第5章 光学陶瓷.ppt

第五章 光学陶瓷 主要内容 5.1 透明陶瓷 5.2 激光材料 5.3 光纤材料 5.4 发光材料 5.5 光色材料 5.6 非线性光学材料 5.5 液晶材料 前言 利用材料的光学性能和各种不同的用途有关。其中比较重要的是那些用作窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光器、光导纤维等的以光学性能为主要功能的光学玻璃、晶体等。有些特殊用途的光学零件，例如高温窗口、高温透镜等，不宜采用玻璃材料，需采用透明陶瓷材料，例如成功地应用在高压钠灯灯管上的透明陶瓷。因为它需要能承受上千度的高温，以及钠蒸气的腐蚀，对它的主要光学性能要求是透光性。 光的吸收与透过 当物质的电子吸收光子全部的能量，从价带跃迁至导带时，光子将被吸收，该物质对所照射的光是不透明的； 当物质的电子不能实现从价带向导带的跃迁，即电子被束缚而不能被光子激发，则光子可以透过，该物质对所照射的光是透明的 在金属中，由于价带与导带是重叠的，它们之间没有能隙，因此，无论入射光子的能量hv多小，电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去。金属能吸收各种波长的光，因而是不透明的。 对于多数绝缘体，由于在价带和导带间有大的能隙，电子不能获得足够的能量逃逸出价带，因此也就不发生吸收。如果光子不与材料中的缺陷有交互作用，则绝缘体就是透明的，如玻璃、高纯度的结晶陶瓷和无定形聚合物等。 对半导体而言，因其能隙小于绝缘体，因此，在不同波长的光照射下，半导体可能允许某种光透过，也可能对某种光是不透明的 为了达到陶瓷的透光性，必须具备以下条件 ： 致密度高(为理论密度的99.5%以上) 晶界上不存在微气孔，或微气孔大小比光的波长小得多 晶界没有杂质及玻璃相，或晶界的光学性质与微晶体之间差别很小； 晶粒较小（0.4~0.8um）而且均匀，其中没有空隙； 晶体对入射光的选择吸收很小； 无光学各向异性，晶体的结构最好是立方晶系； 表面光洁度高。 3.透明陶瓷的种类 高压钠灯——“人造小太阳” 1、钠蒸气放电会产生超过1000°的高温 2、钠蒸气有强烈的腐蚀作用 高压钠灯是一种高压钠蒸气放电灯，在钠蒸气放电过程中，由于钠原子极不稳定，在很短的时间(约为10-8秒)内把获得的动能以光的形式释放出来，而恢复到稳定的基态，这就是钠灯的发光原理。 荧光信号的接收采用HAMAMATSU R5509272型(200～900nm) 探测器,测量荧光光谱所用的激发光源是连续半导体激光器,激发波长为808 nm。测量荧光寿命的激发光源为超短脉冲半导体激光器。 F其它 Dy：CaF2 CaF2陶瓷的透明度、折射率几乎和单晶CaF2的一致，并且首次在陶瓷介质中实现了激光震荡。目前，Dy2+：CaF2激光陶瓷技术已经很成熟。 ZnS ZnS是从20世纪60年代发展起来的红外窗口材料， 目前已经相当成熟。从光学、热学和机械性能来看，ZnS是8～12um红外波段飞行器窗口非常合适的材料，但是ZnS的硬度低、抗雨蚀能力较差。另外，ZnS还具有良好的微波透过性能，它的介电常数为5.1，介质损耗为5x10-4， 适合于红外与微波的复合材料 §5.2 激光材料 5.2.1 激光简介 5.2.2 激光的产生 5.2.3 激光工作物质 5.2.4 典型固体激光材料 5.2.5 应用 5.2.1 激光简介 LASER—— Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。 激光的特点 激光是一种颜色最单纯的光 激光的方向性好 激光相干性强 激光亮度高,具有很大的能量 5.2.2 激光的产生 光的产生总是和原子中电子的跃迁有关 处于高能级E2上的粒子，向低能级E1跃迁，则它以辐射形式发出能量，其辐射频率为 能量发射有两种途径： 自发发射: 无规则转变 受激发射：处在高能级E2上的粒子，在发射前受到频率为hv = E2-E1 的光子作用下，受激跃迁到低能级E1上并发出频率为v的光子的过程，称为受激辐射 5.2.2 激光的产生 必要条件——粒子数反转 粒子在个能级上的分布 Ni=Ne e -Ei/ kT Ni ——为处在能级Ei的粒子数 Ne——为总粒子数 k ——为波尔兹曼常数 T——为体系的绝对温度 5.2.3 激光工作物质 气体：氦氖、氩离子、CO2、N2、O2 液体：稀土元素的二元酮有机溶液，有机燃料 固体 晶 体: 非晶体：玻璃(硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物) 固体激光材料组成 激活粒子 ——在固体中提供亚稳态能级 由光泵