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1、上节回顾上节回顾: 电子能带和直接带间跃迁电子能带和直接带间跃迁间接带间跃迁间接带间跃迁带内跃迁带内跃迁1光的发射光的发射发发光光：由由于于电电子子从从较较高高的的能能态态跃跃迁迁到到较较低低空空能能态态而而发发射射光光子子，同同时可能伴随热量的产生（声子）时可能伴随热量的产生（声子）荧光荧光：纳秒或更快；：纳秒或更快；磷光磷光：微秒或毫秒；：微秒或毫秒；余晖余晖：秒：秒磷光材料：磷光材料：ZnS, 钨酸盐；钨酸盐；Zn过剩的过剩的ZnO, 许多有机物许多有机物光致发光；光致发光；场致发光：由于应用电场引起；场致发光：由于应用电场引起；阴极发光阴极发光(cathodoluminescence)
2、：由于高能电子照射物体表面引起。：由于高能电子照射物体表面引起。自发辐射自发辐射(Spontaneous Emission)根据电子跃迁所需时间，发射的光可分为：根据电子跃迁所需时间，发射的光可分为：根据发光产生的原因，可分为：根据发光产生的原因，可分为：电视机屏幕（电视机屏幕（ZnS；掺银蓝色；掺铜绿色）；掺银蓝色；掺铜绿色）荧光灯：钨酸盐，硅酸盐；由于水银辉光放电产生的紫外光照射荧光灯：钨酸盐，硅酸盐；由于水银辉光放电产生的紫外光照射电子显微镜的图像电子显微镜的图像: 由于磷光剂，比如由于磷光剂，比如ZnS蜡烛，白炽灯等蜡烛，白炽灯等2受激辐射（激光）受激辐射（激光）(Stimulated
3、 Emission)LASER: light amplification by stimulated emission of radiation特点特点：单色性；准直性（：单色性；准直性（collimation）产生过程产生过程：发射光子，能量：发射光子，能量 ；发射的光子可以激励第二个；发射的光子可以激励第二个电子的到低能级，同时位相相干；最终大量的光子产生。电子的到低能级，同时位相相干；最终大量的光子产生。条件条件：电子占据数的反转，并且电子能够在高能态停留一定时间：电子占据数的反转，并且电子能够在高能态停留一定时间3泵浦效率泵浦效率(pumping efficiency)和和占据数反转占
4、据数反转（population inversion）在两能级体系中相互制在两能级体系中相互制约，所以不会产生激光约，所以不会产生激光行为。行为。测不准原理：测不准原理：三能级激光：三能级激光：非辐射、声子辅非辐射、声子辅助的衰退用虚线表示，助的衰退用虚线表示，E2、E3分别是分别是高反转数和高泵浦效率的能级高反转数和高泵浦效率的能级四能级激光四能级激光4He-Ne激光激光（a）激激光光谐谐振振腔腔示示意意图图；（b）He和和Ne的的能能级级示示意意图图。电电子子在在电电场场下下加加速速，通通过过电电子子-原原子子碰碰撞撞激激发发He气气，一一些些He能能级级与与Ne能能级级共共振振，通通过过共
5、共振振能能量量传传递递使使Ne原原子子激激发发，这这使使得得电电子子非非常常有有效效的的注注入入到到Ne的的2s和和3s能能级级（电电子子和和Ne原原子子的的直直接接碰碰撞也有贡献）。撞也有贡献）。5半导体激光半导体激光腔体包括重掺杂的腔体包括重掺杂的n-和和p-型半导体材型半导体材料，如料，如GaAs。在正。在正偏压下，在耗尽区偏压下，在耗尽区存在电子的反转存在电子的反转直接带隙半导体材料比间接带隙直接带隙半导体材料比间接带隙半导体具有高很多的发光效率。半导体具有高很多的发光效率。声子的参与使得电子复合时间变声子的参与使得电子复合时间变长（长（0.25 s），此时间内电子和空），此时间内电子
6、和空穴可以和材料内的缺陷态发生某穴可以和材料内的缺陷态发生某种非辐射的复合种非辐射的复合间接带隙半导体中的直接带间跃迁导致的间接带隙半导体中的直接带间跃迁导致的电子注入和声子参与的间接电子复合电子注入和声子参与的间接电子复合正偏压下重掺杂半导体的能带示意图正偏压下重掺杂半导体的能带示意图和半导体激光器结构示意图和半导体激光器结构示意图6300 K下一些三元和四元化合物半导体的晶格常数、下一些三元和四元化合物半导体的晶格常数、能隙、发射波长。二元化合物之间的线表示三元。能隙、发射波长。二元化合物之间的线表示三元。阴影表示间接带间跃迁。阴影表示间接带间跃迁。7同质结和异质结激光同质结和异质结激光量
7、子阱激光量子阱激光同质结二极管激光器的耗尽层附近声子分布示意图同质结二极管激光器的耗尽层附近声子分布示意图活跃区包含活跃区包含n型掺杂型掺杂GaAs层的双异质层的双异质结激光器的示意图结激光器的示意图单量子点结构的能带结构单量子点结构的能带结构8发光二极管（发光二极管（Light-Emitting Diodes (LED)）原理和半导体激光类似，只是表面没有处理原理和半导体激光类似，只是表面没有处理色彩图，其中一些商用的二极管被标出色彩图，其中一些商用的二极管被标出9液晶显示器液晶显示器不发射光，依靠外部光照。不发射光，依靠外部光照。液晶显示器单元示意图（液晶显示器单元示意图（a a）透光模式
8、；（）透光模式；（b b）不通光模式，所）不通光模式，所加电压改变了液晶分子的取向。加电压改变了液晶分子的取向。10发射平板显示器（发射平板显示器（Emissive flat-panel displays）电电致致发发光光器器件件：在在导导电电材材料料Al和和ITO间间加加脉脉冲冲电电压压，电电子子注注入入到到磷磷光光材材料料中中，当当电电压压超超过过一一定定值值，电电子子加加速速并并激激发发磷磷光光材材料料中中活活跃跃原原子子如如ZnS中中的的Mn到到更更高高能能级级，电电子子跃回发生光子。跃回发生光子。ZnS:Mn: 橘黄橘黄ZnS:Tb和和SrS:Ce：绿等：绿等等等离离子子显显示示器器
9、件件：和和荧荧光光灯灯类类似似。He/Ne气气体体等等在在较较高高的的交交流流电电压压下下放放电电，产产生生等等离离子子体体，电电子子和和离离子子的的复复合合产产生生高高能能光光子子（如如紫紫外外），被磷光剂吸收而发射可见光。，被磷光剂吸收而发射可见光。场场发发射射显显示示器器：和和阴阴极极射射线线管管类类似似。通通过过尖尖端端场场发发射射发发射射电电子子，然后打到磷光剂上发光。然后打到磷光剂上发光。11光存储器件光存储器件12晶体管换相器：具有小强度的一束光能够激发具有高强度光的发射。晶体管换相器：具有小强度的一束光能够激发具有高强度光的发射。光学计算机光学计算机晶体管换相器中的光波示意图，
10、窗口的反射率大约晶体管换相器中的光波示意图，窗口的反射率大约90%。(a)形成干涉：腔体的长形成干涉：腔体的长度等于半波长的整数倍；度等于半波长的整数倍；(b)没有形成相干，前进波和反射波的总和降低了光强。没有形成相干，前进波和反射波的总和降低了光强。非线性光学材料：光强的变化非线性光学材料：光强的变化改变材料的折射率。改变材料的折射率。“AND”门门 13X射线射线一束电子被强的电场向电极加速，会产生连续一束电子被强的电场向电极加速，会产生连续X射线和单色（特征）射线和单色（特征）x射线。连续射线。连续x射线由于原子中电场减速电子而引起，特征射线由于原子中电场减速电子而引起，特征 X射线依赖
11、射线依赖于材料的电子结构如图所示。于材料的电子结构如图所示。一定加速电压下发射的连续一定加速电压下发射的连续X射线的强度随波长的变化射线的强度随波长的变化示意图。示意图。激发激发K电子和空位被电子和空位被L电子填电子填充而引起的特征充而引起的特征X射线发射示射线发射示意图。意图。KX射线：射线：L-K；KX射线：射线：M-K。14光功能复合材料光功能复合材料 光光功功能能复复合合材材料料是是指指具具有有光光学学或或光光电电功功能能特特性性的的复复合合材材料料，它它可可以以由由具具有有光光功功能能特特性性的的功功能能体体与与普普通通基基体体复复合合而而成成，也也可可以以由由具具有有光光功功能特性
12、的功能体与具有光功能特性的基体复合而成。能特性的功能体与具有光功能特性的基体复合而成。透光功能复合材料透光功能复合材料通通常常所所说说的的透透光光复复合合材材料料主主要要指指玻玻璃璃纤纤维维增增强强透透明明基基体体的的复复合合材材料料，其透明基体可以是透明的聚合物、玻璃、单晶或玻璃陶瓷等。其透明基体可以是透明的聚合物、玻璃、单晶或玻璃陶瓷等。透透明明玻玻璃璃纤纤维维增增强强塑塑料料，俗俗称称透透明明玻玻璃璃钢钢是是目目前前最最常常用用的的聚聚合合物物基基透透光光复复合合材材料料，它它是是以以玻玻璃璃纤纤维维（直直径径6-10m）与与不不饱饱和和聚聚酯酯或或丙丙烯烯酸酸酯酯复复合而成的一种新型的
13、采光材料。合而成的一种新型的采光材料。15透明玻璃钢性能的特点：透明玻璃钢性能的特点：透透明明玻玻璃璃钢钢的的透透光光率率高高达达85%-90%，与与普普通通玻玻璃璃向向近近似似，但但他他具具有有足足够够的的强强度度和和刚刚度度，特特别别是是冲冲击击强强度度优优于于玻玻璃璃，不不像像玻玻璃璃那那样样容容易自爆，是一种能采光又能承受载荷的多功能材料。易自爆，是一种能采光又能承受载荷的多功能材料。透透明明玻玻璃璃钢钢的的密密度度小小于于玻玻璃璃约约为为玻玻璃璃的的60%-80%，同同时时使使用用时时玻玻璃钢可以很薄，如温室用玻璃璃钢可以很薄，如温室用玻璃5 mm，而玻璃钢为，而玻璃钢为0.8-1.
14、5 mm。透透明明玻玻璃璃钢钢属属非非均均质质透透光光材材料料，光光线线透透过过时时能能产产生生散散射射作作用用，而而使使室内光线均匀。室内光线均匀。透明玻璃钢可按设计研究任意配色，使制品色泽鲜艳、美观透明玻璃钢可按设计研究任意配色，使制品色泽鲜艳、美观透明玻璃钢成型工艺简便透明玻璃钢成型工艺简便缺点：缺点：耐久性差：耐久性差：7-10年；年；透明度差：玻璃透光率透明度差：玻璃透光率99%；玻璃钢最高；玻璃钢最高90%。16玻璃纤维和黏结剂的折射率玻璃纤维和黏结剂的折射率 折射率的差值越小，玻璃钢的透射率越大。折射率的差值越小，玻璃钢的透射率越大。玻璃纤维和黏结剂的光吸收系数玻璃纤维和黏结剂的
15、光吸收系数 材材料料本本身身的的性性质质。另另一一方方面面在在粒粒子子体体积积含含量量不不变变时时，散散射射随随粒粒子子尺尺寸寸成成三三次次幂幂增增加。对于聚合物，若能将粒子尺寸减少至加。对于聚合物，若能将粒子尺寸减少至100nm，其散射强度将非常小。，其散射强度将非常小。玻璃纤维的直径及其在玻璃钢中的体积含量玻璃纤维的直径及其在玻璃钢中的体积含量 直直径径越越细细，透透光光系系数数越越小小。在在相相同同纤纤维维含含量量下下，纤纤维维的的直直径径越越细细，表表面面积积越越大大，玻璃钢的反射系数越大，因而降低玻璃钢的透光系数。玻璃钢的反射系数越大，因而降低玻璃钢的透光系数。 一一般般情情况况下下
16、，玻玻璃璃钢钢的的透透光光系系数数随随玻玻璃璃纤纤维维体体积积含含量量的的增增加加而而减减少少，但但如如果果玻玻璃璃纤纤维维的的折折射射率率与与黏黏结结剂剂的的折折射射率率相相差差很很小小，且且玻玻璃璃纤纤维维的的吸吸收收系系数数小小得得多多，则则可可能能发发生生玻璃钢的透光率随玻璃纤维体积含量的增加而增大的情况。玻璃钢的透光率随玻璃纤维体积含量的增加而增大的情况。影响玻璃钢透光率的因素：影响玻璃钢透光率的因素：17透光复合材料的应用与发展透光复合材料的应用与发展透光复合材料的性能取决于树脂基体、玻璃纤维以及填料、纤透光复合材料的性能取决于树脂基体、玻璃纤维以及填料、纤维与树脂间界面的黏结性能
17、以及光学参数的匹配。维与树脂间界面的黏结性能以及光学参数的匹配。强度和刚度取决于纤维，纤维的光学性能一般较固定；而树脂强度和刚度取决于纤维，纤维的光学性能一般较固定；而树脂在相当程度上与其化学、物理性能有关。在相当程度上与其化学、物理性能有关。 目前研究工作的重点之一是如何使树脂的光学性能与玻璃目前研究工作的重点之一是如何使树脂的光学性能与玻璃纤维相匹配，同时兼顾如力学性能、阻燃性、耐老化性、色泽纤维相匹配，同时兼顾如力学性能、阻燃性、耐老化性、色泽等其他性能。等其他性能。18光致变色复合材料光致变色复合材料光光致致变变色色复复合合材材料料是是指指能能在在激激发发下下产产生生变变色色作作用用的
18、的复复合合材材料料，它它是是光光功能复合材料中比较有特殊性的一类。功能复合材料中比较有特殊性的一类。原理：原理：所所谓谓光光致致变变色色是是指指一一个个单单一一化化学学物物质质A A在在受受到到某某种种波波长长光光的的照照射射时时，结结构构发发生生变变化化，形形成成B B；若若用用另另一一种种波波长长光光照照射射或或在在热热的的作作用用下下，物物质质B B又可以可逆地形成物质又可以可逆地形成物质A A。光色玻璃光色玻璃用玻璃作基体的光致变色复合材料用玻璃作基体的光致变色复合材料在紫外光或可见光中的蓝紫光辐照下，能够在可见光区域产生光在紫外光或可见光中的蓝紫光辐照下，能够在可见光区域产生光吸收而
19、着色，去除辐射后又回复原始状态。目前的光色玻璃大致吸收而着色，去除辐射后又回复原始状态。目前的光色玻璃大致有还原性碱金属硅酸盐玻璃、含卤化银玻璃和以有还原性碱金属硅酸盐玻璃、含卤化银玻璃和以CdOCdO为主的玻璃为主的玻璃19感光复合材料感光复合材料在光的作用下能迅速发生光化学反应，引起物理和化学变化的复合在光的作用下能迅速发生光化学反应，引起物理和化学变化的复合材料。其功能体通常有感光树脂和感光化合物。材料。其功能体通常有感光树脂和感光化合物。感光树脂：感光树脂：在光作用下，短时间发生化学反应，并使其溶解性发生变在光作用下，短时间发生化学反应，并使其溶解性发生变化的一类高分子。即高分子吸收光
20、能后，借助吸收的能量使分子内或化的一类高分子。即高分子吸收光能后，借助吸收的能量使分子内或分子间发生化学反应，导致分子链结构发生变化。分子间发生化学反应，导致分子链结构发生变化。光刻胶：光刻胶：由感光性化合物与高分子复合而成的。正性光刻胶在光照由感光性化合物与高分子复合而成的。正性光刻胶在光照时会发生分解，即是掩模透光的部分。用溶剂溶解后，未分解部分时会发生分解，即是掩模透光的部分。用溶剂溶解后，未分解部分的图案同掩膜的图案完全一致。负性胶在光照时发生聚合和交联反的图案同掩膜的图案完全一致。负性胶在光照时发生聚合和交联反应，溶剂处理后留下的部分是掩膜透光的部分，其图案同掩膜图案应，溶剂处理后留下的部分是掩膜透光的部分，其图案同掩膜图案正好相反。正好相反。2021
