Sb3+和和Mn2+返回基态时发出光返回基态时发出光荧光灯发光原理荧光灯发光原理二者的二者的光谱范围都较宽光谱范围都较宽，几乎遍及整个可见光，几乎遍及整个可见光谱范围（一种谱范围（一种白色光白色光）。）。23v发红光的荧光粉发红光的荧光粉Y2O3:Eu3+v发绿光的荧光粉发绿光的荧光粉 MgAl11O19:Ce3+,Tb3+v发蓝光的荧光粉发蓝光的荧光粉BaMg2Al16O27:Eu2+发彩色光荧光粉发彩色光荧光粉24v长长余余辉辉发发光光材材料料是是一一种种通通过过环环境境光光激激发发出出可可见见光光，而且在激发停止后仍可继续发光的物质而且在激发停止后仍可继续发光的物质长余辉发光材料长余辉发光材料v常常用用的的传传统统长长余余辉辉材材料料主主要要是是硫硫化化锌锌和和硫硫化化钙钙荧荧光体光体简称简称长余辉材料长余辉材料，又称，又称夜光材料夜光材料。25长余辉材料不消耗电能，但能把吸收的环境光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，是一种照明的作用，是一种“绿色绿色”光源材料光源材料。26v阴阴极极射射线线发发光光是是在在真真空空中中从从阴阴极极出出来来的的电电子子经经加加速后轰击荧屏所发出的光速后轰击荧屏所发出的光3.阴极射线发光材料阴极射线发光材料发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。使使用用阴阴极极射射线线发发光光材材料料时时应应考考虑虑它它的的亮亮度度及及影影响响亮度的几个因素亮度的几个因素还必须考虑另外两个重要特性：还必须考虑另外两个重要特性：发光颜色发光颜色及及衰减衰减如对于必须保证特定颜色的彩色电子束管，一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。般要牺牲一定的亮度。27飞飞点点扫扫描描管管要要求求发发光光的的上上升升及及衰衰减减都都很很快快，约约107s，从发光中心看，从发光中心看，Ce2+可满足这个要求。可满足这个要求。Y2SiO3:Ce、Y3A15O12:Ce及及它它们们的的混混合合物物的的余余辉约为辉约为107108s。28雷达显示屏雷达显示屏要求长余辉，一般采用要求长余辉，一般采用双层屏双层屏。在在电电子子束束轰轰击击下下，电电子子束束激激发发第第一一层层材材料料ZnS:Ag，发出，发出短余辉的蓝光短余辉的蓝光它它再再激激发发第第二二层层材材料料(Zn,Cd)S:Cu,Al，发发射射长长余余辉的黄光辉的黄光29由由于于电电子子的的能能量量在在几几千千电电子子伏伏以以上上，所所以以除除发发光以外，还产生光以外，还产生X射线射线。X射射线线对对人人体体有有害害，因因而而在在显显示示屏屏的的玻玻璃璃中中常常添添加加一一些些重重金金属属（如如Pb），以以吸吸收收在在电电子子轰轰击击下荧光屏所产生的下荧光屏所产生的X射线。射线。30阴极射线发光材料阴极射线发光材料31v半半导导体体材材料料在在外外电电场场作作用用下下，出出现现发发光光的的现现象象称称为为场（电）致发光场（电）致发光4.场致发光材料场致发光材料场致发光材料是场致发光材料是禁带宽度比较大的半导体禁带宽度比较大的半导体。v在在这这些些半半导导体体内内场场致致发发光光的的微微观观过过程程主主要要是是碰碰撞撞激发或离化杂质中心激发或离化杂质中心32它在与金属电极相接的界面上形成一个它在与金属电极相接的界面上形成一个势垒势垒电子从金属电极一侧电子从金属电极一侧隧穿隧穿到半导体的几率明显到半导体的几率明显增大，当电压提高时，几率进一步增大。增大，当电压提高时，几率进一步增大。电电子子进进入入半半导导体体后后随随即即被被半半导导体体内内的的电电场场加加速速，动能增加动能增加沿电场方向的整个自由程内，能量愈积愈高。沿电场方向的整个自由程内，能量愈积愈高。33当当它它与与发发光光中中心心或或基基质质的的某某个个原原子子发发生生碰碰撞撞，它它就会将一部分能量交给中心或基质的电子就会将一部分能量交给中心或基质的电子前前者者，由由于于电电子子没没有有离离开开中中心心，当当它它从从激激发发态态跃跃迁到基态时，就发射出光来迁到基态时，就发射出光来后后者者，由由于于电电子子离离开开了了中中心心，进进入入导导带带而而为为整整个个晶格所有，电子与晶格所有，电子与离化中心离化中心复合时，就发出光束复合时，就发出光束场场致致发发光光材材料料在在交交流流电电压压或或直直流流电电压压作作用用下下都都可发光。可发光。使它们被使它们被激发激发或被或被离化离化。34v直直流流场场致致发发光光材材料料本本身身就就是是一一个个可可传传导导电电流流的的半半导体，最常用的直流场致发光粉末材料有：导体，最常用的直流场致发光粉末材料有：ZnS:Mn,Cu，亮亮度度约约350 Cd/m2，发发光光效效率率为为0.5 lm/W，发黄光，发黄光ZnS:Ag可以发出蓝光可以发出蓝光(ZnCd)S:Ag可以发出绿光可以发出绿光改变配比改变配比(ZnCd)S:Ag可以发出红光可以发出红光35v交交流流场场致致发发光光的的效效率率较较高高，可可达达15 lm/W，场场致致发发光的研究和应用都以交流场致发光为主光的研究和应用都以交流场致发光为主当当前前，薄薄膜膜场场致致发发光光材材料料最最受受人人重重视视，它它的的机机理理和粉末材料中的过程一样，只是它和粉末材料中的过程一样，只是它不需要介质不需要介质而而且且可可在在高高频频电电压压下下工工作作，发发光光亮亮度度很很高高，发发光光效率也高，而且寿命可达效率也高，而且寿命可达104 h以上以上36交流场致发光材料交流场致发光材料场致发光场致发光显示屏显示屏37v发发光光二二极极管管（LED）是是具具有有发发光光特特性性的的半半导导体体二二极管极管5.发光二极管发光二极管施施加加正正向向电电压压时时，通通过过p-n结结分分别别把把n区区电电子子注注入入p区，区，p区空穴注入区空穴注入n区区进进入入对对方方区区域域的的少少数数载载流流子子一一部部分分与与多多数数载载流流子子复合而发光复合而发光3839v注入的电子或者与价带空穴直接注入的电子或者与价带空穴直接复合而发光复合而发光v或者先被或者先被发光中心发光中心捕获后，再与空穴复合发光捕获后，再与空穴复合发光由由于于复复合合是是在在少少数数载载流流子子扩扩散散区区内内发发光光的的，所所以光仅在靠近以光仅在靠近PN结面数结面数 m以内以内产生。产生。假设发光是在假设发光是在P区中发生区中发生v除除了了这这种种发发光光复复合合外外，还还有有些些电电子子被被非非发发光光中中心心（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获（这个中心介于导带、价带中间附近）捕获而而后后再再与与空空穴穴复复合合，每每次次释释放放的的能能量量不不大大，不不能形成可见光。能形成可见光。40发发光光的的复复合合量量相相对对于于非非发发光光复复合合量量的的比比例例越越大大，光量子效率光量子效率越高。越高。41v发光在可见光区，发光在可见光区，Eg 1.8 eV，700 nmv材料容易作成材料容易作成n型及型及p型型发光二极管用材料发光二极管用材料应应具有具有的的特性特性常常用用的的是是同同质质结结，也也就就是是在在p型型及及n型型材材料料接接触触面两侧是同一种基质。面两侧是同一种基质。v有效率高的发光中心或复合发光有效率高的发光中心或复合发光v效率降到初始值一半的时间要大于效率降到初始值一半的时间要大于105 hv材料要能生长成材料要能生长成单晶单晶，并能规模生产且价廉，并能规模生产且价廉42发光二极管用主要半导体材料发光二极管用主要半导体材料43vLED和和器器件件已已实实现现红红橙橙黄黄绿绿青青蓝蓝紫紫七七彩彩原原色色的的生生产和应用，并拓展到产和应用，并拓展到近红外近红外和和近紫外近紫外范围范围如发红光的如发红光的GaAsP，发绿光的，发绿光的GaP等。等。44vLED的的发发光光效效率率也也提提高高上上千千倍倍：现现使使用用GaN基基材材料料的二极管，可发出的二极管，可发出高亮度的白光高亮度的白光在在20mA的的电电流流下下，发发光光强强度度达达到到2Cd，能能作作为为强光源强光源使用。使用。45v发发光光二二极极管管最最有有前前景景的的用用途途是是照照明明，具具有有高高效效、节能、环保、寿命长、易维护等优点节能、环保、寿命长、易维护等优点发光二极管发光二极管的应用的应用以以LED为为主主的的半半导导体体照照明明被被誉誉为为是是人人类类照照明明史史上继白炽灯、荧光灯之后的又一次革命。上继白炽灯、荧光灯之后的又一次革命。46LED灯带灯带v发光二极管也可做成发光二极管也可做成指示器指示器和和数字显示器数字显示器用用于于计计算算机机、广广告告、家家用用电电器器、车车辆辆、交交通通信信号及类似的仪表的显示中。号及类似的仪表的显示中。LED灯音频指示器灯音频指示器47vLED电电视视实实际际上上还还是是液液晶晶电电视视，只只是是将将液液晶晶电电视视中的中的CCFL背光灯背光灯管换成发光更稳定的管换成发光更稳定的二极管二极管主主要要的的优优势势是是发发光光均均匀匀、色色彩彩更更好好、节节能能环环保保、寿命更长寿命更长RGB-LED有助提升液晶电视的色域，可达有助提升液晶电视的色域，可达105%486.X射线激发发光材料射线激发发光材料vX射线发光材料是由射线发光材料是由X射线辐射而发光的材料射线辐射而发光的材料如如它它将将X射射线线透透过过人人体体或或物物体体后后所所形形成成的的X射射线线潜像潜像转换成可见图像。转换成可见图像。vX射线发光材料可使射线发光材料可使X光转换为可见光并显示成像光转换为可见光并显示成像X射射线线发发光光材材料料在在发发光光材材料料中中使使用用较较早早，而而且且应用量很大。应用量很大。49X射射线线扫扫描描及及计计算算机机配配合合组组成成断断层层分分析析系系统统，也就是常说的也就是常说的CT系统系统。50X射线发光材料射线发光材料X射射线线发发光光材材料料的的发发光光或或起起源源于于原原子子团团，或或起起源于源于掺杂离子的能级间的电子跃迁掺杂离子的能级间的电子跃迁。517.等离子体发光等离子体发光v等等离离子子体体发发光光是是用用气气体体放放电电方方法法产产生生发发光光的的显显示示技术技术等等离离子子发发光光一一般般用用氖氖气气为为基基质质，另另外外掺掺一一些些其其他他气体，如氦气、氢气等气体，如氦气、氢气等这类气体发光都是这类气体发光都是橙红色橙红色。52现代显示技术趋向彩色化，人们求助于现代显示技术趋向彩色化，人们求助于光致发光光致发光即在放电管的近旁涂上了即在放电管的近旁涂上了发光粉发光粉。53二、二、红外材料红外材料v红红外外线线同同可可见见光光一一样样都都是是电电磁磁波波，它它的的波波长长范范围围很宽，从很宽，从0.71000 m近红外近红外：0.715 m中红外中红外：1550 m远红外远红外：501000 m红外线按波长可分为三个光谱区：红外线按波长可分为三个光谱区：54v红外线同可见光一样，具有红外线同可见光一样，具有波粒二象性波粒二象性这个特征对于军事观察和测定肉眼看不见的物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。体具有特殊意义。遵守光的反射和折射定律，在一定条件下产生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。干涉和衍射现象。v在在0K以以上上，一一切切物物体体均均可可产产生生热热辐辐射射，除除炽炽热热物物体外，其他物体体外，其他物体电磁波主要位于红外区域电磁波主要位于红外区域55v基尔霍夫定律基尔霍夫定律：1.红外辐射的三个规律红外辐射的三个规律表明：表明：若物体对某种波长的辐射有很强的吸收能力，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则它对这种辐射的发射能力也很强推论：推论：性能好的反射体或透明体，必然是性能差的性能好的反射体或透明体，必然是性能差的辐射体辐射体同温度物体同温度物体红外发射能力红外发射能力正比于其正比于其红外吸收能力红外吸收能力红红外外平平衡衡状状态态时时，物物体体吸吸收收的的红红外外能能量量恒恒等等于于它它所发射的红外能量所发射的红外能量56v斯斯蒂蒂芬芬-玻玻耳耳兹兹曼曼定定律律：物物体体辐辐射射的的红红外外能能量量密密度度M与其自身的热力学温度与其自身的热力学温度T的四次方成正比：的四次方成正比：可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。可见，物体的温度越高，红外辐射能量越多。：黑黑体体的的辐辐射射常常数数，或或称称斯斯蒂蒂芬芬-玻玻尔尔兹兹曼曼常常数数，等于等于5.67 10-8 W/m2K4M：单位面积发射的能通量（：单位面积发射的能通量（W/m2）57v维维恩恩位位移移定定律律：物物体体的的红红外外辐辐射射能能量量密密度度大大小小，随波长（频率）不同而变化随波长（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与辐射能量密度最大峰值相对应的波长为峰值峰值波长波长。维恩通过大量实验得出了峰值波长和物体热力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：学温度之间的关系：58红外辐射能量密度曲线红外辐射能量密度曲线592.红外红外光学光学材料材料（透红外材料透红外材料）v通通常常把把可可以以透透过过红红外外辐辐射射的的介介质质称称为为红红外外光光学学材材料料，一般透过率要求在，一般透过率要求在50%以上以上许多对可见光透明的介质，对红外辐射却是不许多对可见光透明的介质，对红外辐射却是不透明的。透明的。用于制造红外仪器的部件，如红外探测器的用于制造红外仪器的部件，如红外探测器的窗窗口口、红外仪器光学系统的、红外仪器光学系统的透镜和棱镜透镜和棱镜等。等。红外光学材料主要是红外光学材料主要是晶体晶体一部分一部分玻璃及高分子材料玻璃及高分子材料也可作为透红外材料也可作为透红外材料60几种红外光学材料的透过率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有较高的每种材料都对某些波长范围的红外线有较高的透过率。透过率。61v单质的锗、硅可作为红外光学材料单质的锗、硅可作为红外光学材料（1）单质晶体单质晶体Si力学性能和抗热冲击性比锗好，温度影响也小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，使用时需镀但硅折射率高，使用时需镀增透膜增透膜以减少反射损失。以减少反射损失。62v碱碱卤卤化化合合物物晶晶体体是是一一类类离离子子晶晶体体，如如：LiF、NaF、KCl、NaCl、KBr等等，其，其特点：特点：（2）碱卤化合物晶体碱卤化合物晶体熔点不高，容易生成熔点不高，容易生成大单晶大单晶具有较高的透过率和较宽的透过波段具有较高的透过率和较宽的透过波段但容易受潮、硬度低、力学强度差但容易受潮、硬度低、力学强度差应用范围受应用范围受限限63v如如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等，等，其其特点：特点：（3）碱土碱土-卤族化合物晶体卤族化合物晶体具有较高的力学强度和硬度具有较高的力学强度和硬度几乎不溶于水几乎不溶于水适合制作窗口、滤光片、基板等方面适合制作窗口、滤光片、基板等方面其中其中MgF2具有高于具有高于90%的红外透过率，是较为的红外透过率，是较为满意的满意的导弹导弹整整流罩透红外窗口材料流罩透红外窗口材料。64v氧氧化化物物晶晶体体如如蓝蓝宝宝石石（Al2O3）、石石英英（SiO2）、氧化镁（氧化镁（MgO）和金红石（和金红石（TiO2）等）等（4）氧化物晶体氧化物晶体熔点高熔点高、硬度大、硬度大化学稳定性好化学稳定性好作为作为优良的红外材料优良的红外材料在火箭、导弹、人造卫星、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窗口和整流罩等。等。具有优良的物理和化学性质具有优良的物理和化学性质：65v可作为红外透射光学材料使用的主要有可作为红外透射光学材料使用的主要有SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等等（5）无机盐化合物晶体无机盐化合物晶体SrTiO2单晶在红外装置中主要作单晶在红外装置中主要作浸没透镜浸没透镜使用使用Ba3Ta4O15单晶是单晶是一种一种耐高温耐高温的近红外透光材料的近红外透光材料66v如溴化铊如溴化铊（TlBr）、氯化铊、氯化铊（TlCl）、溴化铊、溴化铊-碘碘化铊化铊（KRS-5）和溴化铊和溴化铊-氯化铊氯化铊（KRS-6）（6）金属铊的卤化合物晶体金属铊的卤化合物晶体这类晶体具有很宽的透过波段且只微溶于水这类晶体具有很宽的透过波段且只微溶于水。所以是一种适于在所以是一种适于在较低温度较低温度下使用的良好的下使用的良好的红红外窗口与透镜外窗口与透镜材料。材料。67v在半导体材料中，有些晶体也具有良好的红外透在半导体材料中，有些晶体也具有良好的红外透过特性过特性（7）半导体晶体半导体晶体HgCdTe材料是材料是当前最重要的红外探测器材料当前最重要的红外探测器材料，可，可覆盖覆盖125 m的红外波段的红外波段是目前制备是目前制备光伏列阵器件光伏列阵器件、焦平面器件焦平面器件的主要的主要材料材料。ZnS和和ZnSe两种晶体都具有较宽的红外透过波段两种晶体都具有较宽的红外透过波段是作是作远红外导弹远红外导弹整整流罩流罩的候选材的候选材料料。68v玻璃玻璃的光学均匀性好，易于加工成型的光学均匀性好，易于加工成型、便宜便宜；缺；缺点是透过波长较短点是透过波长较短，使用温度低于，使用温度低于500（8）其他）其他红外光学破璃主要有以下几种：红外光学破璃主要有以下几种：硅酸盐玻璃、铝酸硅酸盐玻璃、铝酸盐玻璃、镓酸盐玻璃、硫化合物玻璃盐玻璃、镓酸盐玻璃、硫化合物玻璃等等v塑料塑料也可做红外光学材料，但近红外性能较差，也可做红外光学材料，但近红外性能较差，多用于多用于远红外远红外，如聚四氟乙烯、聚丙乙烯，如聚四氟乙烯、聚丙乙烯等等693.红外材料红外材料的用途的用途（1）红外）红外辐射测量辐射测量v非接触温度测量非接触温度测量农业、渔业、地面勘察农业、渔业、地面勘察v探测探测焊接缺陷焊接缺陷v微重力下微重力下热流过程热流过程研究研究红外云图红外云图70（2）对能量辐射物的搜索和跟踪对能量辐射物的搜索和跟踪空空红外制导导弹空空红外制导导弹干扰弹干扰弹7172（3）红外成像器件红外成像器件v主动式主动式红外成像系统（红外成像系统（红外夜视仪红外夜视仪）：自带红外自带红外光源，光源，利用不同物体对红外辐射反射利用不同物体对红外辐射反射率率不同不同成像成像优点：优点：成像清晰、对比度高、不受环境光源影响成像清晰、对比度高、不受环境光源影响缺点：缺点：易暴露，不利于军事应用易暴露，不利于军事应用装有红外夜视仪的步枪装有红外夜视仪的步枪红外夜视图像红外夜视图像73小图是可见光图像小图是可见光图像，大图是热图像大图是热图像热图像再现了景物各部分温度和辐射发射率的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。差异，能够显示出景物的特征。红外热成像系统红外热成像系统v被动式被动式红外成像系统（红外成像系统（红外热像仪红外热像仪）：利用物体利用物体自然发射的红外辐射自然发射的红外辐射74红外成像的医学应用红外成像的医学应用75优点：优点：（4）通信和遥控通信和遥控v抗干扰性好抗干扰性好，也不干扰其他信息也不干扰其他信息v不易被人发现和截获，不易被人发现和截获，保密性好保密性好缺点：缺点：v必须在必须在直视距离直视距离内通信，传输距离短内通信，传输距离短v要求通信设备的要求通信设备的位置固定位置固定v点对点点对点的传输连接，无法灵活地组成网络的传输连接，无法灵活地组成网络76USB接口红外通讯适配器接口红外通讯适配器红外遥控器红外遥控器77三、三、固体激光材料固体激光材料1.光与原子的相互作用光与原子的相互作用v受激吸收受激吸收：固体吸收一个光子的过程，固体中粒：固体吸收一个光子的过程，固体中粒子的能级由子的能级由E1跃迁到跃迁到E2v自发辐射自发辐射：处于高能态的原子不稳定，在无外界：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作用下，激发态原子会自发地向低能态跃迁并发射一个并发射一个光子光子，光子的能量为：，光子的能量为：1917年年Einstein提出，光与物质的相互作用包括提出，光与物质的相互作用包括受激吸收受激吸收、自发辐射自发辐射、受激辐射受激辐射3种跃迁过程。种跃迁过程。h =E2 E178v受激辐射受激辐射：处于处于高能态的原子高能态的原子，受到一个具有能量等于两能，受到一个具有能量等于两能级间差值（级间差值（h =E2 E1）的外来光子的作用时）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全相同的另一光子从而实现从而实现一个光子变两个光子一个光子变两个光子的的光放大光放大过程。过程。79受激辐射发出的光子的显著特点是它与诱发光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，不仅子完全相同，不仅频率（能量）频率（能量）相同，而且相同，而且发发射方向射方向、偏振方向偏振方向以及以及相位相位都完全一样。都完全一样。80受激辐射中，一个入射光子作用的结果得到两个受激辐射中，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，这样继续下去，就能得到大量的特征相同的光子，从而实现从而实现光放大光放大可见，在连续诱发的受激辐射中，各原子发出可见，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。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因此这样的受激辐射的光是相干光相干光。812.粒子数反转粒子数反转统计物理理论指出，在通常的热平衡状态下，原统计物理理论指出，在通常的热平衡状态下，原子在各能级上的分布服从子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律玻尔兹曼分布定律因此，处于因此，处于E1和和E2的原子数之比为：的原子数之比为：室温室温T=300K，设，设E2 E1=1eV，得，得N2/N1 1040即在温度即在温度T 时，原子处于能级时，原子处于能级Ei的数目为：的数目为：82v说明在正常状态下，处于高能态的原子数远小于说明在正常状态下，处于高能态的原子数远小于处于低能态的原子数，这种分布称为处于低能态的原子数，这种分布称为正常分布正常分布光通过正常分布的物质时，受激吸收过程较受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。激辐射过程占优势，不可能实现光放大。v要使受激辐射胜过受激吸收而占优势，必须使处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，称为这种分布与正常分布相反，称为粒子数反转粒子数反转。实现粒子数反转是产生激光的必要条件实现粒子数反转是产生激光的必要条件。83v用一个光子去激发位于高能级的电子或离子，使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之放出光子，则受激发射产生的光就是激光激光如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于都处于激发状态激发状态再用再用外界光感应外界光感应，使所有处于激发状态的原子和，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这将发出强大的光束3.激光的特点激光的特点因而激光具有因而激光具有强大的能量密度强大的能量密度。84v激光较普通光具有如下突出特点：激光较普通光具有如下突出特点：单色性单色性相干性极好相干性极好方向性极好方向性极好亮度极高亮度极高854.激光器激光器工作原理工作原理抽运过程抽运过程：在外界能源（电源或光源等）的：在外界能源（电源或光源等）的激励激励下，使基态上的粒子跃迁到激发态的过程下，使基态上的粒子跃迁到激发态的过程粒子数反转粒子数反转：当亚稳态上的粒子数多于基态上的：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粒子数时，实现了粒子数的反转受激辐射受激辐射：当由于某种原因使粒子从激发态跃迁：当由于某种原因使粒子从激发态跃迁到基态时，频率为到基态时，频率为 =(E2E1/h)的光就被放大的光就被放大激光产生。激光产生。86三能级系统三能级系统亚稳态能级亚稳态能级更好地为更好地为粒子数反转粒子数反转创造条件。创造条件。87v原子中可能存在这样一些能级，一旦电子被激发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，由于到这种能级上，由于不满足跃迁的选择规则不满足跃迁的选择规则，使，使它在这种能级上的寿命很长，不易发生自发跃迁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到低能级上，这种高能态能级称为亚稳态能级亚稳态能级v根据爱因斯坦的根据爱因斯坦的受激辐射理论受激辐射理论，处在亚稳态能级，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，并放出光子跃迁到低能级，并放出光子亚稳态能级和受激辐射亚稳态能级和受激辐射88激光器的组成激光器的组成三要素三要素v工作物质工作物质：又称：又称激光晶体激光晶体，由，由基质晶体基质晶体与与激活离激活离子子组成组成v泵浦泵浦：激励能源，实现粒子数反转：激励能源，实现粒子数反转v光学谐振腔光学谐振腔：两个高度平行的镀银面之间形成的：两个高度平行的镀银面之间形成的空间空间激活离子的作用在于提供亚稳态能级。激活离子的作用在于提供亚稳态能级。89在实现粒子数反转的工作物质内，在实现粒子数反转的工作物质内，初始诱发工作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物质原子发生受激辐射的光子来源于自发辐射而原子的而原子的自发辐射是随机的自发辐射是随机的，因而在这样的光子，因而在这样的光子激励下发生的受激辐射也是随机的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。都互不相关，也是随机的。光学谐振腔光学谐振腔90光学谐振腔光学谐振腔（两个高度平行的镀银面之间形成的空间）（两个高度平行的镀银面之间形成的空间）91工作物质：工作物质：红宝石红宝石-Al2O3（含（含0.05%Cr3+），），Cr3+离子提供产生激光所必要的电子能态。离子提供产生激光所必要的电子能态。v将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的将红宝石制成柱状，两端为高度抛光互相平行的平面平面v一个端面一个端面部分镀银部分镀银，能部分透光；另一端面，能部分透光；另一端面充分充分镀银镀银，使之对光波有完全反射作用，使之对光波有完全反射作用v在激光管内，用在激光管内，用氙气闪光灯氙气闪光灯辐照红宝石辐照红宝石红宝石激光器的组成红宝石激光器的组成5.红宝石激光器（三能级系统）红宝石激光器（三能级系统）92红宝石是红宝石是世界上第一台固体激光器世界上第一台固体激光器的工作物质。的工作物质。93外部激励外部激励：用氙气闪光灯（波长：用氙气闪光灯（波长560nm）照射红）照射红宝石，其中宝石，其中Cr3+离子中的电子受激转变为高能态离子中的电子受激转变为高能态实现实现粒子数反转粒子数反转。许多电子返回基态时先在亚稳态（许多电子返回基态时先在亚稳态（中间能级中间能级）停）停留较长时间留较长时间当少数电子自发地从亚稳态返回基态时，带动更当少数电子自发地从亚稳态返回基态时，带动更多电子以多电子以“雪崩雪崩”形式返回基态形式返回基态从而发射出愈来愈多的同频光子。从而发射出愈来愈多的同频光子。激光产生过程激光产生过程94通过反射作用得到通过反射作用得到高度准直的相干波高度准直的相干波激光激光平行于红宝石轴运动的光子部分透过平行于红宝石轴运动的光子部分透过半反射镜半反射镜，部分被半反射镜反射回来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从半反射镜出来的是高度准直的高强度相干波高度准直的高强度相干波，波长波长694.3 nm，单色光。，单色光。956.激光材料激光材料v生产激光系统最重要的是激光工作物质，可分为：生产激光系统最重要的是激光工作物质，可分为：固体固体、液体液体和和气体气体激光工作物质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，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。而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。96（1）晶体激光材料）晶体激光材料按照组成分类，激光晶体又可分为：按照组成分类，激光晶体又可分为：v掺杂型激光晶体掺杂型激光晶体：掺杂型激光晶体由掺杂型激光晶体由激活离子激活离子和和基质晶体基质晶体两部分组成两部分组成