3 无机非金属类功能材料简介

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1、第三章第三章 无机非金属类功能材料简介无机非金属类功能材料简介3.1.1 3.1.1 概述概述材料的光学性质是光与材料的相互作用而使材料材料的光学性质是光与材料的相互作用而使材料所表现出的特性。如果光与材料相互作用的光强较弱所表现出的特性。如果光与材料相互作用的光强较弱 ，场强的线性项起作用，光与材料的相互作用就产生，场强的线性项起作用，光与材料的相互作用就产生 各种线性光学效应。如吸收、反射、全反射、透射、各种线性光学效应。如吸收、反射、全反射、透射、 折射、色散、散射以及各种现象中有关光偏振态改变折射、色散、散射以及各种现象中有关光偏振态改变 的效应等。这种利用线性光学效应传输光线的材料为

2、的效应等。这种利用线性光学效应传输光线的材料为 光学介质材料光学介质材料(optical medium materials)(optical medium materials)。3.1 3.1 光学材料简介光学材料简介光学介质材料可以以折射、反射和透射的方式光学介质材料可以以折射、反射和透射的方式改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定的要改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定的要求传输；也可以吸收或透过一定波长范围的光线而求传输；也可以吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。其主要性能参数有两个：光改变光线的光谱成分。其主要性能参数有两个：光谱通过率和光学色散，即不同波长下的透过

3、率和折谱通过率和光学色散，即不同波长下的透过率和折射率。光学介质材料从形态及组成上可分为射率。光学介质材料从形态及组成上可分为5 5类：类：光学玻璃、光学晶体、光学塑料、光学薄膜和光学光学玻璃、光学晶体、光学塑料、光学薄膜和光学纤维。纤维。3.1.2 3.1.2 激光材料激光材料激光，又名镭射激光，又名镭射(LASER)(LASER)，来源于经受激辐射引，来源于经受激辐射引起光频放大的英文（起光频放大的英文（Light Amplification by Light Amplification by Stimulated Stimulated RadiationRadiation的缩写。原意表示

4、光的放大及的缩写。原意表示光的放大及 其放大的方式，现在用作由特殊振荡器发出的品质好其放大的方式，现在用作由特殊振荡器发出的品质好 、具有特定频率的光波之意。、具有特定频率的光波之意。光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。假光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态，然后跃迁到低能态，则它以辐射如原子处于高能态，然后跃迁到低能态，则它以辐射 形式发生能量。一个具有能量等于两能级间能量差的形式发生能量。一个具有能量等于两能级间能量差的 光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态光子与处于高能态的原子作用，使原子转变到低能态 同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射。受激同时产生第二

5、个光子，这一过程称为受激发射。受激 发射产生的光就是激光。发射产生的光就是激光。* *当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。在热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级。在热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级上的粒子数，产生激光作用的必要条件是使原子或分上的粒子数，产生激光作用的必要条件是使原子或分子系统的两个能级之间实现粒子数反转。子系统的两个能级之间实现粒子数反转。 固体激光器材料固体激光器材料1 1激活离子激活离子固体激光工作物质要在基质晶体中

6、掺入适量的固体激光工作物质要在基质晶体中掺入适量的激活离子。激活离子的作用是在固体中提供亚稳态激活离子。激活离子的作用是在固体中提供亚稳态 能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光。目能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光。目 前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元 素。激光的波长是由激活离子的种类决定的。素。激光的波长是由激活离子的种类决定的。2 2基质晶体基质晶体基质晶体基本上有三类：基质晶体基本上有三类： 1) 1) 氟化物晶体氟化物晶体 这类晶体熔点较低，易于生长单晶这类晶体熔点较低，易于生长单晶 ，是早期研究的激光晶体材料，如，是早

7、期研究的激光晶体材料，如CaFCaF2 2，BaFBaF2 2，SrFSrF2 2，LaFLaF3 3，MgFMgF2 2等。但是，它们大多要在低温下才能等。但是，它们大多要在低温下才能 工作。所以现在较少应用。工作。所以现在较少应用。 2) 2) 含氧金属酸化物晶体含氧金属酸化物晶体 这类材料是较早研究的激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，如光晶体材料之一，均以三价稀土离子为激活离子，如 CaWOCaWO4 4，CaMnOCaMnO4 4，LiNbOLiNbO4 4，Ca(POCa(PO4 4) )3 3F F等。等。 3) 3) 金属氧化物晶体金属氧化物晶

8、体 这类晶体如这类晶体如AlAl2 2OO3 3，Y Y3 3AlAl5 5OO1212 ，ErEr2 2OO3 3，Y Y2 2OO3 3等，掺入三价过渡族金属离子或三价等，掺入三价过渡族金属离子或三价 稀土离子构成激光晶体，应用较广，研制最多。掺杂稀土离子构成激光晶体，应用较广，研制最多。掺杂 时不需电荷补尝，但它们的熔点均高，制取优质单晶时不需电荷补尝，但它们的熔点均高，制取优质单晶 都较困难。都较困难。红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉单晶它是由刚玉单晶( (-AlAl2 2O O3 3) )为基质，掺入为基质，掺入CrCr3

9、+3+激活离激活离子所组成的。子所组成的。红宝石的激光发射波长为可见光红宝石的激光发射波长为可见光红光的波。这红光的波。这一波长的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的一波长的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的各种光敏材料和光电探测元件来说，都是易于进行探各种光敏材料和光电探测元件来说，都是易于进行探测和定量测量的。因此红宝石激光器在激光器基础研测和定量测量的。因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光究、强光( (非线性非线性) )光学研究、激光光谱学研究、激光光学研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等方面都有广照相和全息技术、激光雷达与测距技术等方面都有广泛的应用。

10、泛的应用。3 3红宝石激光晶体红宝石激光晶体(Al(Al2 2O O3 3:Cr:Cr3+3+) )4 4钕钇铝石榴石激光晶体钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd(YAG:Nd3+3+) )激光工作物质是激光工作物质是Y Y3 3AlAl5 5O O1212作为基质，作为基质，NdNd3+3+作为激作为激 发离子。具有良好的力学、热学和光学性能。军用发离子。具有良好的力学、热学和光学性能。军用 激光测距仪和制导用激光照明器都采用钕钇铝石榴激光测距仪和制导用激光照明器都采用钕钇铝石榴 石激光器。这种激光器也是唯一能在常温下连续工石激光器。这种激光器也是唯一能在常温下连续工 作，且有较大功率的固体激

11、光器。作，且有较大功率的固体激光器。半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这 类激光器的特点是体积小、效率高、运行简单、便类激光器的特点是体积小、效率高、运行简单、便 宜。宜。 半导体激光器的基本结构极为简单，是半导体半导体激光器的基本结构极为简单，是半导体 器件器件pnpn结二极管，在电流正向流动时会引起激光结二极管，在电流正向流动时会引起激光 振荡。振荡。5 5半导体激光材料半导体激光材料3.1.3 3.1.3 光纤材料光纤材料1 1） 结构和原理结构和原理光导纤维由纤芯和包层两部分组成。芯子一般由高光导纤维由纤芯和包层两部分组成。芯子一般由高 折射

12、率的石英玻璃或多组分光学玻璃制成，包层由低折射率的石英玻璃或多组分光学玻璃制成，包层由低 折射率的玻璃或塑料制成。折射率的玻璃或塑料制成。光在光导纤维中传播的基本原理是全反射。即创造光在光导纤维中传播的基本原理是全反射。即创造 条件使光通过两种不同媒质界面时没有折射只有反射条件使光通过两种不同媒质界面时没有折射只有反射 。2）光导纤维的种类光导纤维的种类形成波导传输的纤维结构形成波导传输的纤维结构 有有阶跃型阶跃型和和梯度型梯度型两类。两类。 阶跃型光导纤维的芯子与阶跃型光导纤维的芯子与 包层间折射率是阶梯状的包层间折射率是阶梯状的 改变，入射光线在纤芯和改变，入射光线在纤芯和 包层的界面产生

13、全反射，包层的界面产生全反射， 呈锯齿状曲折前进。呈锯齿状曲折前进。 梯度型光导纤维的纤芯折射率从中心轴线开始向梯度型光导纤维的纤芯折射率从中心轴线开始向 径向逐渐减小径向逐渐减小( (约以半径的二次方的反比例递减约以半径的二次方的反比例递减) )，因，因 此入射光线进入光纤后，偏离中心轴线的光将呈曲线此入射光线进入光纤后，偏离中心轴线的光将呈曲线 路径向中心集束传输。由于光束在梯度型光纤中传播路径向中心集束传输。由于光束在梯度型光纤中传播 对，形成周期性的会聚和发散，呈波浪式曲线前进，对，形成周期性的会聚和发散，呈波浪式曲线前进， 故梯度型光纤又称聚焦型光纤。故梯度型光纤又称聚焦型光纤。*

14、*光导纤维种类繁多，光导纤维种类繁多，按化学组成分为：石英玻璃光纤、卤化物光学纤维、按化学组成分为：石英玻璃光纤、卤化物光学纤维、 硫系玻璃光纤和塑料光纤。硫系玻璃光纤和塑料光纤。按应用分为通信光纤和功能光纤。按应用分为通信光纤和功能光纤。通信光纤是光导纤维最主要的应用领域，而功能光纤则是通信光纤是光导纤维最主要的应用领域，而功能光纤则是有开发前途的领域。在功能光纤中又分为有开发前途的领域。在功能光纤中又分为传感光纤、传光光传感光纤、传光光 纤和激光光纤纤和激光光纤。传感光纤传感光纤是在传感器中作为功能元件的光导是在传感器中作为功能元件的光导 纤维。纤维。 传光光纤传光光纤是以传输电磁频谱的可

15、见、红外和紫外区光是以传输电磁频谱的可见、红外和紫外区光 为基本特征，进而实现导光、图像和能量传输的光导纤维。为基本特征，进而实现导光、图像和能量传输的光导纤维。 激光光纤激光光纤是掺有一定浓度激活离子、在某特定波长光的激励是掺有一定浓度激活离子、在某特定波长光的激励 下能产生激光的光导纤维，又称激活光纤。它主要用于光纤下能产生激光的光导纤维，又称激活光纤。它主要用于光纤 放大器和光纤激光器。放大器和光纤激光器。3.1.4 3.1.4 红外材料红外材料在红外线应用技术中，要使用能够透过红外线在红外线应用技术中，要使用能够透过红外线 的材料，这些材料应具有对不同波长红外线的透过的材料，这些材料应

16、具有对不同波长红外线的透过 率、折射率及色散，一定的机械强度及物理、化学率、折射率及色散，一定的机械强度及物理、化学 稳定性。稳定性。 在红外技术中作为光学材料使用的晶体主要有在红外技术中作为光学材料使用的晶体主要有 碱卤化合物晶体、碱土碱卤化合物晶体、碱土卤族化合物晶体、氧化物卤族化合物晶体、氧化物 晶体、无机盐晶体及半导体晶体。晶体、无机盐晶体及半导体晶体。 应用于滤光片、基板等方面。在火箭、导弹、应用于滤光片、基板等方面。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人造卫星、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等。地用作窗口和整流罩等。3.1.5 3.1.5 发光材料发光材料发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象。发光材料的种段，直接转换为特征辐射的现象。发光材料的种类很多，它们可以作为新型和有特殊性能的光源类很多，它们可以作为新型和