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1、現(xiàn)代新型材料與納米材料NewMaterialsandNanometer-Materials（9）材料科學與工程學院劉穎教授主講1第九講光學材料OpticalMaterials2主要內(nèi)容發(fā)光材料紅外光學材料固體激光材料光色材料3光充滿著整個宇宙，各種星體都在發(fā)光：遠紅外光、紅外光、可見光、紫外光，以及X射線等。人類生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠燈光，夜間還要靠星光。要利用光，就要創(chuàng)造工具，就要有制造工具的材料—光學材料。太陽光星光燈光4自然中存在一些天然光學材料：我國的夜明珠、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，能在無光環(huán)境下放出各種色澤的晶
2、瑩光輝。由于這些光學材料稀有，被視為人間珍寶，成為權力和財富的象征。夜明珠珍珠貓眼石5春秋戰(zhàn)國時期，墨子就研究光的傳播規(guī)律，出現(xiàn)了最古老的光學材料—青銅反光鏡。17世紀，瑞士人紀南熔制出光學玻璃，主要用于天文望遠鏡；隨后，歐洲出現(xiàn)了望遠鏡和三色棱鏡，人造光學玻璃成為主要光學材料。20世紀初，以望遠鏡、顯微鏡、光譜儀以及物理光學儀器四大類為主體，建立了光學工業(yè)。青銅鏡望遠鏡6光學材料在國民經(jīng)濟和人民生活中發(fā)揮重要作用。一副直徑5厘米左右的光學眼鏡片就能消除眼疾給人帶來的苦惱。7科學研究、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人類生活等需要使用顯微鏡、望遠鏡、經(jīng)緯儀、攝像機等各種光學儀器，核心部分都是由光學材
3、料制造的光學零件。光學材料已成為人類社會必不可少的功能材料。望遠鏡攝相機眼鏡8光學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、強度和位相，使光線按預定要求和路徑傳輸，也可吸收或透過一定波長范圍的光線而改變光線的光譜成分。光學材料包括光纖材料、發(fā)光材料、紅外材料、激光材料和光色材料等。光學材料9發(fā)光材料10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)化為光向外輻射的過程，是熱輻射外另一種能量輻射現(xiàn)象。光子是電子在受激高能態(tài)返回低能態(tài)時發(fā)出的，當發(fā)出光子能量在1.8-3.1eV時，便是可見光。材料發(fā)光所需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
4、電子或熱能、機械能和化學能中得到。綠色極光熒光現(xiàn)象11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)材料中有選擇地摻入微量雜質(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)一般都充當發(fā)光中心，稱為激活劑。實際應用的發(fā)光材料大多是激活型發(fā)光材料。12發(fā)光微觀過程：材料發(fā)光時，吸收外界的能量，產(chǎn)生高能電子和空穴，高能電子和空穴經(jīng)過相互碰撞，又產(chǎn)生能量較低的電子及空穴；這個過程一直持續(xù)下去，直到電子的能
5、量降低到和發(fā)光體禁帶能量相匹配為止，期間發(fā)出光子，產(chǎn)生光。紅色極光半導體發(fā)光13發(fā)光的特征有三個：發(fā)光材料的發(fā)光顏色彼此不同，都有各自特征，選用不同的發(fā)光材料可得各種發(fā)光顏色。發(fā)光材料種類很多，發(fā)光顏色也覆蓋整個可見光范圍。材料的發(fā)光光譜可分為以下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+。究竟一種材料的發(fā)光光譜屬于哪一類，既與基質(zhì)有關，又與雜質(zhì)有關。14發(fā)光的第二個特征是它的強度。發(fā)光強度隨激發(fā)強度而變;激光出現(xiàn)前，電子束能量較高，強度較大，一般不發(fā)光或發(fā)光很弱的材
6、料，在陰極射線激發(fā)下可發(fā)出可覺察的光或較強的光。激光出現(xiàn)后，其強度可以大于107W/cm2，在它激發(fā)下很容易引起發(fā)光。Samsung超薄CRT電視15發(fā)光的第三個特征是發(fā)光持續(xù)時間。最初發(fā)光分為熒光及磷光兩種：熒光是在激發(fā)時發(fā)出的光，磷光是在激發(fā)停止后發(fā)出的光。瞬態(tài)光譜技術已把測量范圍縮小到1ps(10-12s)以下，最快的脈沖光輸出已短到8fs(1fs=10-15s)，熒光及磷光的時間界限已不清楚。發(fā)光總是延遲于激發(fā)，當激發(fā)停止后，發(fā)光亮度從J0衰減到10％J0時，經(jīng)歷的時間為余輝時間。熒光現(xiàn)象磷光夜明珠16發(fā)光材料由此可劃分為6個范圍：極短余輝：＜1μs；短余輝：1-10μs
7、；中短余輝：10-2-1ms；中余輝：1-100ms；長余輝：0.1-1s；極長余輝：＞1s17自然界中很多物質(zhì)或多或少都可以發(fā)光，發(fā)光材料中既有無機化合物，也有有機化合物。發(fā)光材料使用最多的是粉末狀多晶固體無機化合物，其次是單晶和薄膜。根據(jù)發(fā)光類型，可把發(fā)光材料分為光致發(fā)光材料、陰極射線發(fā)光材料、X射線發(fā)光材料、場致發(fā)光材料、發(fā)光二極管等。蝴蝶翅膀上的磷粉具有發(fā)光現(xiàn)象磷光蝦18光致發(fā)光材料光致發(fā)光是指發(fā)光材料從較高能量的光輻射(如紫外光)中得到能量，擊發(fā)光子發(fā)光的現(xiàn)象，光致發(fā)光
