材料的光学性能详版严选荟萃

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1、 颜色、反射、透过、吸收、折射、发光1教学教资1、光是什么？2、材料有哪些光学性能？3、材料具有这些光学性能的本质是什么？材料的光学性能2教学教资回顾与总结回顾与总结光的现象光的微粒说（牛顿）光的波动说（胡克，惠更斯）光的电磁说（麦克斯韦）光的波粒二象性（普朗克，爱因斯坦）光的直线传播光的干涉光的衍射电磁波谱光谱3教学教资 光的基本性质光的基本性质光的波粒二象性光的波粒二象性4教学教资5教学教资What is the light？Wave or Particle?Wave and Particle? ArerelationsP=hk andE=mc2 simultaneouslycompati

2、blewithprincipleofwave-particleduality? p=mcp=mc=E/c=hv/c=h/光子光子动量悖量悖论？6教学教资7教学教资颜色有关的问题8教学教资9教学教资10教学教资光色 波长(nm) 频率(Hz) 中心波长 红 760622 660 橙 622597 610 黄 597577 570 绿 577492 540 青 492470 480 兰 470455 460 紫 455400 430 可见光七彩颜色的波长和频率范围可见光七彩颜色的波长和频率范围人眼最为敏感的光是黄绿光，即人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。附近。11教学教资思 考 问 题物

3、体是如何呈现不同颜色的？伸手不见五指的黑夜，你看见伸手不见五指的黑夜，你看见红花红花和和绿草绿草吗？吗？人类如何感知颜色？可见光之外的波段光子的能量如何测量？12教学教资光通过固体的现象光通过固体的现象折射（光速的变化）折射（光速的变化）反射（能量的变化）反射（能量的变化）吸收（能量的变化）吸收（能量的变化）散射（能量的变化）散射（能量的变化）透过（能量）透过（能量）13教学教资反射定律和微观机制14教学教资折射，负折射15教学教资材料的不透明与半透明性16教学教资光的吸收过程与机理17教学教资电子极化电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量；在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一

4、个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移；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。18教学教资电子能态转变电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程；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受激电子不可能无限长时间地保持.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，即自发辐射。19教学教资 原子的能级和晶体的能带原子的能级和晶体的能带20教学教资光吸收J(x)=J0(1-R)e-ax R 为反射系数，a为吸

5、收系数21教学教资 光的吸收与光电转换 导带价带能隙 （禁带） 本征吸收本征吸收 固体中电子的能带结构，绝缘体和半导体的能带结构如图所示。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。这样，在固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。22教学教资 例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到250nm，相当于0.055eV的能量。当有足够强的辐射（如紫光）照射

6、离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作本征吸收。子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作本征吸收。例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6eV)附近，NaCl的基础吸收约为8eV，Al2O3的基础吸收约在9eV。23教学教资导带价带能隙(禁带）激子能级 激子吸收 除除了了基基础础吸吸收收以以外外，还还有有一一类类吸吸收收，其其能能量量低低于于能能隙隙宽宽度度，它它对对应应于于电电子子由由价价带带向向稍稍低低于于导导带带底底处处的的的的能能级级的的跃跃迁迁有有关关。这这些些能能级级可可以以看看作作是是

7、一一些些电电子子-空空穴穴（或或叫叫做做激激子子，excition）的激发能级。的激发能级。24教学教资杂质吸收杂质吸收无无机机离离子子固固体体的的禁禁带带宽宽度度较较大大，一一般般为为几几个个电电子子伏伏特特，相相当当于于紫紫外外光光区区的的能能量量。因因此此，当当可可见见光光以以至至红红外外光光辐辐照照晶晶体体时时，如如此此的的能能量量不不足足以以使使其其电电子子越越过过能能隙隙，由由价价带带跃跃迁迁至至导导带带。所所以以，晶晶体体不不会会被被激激发发，也也不不会会发发生生光光的的吸吸收收，晶晶体体都都是是透透明明的的。而而当当紫紫外外光光辐辐照照晶晶体体时时，就就会会发发生生光光的的吸收

8、，晶体变得不透明。吸收，晶体变得不透明。 Al2O3 单晶红宝石（Cr）蓝宝石（Ti、Te）25教学教资思考：红宝石为什么是红色？铜为什么呈红色？铜离子呈蓝色？铁是银白色？为什么用铜做镜子？26教学教资思考题太阳能电池的工作原理？27教学教资 材料的发光性能材料的发光性能28教学教资光与热相伴而行白炽灯丝白炽灯丝2000太阳表面太阳表面5800要靠辐射有效地产生可见光，物体的温度必须足够高！热辐射决定于物体的温度，是一种普遍存在的现象。29教学教资Four stages in development of lighting applications30教学教资一、两种发光类型：一、两种发光类型

9、：物体发射可见光有两种形式：热发光和冷发光。由于可燃物质燃烧或物体温度升高达到红热、白热状态时的发光，称热发光。热发光在能量转化中的热耗大，发光效率低。物质不是由于温度升高而发射可见光，称冷发光。冷发光由于热耗小，发光效率较高。如荧火虫发光,发光热耗几乎等于零.31教学教资1 1）热辐射的发光机制：）热辐射的发光机制： 电灯、火焰、太阳等热辐射体的发光是由于物质在受到热能作用时，原子中的电子吸收外来能量从低能级跃迁到高能级（即原子被激发）后从高能级自发地向低能级跃迁中放出能量的过程。 电子从低能级向高能级跃迁的过程实际上是一个“受激吸收”过程。电子处在高能级的寿命很短（约108109秒），在没

10、有外界作用下，处于高能级的电子会自发地向低能级跃迁，这种跃迁过程所发出的辐射称为自发辐射 。1、热辐射体的发光、热辐射体的发光32教学教资蓝宝石、红宝石的颜色？33教学教资2 2）热辐射的发光特点：）热辐射的发光特点：由于原子的自发辐射是一种随机过程，各发光原子的发光过程彼此独立，互不关联，所以热辐射各原子发出的光的方向是无规则的射向四面八方，且位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有大的宽度，因此发射光的频率不会是单一的，而有一定频率范围。光谱能量密度是波长与温度的函数，或光谱辐射出射度是波长与温度的函数。（普朗克公式）发射率 （定义为辐射体的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比）与辐辐

11、射射体体的的组组成成及及表表面面情情况况密切相关。 34教学教资3）人工热辐射源的辐射特性）人工热辐射源的辐射特性 能斯特灯：辐射体是由氧化锆、氧化钍和氧化钇粉末混合成型后在高温下烧结而成的细棒状灯丝。在1800K工作时，发射出15m附近的红外光，发射率达0.75。 硅碳棒：工作在1300-1500K间，发射连续谱，最大值在8m附近。 白炽灯：一般以钨丝为辐射体，工作温度很高，发射短波长(0.2-1.6m)连续谱。 高压短弧氙灯：发射短波长(0.2-1.8m)带多个峰的连续谱。35教学教资2. 冷光不需要提高物体的温度，是物体在某种外界条件的刺激下偏离热平衡状态时由激发态到基态的跃迁所产生的辐

12、射。是一种非平衡辐射。光的发射是物体中电子从高能态到低能态的跃迁产生的，物体要发光，首先就得使物体中的电子处于高能态。以某种方式将能量传递给物体使电子提升到一定高能态的过程，称为激发过程。发光就是将所吸收的激发能转化为光辐射的过程。萤火虫发光机理萤火虫有专门的发光细胞，在发光细胞中有两类化学物质，萤火虫有专门的发光细胞，在发光细胞中有两类化学物质，一类被称作一类被称作荧光素荧光素（在萤火虫中的称为萤火虫（在萤火虫中的称为萤火虫荧光素荧光素），），另一类被称为另一类被称为荧光素荧光素酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消酶。荧光素能在荧光素酶的催化下消耗耗ATP（三磷酸腺甘），并与氧气发生反应，反应中

13、产生（三磷酸腺甘），并与氧气发生反应，反应中产生激发态激发态的氧化荧光素，当氧化荧光素从的氧化荧光素，当氧化荧光素从激发态激发态回到回到基态基态时时释放出释放出光子光子。反应中释放的能量几乎全部以光的形式释放，。反应中释放的能量几乎全部以光的形式释放，只有极少部分以热的形式释放，反应效率为只有极少部分以热的形式释放，反应效率为95%。36教学教资分立中心发光复合发光发光材料的发光中心受激发时并未离化，发光过程全部局限在中心内部。被激发的发光中心内的电子虽然获得了跃迁至激发态的能量，但并未离开中心，迟早会释放出激发能，回到基态而发出光来。这种发光是单分子过程，并不伴随有光电导，故又称为“非光电导

14、型”发光。1. 分立中心发光自发发光：受激发的粒子（如电子），受粒子内部电场作用从激发态A而回到基态G时的发光。受迫发光：受激发的电子只有在外界因素的影响下才发光。材料的发光机理37教学教资2. 复合发光发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子，一般为空穴和电子，这两种粒子复合时便发光，称为复合发光。由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而构成特征性光电导，故又称为“光电导型”发光。短复合发光，单分子过程，10-10s长复合发光，双分子过程38教学教资材料的发光特征1.颜色特征 不同的发光材料有着不同的发光颜色。2.发光强度特征 发光强度代表发射光的能量，是一个客观数值；发光的亮度是人

15、眼的感觉，是主观判断的结果，其中包含了眼睛对不同颜色视觉的差别。 发光效率用来表征材料的发光本领。 量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值。 能量效率（功率效率）：发光的能量与激发源输入的能量的比值。 流明效率（光度效率）：发光的流明数与激发源输入的能量的比值（lm/W）。3.发光持续时间特征39教学教资发光持续时间特征规定当激发停止时，其发光亮度L衰减到初始亮度L0的10%时所经历的时间为余辉时间，简称余辉。人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为人眼能够感觉到余辉的长发光期间者为磷光磷光；人眼感觉不到余辉的短发光期间者为人眼感觉不到余辉的短发光期间者为荧光荧光。荧光与磷光无严格区别。荧

16、光与磷光无严格区别。极短余辉：余辉时间1s的发光40教学教资发光光谱发光光谱指发光强度随波长或能量的分布曲线，是发光材料独具的特征。（1）线谱（2）带谱（3）Eu 铕41教学教资发光材料分类光致发光材料光致发光材料电致发光材料电致发光材料射线致发光材料射线致发光材料热致发光材料热致发光材料等离子发光材料等离子发光材料发光材料在光（紫外光、红外光、可见光等）照射下激发发光。发光材料在电场或电流作用下的激发发光。发光材料在电子束或其它射线束的轰击下的激发发光。发光材料在热作用下的激发发光。 1. 1. 按激发方式来分类按激发方式来分类按激发方式来分类按激发方式来分类42教学教资可能的发光过程固体中

17、可能的跃迁固体中可能的跃迁（1）带间吸收；（21）带间发射或自由激子发射（因有一定结合能，略Eg,图上未显示）；（22）有一定声子参与的光发射；（3）（5）与杂质、缺陷有关的辐射复合；（6）分立中心内部的发射；（7）无辐射（多声子）弛豫；（8）俄歇Auger过程光致发光材料43教学教资 2. 典型荧光和磷光材料 日光用荧光材料日光用荧光材料 日日光光灯灯是是荧荧光光材材料料的的最最重重要要应应用用之之一一。激激发发源源是是汞汞放放电电产产生生的的紫紫外外光光，荧荧光光材材料料吸吸收收这这种种紫紫外外光光，发发出出“白白色色光光”。下下图图为为荧荧光光灯灯的的构构造造示示意意图图，它它由由一一个

18、个内内壁壁涂涂有有荧荧光光体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。 通通电电后后，汞汞原原子子受受到到灯灯丝丝发发出出电电子子的的轰轰击击，被被激激发发到到较较高高能能态态。当当它它返返回回到到基基态态时时便便发发出出波波长长为为254和和185nm的的紫紫外外光光，涂涂在在灯灯管管内内壁壁的的荧荧光光体体受受到到这这种种光光辐辐照照，就就随随之之发出白光。这里我们说的是低压汞灯，还有高压汞灯，但原理都一样。发出白光。这里我们说的是低压汞灯，还有高压汞灯，但原理都一样。Hg白光白光玻璃壳玻璃壳荧光粉料涂层荧光粉料涂层185nm254nm 日光灯的构造示意图日光灯的构

19、造示意图 44教学教资 灯用荧光材料的组成 常用的基质晶体有两类：常用的基质晶体有两类： 离离 子子 键键 的的 绝绝 缘缘 材材 料料 ， 例例 如如 Cd2B2O5、 Zn2SiO4、3Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2等等。在在这这些些材材料料中中，相相应应激激活活离离子子有有一一套套不不连连续的能级，并且它们受到基质晶体环境定域的影响而有所修正。续的能级，并且它们受到基质晶体环境定域的影响而有所修正。 共共价价性性的的半半导导体体化化合合物物ZnS等等。对对这这类类材材料料，基基质质的的能能带带结结构构会会由由于于加加入入激激活活剂剂离离子子伴伴随随的的定定域域能能级级而而有有所所改改

20、变变。例例如如，分分别别掺掺杂杂Ag+、Sb3+和和Eu2+离离子子的的ZnS磷磷光光体体由由于于激激活活剂剂不不同同，而而产产生生特特征征的光谱和颜色，下图是它们的发射光谱，对应的电子跃迁如下：的光谱和颜色，下图是它们的发射光谱，对应的电子跃迁如下： 离子 基态能级 激发态能级Ag+ 4d10 4d95pSb3+ 4d105s2 4d105s5pEu2+ 4f7 4f65d45教学教资在荧光灯中广泛应用的磷光体材料是双重掺杂了Sb3+和Eu2+的磷灰石。基质Ca5(PO4)3F中掺入Sb3+发蓝荧光，掺入Mn2+后发桔黄色光，两者都掺入发出近似白色光。用氯离子部分取代氟磷灰石中氟离子，可以改

21、变发射光谱的波长分布。这是由于基质变化改变了激活剂离子的能级，也就改变了其发射光谱波长。以这种方式小心控制组成比例，可以获得较佳的荧光颜色。表给出了某些灯用磷光体。近年来发展了稀土“三基色”灯用荧光材料。表 某些灯用磷光体磷光体 激活剂 颜色Zn2SiO4 Mn 绿色Y2O3 Eu 红色CaMg(SiO3)2 透辉石 Tl 蓝色CaSiO3 硅灰石 Pb, Mn 黄桔色(Sr,Zn)(PO4)2 Sn 桔色Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2 Sn,Mn “白色”46教学教资3. 显示用荧光材料显示用荧光材料 u电电视视机机和和计计算算机机显显示示器器等等使使用用的的荧荧光光材材料料，就就是是阴

22、阴极极射射线线致致发光材料，是以电子束为激发源。发光材料，是以电子束为激发源。u显显象象管管用用荧荧光光材材料料要要求求必必须须具具有有足足够够高高的的发发光光亮亮度度，一一般般不不低低于于170 烛烛光光米米 -2；余余辉辉时时间间要要求求足足够够短短，在在电电流流密密度度为为0.2Acm-2情情况况下下，激激发发停停止止后后经经过过40s，发发光光亮亮度度对对初初始始亮亮度度的的比比值值为为0.60.8，可可见见发发光光效效率率足足够够高高；最最后后从从工工艺艺上上还还要要求求严严格格的颗粒度。的颗粒度。u这这类类材材料料又又依依黑黑白白和和彩彩色色显显像像管管分分为为“白白色色”发发光光

23、材材料料和和彩彩色发光材料。色发光材料。47教学教资3. 热释发光当激发发光体后，发光将逐渐衰减，直至发光消失。随后，逐渐升高发光体的温度，有的发光材料又会逐渐发光，并逐渐变强，在某一温度时达到最大值后又逐渐变弱，这种变化随着温度的上升，可以重复几次，直到高温时发光才消失。在材料的禁带中，存在着不同深度的陷阱。在激发过程中，有的电子就掉进了这些深度不同的陷阱。陷阱中的电子回到导带的几率为：若温度T大，则P大，即导带中的电子数目增多，复合的次数增多，发光增强。陷阱中的电子数目是有限的，这些电子耗尽了，即使继续升温，也没有可以参与复合的电子，因此不再发光。陷阱可有不同深度，使电子释放出来所需的温度

24、就有高有低。48教学教资5）电致(场致)发光材料Electroluminescence本征式场致发光注入式场致发光ITO：InSnO2，Indium Tin Oxide49教学教资6) 等离子发光材料等离子体是高度电离化的多种粒子存在空间，其中带电粒子有电子、正离子（或负离子），不带电粒子有气体原子、分子、受激原子、亚原子等。 火焰发光、等离子体辉光放电、闪电50教学教资激光（激光（Laser）u 激光（Laser）是英文“Light amplification by stimulated emission of radiation”首写字母的缩写，意为受激辐射光放大，是一种单色性好,亮度高、

25、相干性强、方向性好的相干光束。u 激光技术是20世纪60年代后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、光学信息处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。51教学教资1. 激光材料激光与普通光的根本区别：激光具有极高的光子简并度 （处于同一量子态中的光子数）1017103激光特点：激光特点：激光特点：激光特点： 方向性好， 单色性好相干性好能量集中，亮度高，激光传递信息的容量大 高简并度的强激光，其场强远大于 库仑场强，引起新的物理效应 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射52教学教资2 激光激光特点：特点：1 1） 方向性好方

26、向性好 （发散角（发散角10 -4弧度）弧度）一束激光射到一束激光射到38万万km的月的月球上，光斑的直径只有球上，光斑的直径只有2km手电筒的光射到手电筒的光射到m处，处，扩展成很大的光斑。扩展成很大的光斑。 利用激光准直仪可使利用激光准直仪可使长为长为2.5km的隧道掘进偏的隧道掘进偏差不超过差不超过16nm.53教学教资2 2） 单色性好单色性好单色性最好的氪灯单色性最好的氪灯Kr86 =4.710-3 nm 稳频稳频HeNe激光器激光器 激光的单色性比普通光高激光的单色性比普通光高 倍倍. .54教学教资3 3） 能量集中能量集中脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦

27、）亮度极高亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光的颜色非常单纯，而且只向着一个方向发光，亮度极高激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度激光在屏上形成的小光斑，有极大的照度太阳表面的亮度比白炽灯大几太阳表面的亮度比白炽灯大几百倍。普通的激光器的输出亮度，比百倍。普通的激光器的输出亮度，比太阳表面的亮度大太阳表面的亮度大10亿倍。激光是当亿倍。激光是当今世界上高亮度的光源。今世界上高亮度的光源。55教学教资激光的能量在空间上、在时间上高度集中激光的能量在空间上、在时间上高度集中光能量不仅在空间上高度集中，光能量不仅在空间上高度集中，同时在时间上也可高度集中，同时在时间上也可

28、高度集中，因而可以在一瞬间产生出巨大因而可以在一瞬间产生出巨大的光热。的光热。在在工工业业上上，激激光光打打孔孔、切切割割和和焊焊接接。医医学学上上视视网网膜膜凝凝结结和和进进行行外外科科手手术术。在在测测绘绘方方面面，可可以以进进行行地地球球到到月月球球之之间间距距离离的的测测量量和和卫卫星星大大地地测测量量。在在军军事事领领域域，可可以以制制成成摧摧毁毁敌敌机机和导弹的激光武器和导弹的激光武器56教学教资4 4） 相干性好相干性好l空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。l时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），相干长

29、度可达几十公里。埃），相干长度可达几十公里。57教学教资3. 激光发光机制1）受激辐射光的自发辐射过程光的自发辐射过程光的受激吸收过程光的受激吸收过程光的受激发射过程光的受激发射过程普通光：普通光：自发辐射自发辐射激激 光：光：受激辐射受激辐射58教学教资2）激光产生的必要条件：v 粒子数反转分布v 减少振荡模式 开式光学谐振腔的作用59教学教资Application of laseroptical tweezers ; optical trapping Laser cooling 1997, Nobel Prize, Stephen Chu 60教学教资同步辐射国家实验室61教学教资U1 ：

30、光刻U4 ：红外与远红外光谱U7A ：高空间分辨X射线成像U7B ：X射线散射与衍射U7C ：扩展X光吸收精细结构U10 ：燃烧U12A：软X射线显微术U14A：原子与分子物理U14C：真空紫外分析U18 ：表面物理U19 ：软X射线磁性圆二色U20 ：光电子能谱U24 ：真空紫外光谱U25 ：光声与真空紫外圆二色光谱U26 ：光谱辐射标准与计量62教学教资Free Electron Laser，FFL 63教学教资FFLFree Electron Laser, FFL，是一种以相对论高品质电子束作为工作介质，在周期磁场中，以受激发射方式放大电磁辐射的新型激光光源。由射频电子直线加速器驱动的射

31、线自由电子激光装置，是具有可工作于整个射线波段区的高亮度、短脉冲、可调谐的新型相干射线光源，被国际科学界公认为“第四代光源”的可行技术路线之一。64教学教资折射率：色散及色散系数：双折射及非常光折射率：反射及反射系数、全反射：吸收系数：散射：线性光学性能的基本参量65教学教资散射：http:/ 离子导电超导电性：BCS理论，超导的应用热电效应：帕尔贴效应、赛贝克效应、汤姆逊效应热电应用：热电偶69教学教资半导体导电性的敏感效应：热敏、光敏、压敏、磁敏、气敏电介质的极化：电子极化、离子极化、偶极子转向极化。（位移极化、松弛极化）介电常数：真空介电常数、相对介电常数、介电常数的影响因素复介电常数、损耗绝缘体的击穿70教学教资压电晶体：机理及应用铁电晶体：机理及应用，电光效应光的本质：电磁波、光子线性光学性能：反射、折射、散射、透射、吸收、发光光与电子跃迁与回落（复合）发光材料：机理及应用激光非线性光学71教学教资