光学材料讲稿.doc

一、引言光充满着整个宇宙,各种星体都在发光:远红外光、红外光、可见光、紫外光,以及X射线等。我们生活在光的世界里,整天都在和光打交道,白天靠日光,黑夜靠灯光,夜间在野外可能还要靠星光定方向。要利用光,就要创造工具,就要有制造工具的材料—光学材料。自然界中存在一些天然或合成的光学材料,如我国的夜明珠、发光壁;印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象,能在无光的环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有,因而被视为人间珍宝,其主要作用成了权力和财富的象征。在春秋战国时期,墨子就研究了光的传播规律,接着出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。17世纪,瑞士人纪南成功地熔制出光学玻璃,主要用于天文望远镜。随后,欧洲出现了望远镜和三色棱镜,人工制造的光学玻璃成为主要光学材料。19世纪和20世纪初是世界光学工业形成的主要时代,以望远镜(包括天文望远镜和军用望远镜)、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器(包括很多种医用光学仪器)四大类为主体,建立了光学工业。如今,光学材料已经在国民经济和人民生活中发挥着重要作用。最简单的例子,一个人如果眼睛发生了病变,只能看清近处而看不清远处的物体(称近视),或者只能看清远处而看不清近处的物体(称远视),达就需要配戴眼镜来进行校正。戴上眼镜后,入射光线先经过眼镜片发散(或会聚)后再进入人眼水晶体,就能使景物上的光线正确地聚焦在视网膜上,于是,一副直径5厘米左右的光学眼镜片就能消除眼疾给人带来的苦恼。现在,工农业生产、科学研究和人类文化生活等需要使用显微镜、望远镜、经纬仪、照相机、摄像机等各种光学仪器,核心部分都是由光学材料制造的光学零件。所以,光学材料已经成为人们社会必不可少的功能材料之一。光学材料是传输光线的材料,这些材料以折射、反射和透射的方式,改变光线的方向、强度和位相,使光线按预定要求传输,也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。光学材料主要包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料和光色材料等。光纤材料已在信息材料中介绍,这里主要介绍余下的几种光学材料。二、、发光现象发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光辐射的过程,是热辐射之外的另一种辐射现象。光子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。-,便是可见光。要使材料发光所需吸收的能量可从较高能量的电磁辐射(如紫外光)中得到,也可从高能电子或热能、机械能和化学能中得到。发光材料是指吸收光照,然后转化为光的材料。发光材料的晶格要具有结构缺陷或杂质缺陷,材料才具有发光性能。结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷,由其引起的发光称为自激活发光。所以制备发光材料采用合适的基质十分重要。如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格中形成杂质缺陷,由其引起的发光叫激活发光,掺入的微量杂质一般都充当发光中心,称为激活剂。得到实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。材料发光时,吸收外界的能量,从而产生高能电子和空穴,它们经过相互碰撞,又产生能量较低的电子及空穴。这个过程一直持续下去,直到电子的能量降到和发光体禁带能量相匹配为止,期间发出光子产生光。发光的特征有三个:1、发光材料的发光颜色彼此不同,都有它们各自特征。人们可以选用不同的发光材料以得到各种发光颜色。已有发光材料的种类很多,它们发光的颜色也足可覆盖整个可见光的范围。材料的发光光谱可分为下列3种类型:宽带:半宽度一100nm,如CaWO4;窄带:半宽度一50nm,如Sr2(PO4)Cl:Eu3+;线谱:,如GdVO4:Eu3+。究竟一个材料的发光光谱属于哪一类,这既与基质有关,又与杂质有关。例如把Eu3+离子掺进不同的基质中时,上述3种类型的发光部可得到,而风,。2、发光的第二个特征是它的强度。由于发光强度是随激发强度而变的,通常用发光效率来表征材料的发光能力。事实上,发光效率也同激发强度有关,在激光未出现前,,所以一股不发光或发光很弱的材料,在阴极射线激发下则可发出可觉察的光或较强的光。但在激光出现后,因为激光的强度可以>107W/cm2,在它激发下很容易引起发光。3、发光的第三个特征是发光持续时间。最初发光分为荧光及磷光两种。荧光是指在激发时发出的光,磷光是指在激发停止后发出的光。现在瞬态光谱技术已经把测量的范围缩小到1ps(10-12s)以下,最快的脉冲光输出已可短到8fs(1fs=10-16s),所以,荧光及磷光的时间界限已不清楚。,所以在应用中就硬性规定当激发停止时的发光亮度从J0衰减到J0的10%时,所经历的时间为余辉时间它可以划分为6个范围:极短余辉:<1μs;短余辉:1-10μs;中短余辉:10-2-