《光學(xué)材料》word版

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1、光學(xué)材料一、引言光充滿著整個(gè)宇宙，各種星體都在發(fā)光：遠(yuǎn)紅外光、紅外光、可見光、紫外光，以及X射線等。我們生活在光的世界里，整天都在和光打交道，白天靠日光，黑夜靠燈光，夜間在野外可能還要靠星光定方向。要利用光，就要?jiǎng)?chuàng)造工具，就要有制造工具的材料—光學(xué)材料。自然界中存在一些天然或合成的光學(xué)材料，如我國(guó)的夜明珠、發(fā)光壁；印度的蛇眼石、敘利亞的孔雀暖玉等。這些材料具有奇異的發(fā)光現(xiàn)象，能在無光的環(huán)境下放出各種色澤的晶瑩光輝。由于這些光學(xué)材料稀有，因而被視為人間珍寶，其主要作用成了權(quán)力和財(cái)富的象征。在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨子就研究了光的傳播規(guī)律，接著

2、出現(xiàn)了最古老的光學(xué)材料—青銅反光鏡。17世紀(jì)，瑞士人紀(jì)南成功地熔制出光學(xué)玻璃，主要用于天文望遠(yuǎn)鏡。隨后，歐洲出現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡和三色棱鏡，人工制造的光學(xué)玻璃成為主要光學(xué)材料。19世紀(jì)和20世紀(jì)初是世界光學(xué)工業(yè)形成的主要時(shí)代，以望遠(yuǎn)鏡(包括天文望遠(yuǎn)鏡和軍用望遠(yuǎn)鏡)、顯微鏡、光譜儀以及物理光學(xué)儀器(包括很多種醫(yī)用光學(xué)儀器)四大類為主體，建立了光學(xué)工業(yè)。如今，光學(xué)材料已經(jīng)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活中發(fā)揮著重要作用。最簡(jiǎn)單的例子，一個(gè)人如果眼睛發(fā)生了病變，只能看清近處而看不清遠(yuǎn)處的物體(稱近視)，或者只能看清遠(yuǎn)處而看不清近處的物體(稱遠(yuǎn)視)，達(dá)就需要配

3、戴眼鏡來進(jìn)行校正。戴上眼鏡后，入射光線先經(jīng)過眼鏡片發(fā)散(或會(huì)聚)后再進(jìn)入人眼水晶體，就能使景物上的光線正確地聚焦在視網(wǎng)膜上，于是，一副直徑5厘米左右的光學(xué)眼鏡片就能消除眼疾給人帶來的苦惱。現(xiàn)在，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和人類文化生活等需要使用顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀、照相機(jī)、攝像機(jī)等各種光學(xué)儀器，核心部分都是由光學(xué)材料制造的光學(xué)零件。所以，光學(xué)材料已經(jīng)成為人們社會(huì)必不可少的功能材料之一。光學(xué)材料是傳輸光線的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線的方向、強(qiáng)度和位相，使光線按預(yù)定要求傳輸，也可吸收或透過一定波長(zhǎng)范圍的光線而改變光線的

4、光譜成分。光學(xué)材料主要包括光纖材料、發(fā)光材料、紅外材料、激光材料和光色材料等。光纖材料已在信息材料中介紹，這里主要介紹余下的幾種光學(xué)材料。二、發(fā)光材料2.1、發(fā)光現(xiàn)象發(fā)光是物質(zhì)將某種方式吸收的能量轉(zhuǎn)化為光輻射的過程，是熱輻射之外的另一種輻射現(xiàn)象。光子是固體中的電子在受激高能態(tài)返回較低能態(tài)時(shí)發(fā)射出來的。當(dāng)發(fā)出光子的能量在1.8-3.1eV時(shí)，便是可見光。要使材料發(fā)光所需吸收的能量可從較高能量的電磁輻射(如紫外光)中得到，也可從高能電子或熱能、機(jī)械能和化學(xué)能中得到。發(fā)光材料是指吸收光照，然后轉(zhuǎn)化為光的材料。發(fā)光材料的晶格要具有結(jié)構(gòu)缺陷或

5、雜質(zhì)缺陷，材料才具有發(fā)光性能。結(jié)構(gòu)缺陷是晶格間的空位等晶格缺陷，由其引起的發(fā)光稱為自激活發(fā)光。所以制備發(fā)光材料采用合適的基質(zhì)十分重要。如果在基質(zhì)材料中有選擇地?fù)饺胛⒘侩s質(zhì)在晶格中形成雜質(zhì)缺陷，由其引起的發(fā)光叫激活發(fā)光，摻入的微量雜質(zhì)一般都充當(dāng)發(fā)光中心，稱為激活劑。12得到實(shí)際應(yīng)用的發(fā)光材料大多是激活型發(fā)光材料。材料發(fā)光時(shí)，吸收外界的能量，從而產(chǎn)生高能電子和空穴，它們經(jīng)過相互碰撞，又產(chǎn)生能量較低的電子及空穴。這個(gè)過程一直持續(xù)下去，直到電子的能量降到和發(fā)光體禁帶能量相匹配為止，期間發(fā)出光子產(chǎn)生光。發(fā)光的特征有三個(gè)：1、發(fā)光材料的發(fā)光顏色

6、彼此不同，都有它們各自特征。人們可以選用不同的發(fā)光材料以得到各種發(fā)光顏色。已有發(fā)光材料的種類很多，它們發(fā)光的顏色也足可覆蓋整個(gè)可見光的范圍。材料的發(fā)光光譜可分為下列3種類型：寬帶：半寬度一100nm，如CaWO4；窄帶：半寬度一50nm，如Sr2(PO4)Cl：Eu3+；線譜：半寬度一0.1nm，如GdVO4：Eu3+。究竟一個(gè)材料的發(fā)光光譜屬于哪一類，這既與基質(zhì)有關(guān)，又與雜質(zhì)有關(guān)。例如把Eu3+離子摻進(jìn)不同的基質(zhì)中時(shí)，上述3種類型的發(fā)光部可得到，而風(fēng)，隨著基質(zhì)的改變．發(fā)光的顏色也可改變。2、發(fā)光的第二個(gè)特征是它的強(qiáng)度。由于發(fā)光強(qiáng)度

7、是隨激發(fā)強(qiáng)度而變的，通常用發(fā)光效率來表征材料的發(fā)光能力。事實(shí)上，發(fā)光效率也同激發(fā)強(qiáng)度有關(guān)，在激光未出現(xiàn)前，電子束的能量較高．強(qiáng)度也較大，所以一股不發(fā)光或發(fā)光很弱的材料，在陰極射線激發(fā)下則可發(fā)出可覺察的光或較強(qiáng)的光。但在激光出現(xiàn)后，因?yàn)榧す獾膹?qiáng)度可以＞107W/cm2，在它激發(fā)下很容易引起發(fā)光。3、發(fā)光的第三個(gè)特征是發(fā)光持續(xù)時(shí)間。最初發(fā)光分為熒光及磷光兩種。熒光是指在激發(fā)時(shí)發(fā)出的光，磷光是指在激發(fā)停止后發(fā)出的光?，F(xiàn)在瞬態(tài)光譜技術(shù)已經(jīng)把測(cè)量的范圍縮小到1ps(10-12s)以下，最快的脈沖光輸出已可短到8fs(1fs＝10-16s)，所

8、以，熒光及磷光的時(shí)間界限已不清楚。但必須指出．發(fā)光總是延遲于激發(fā)的，所以在應(yīng)用中就硬性規(guī)定當(dāng)激發(fā)停止時(shí)的發(fā)光亮度從J0衰減到J0的10％時(shí)，所經(jīng)歷的時(shí)間為余輝時(shí)間它可以劃分為6個(gè)范圍：極短余輝：＜1μs；短余輝：1-10μs；中短余輝