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光学材料 主讲：刘守华　 课件制作：刘守华 光功能材料 固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用。 包括：晶体对光辐射的反射和吸收 晶体在光作用下的发光 光在晶体中的传播和作用 ……等 定义 根据光与材料的相互作用时产生的不同物理效应可将其分为光介质材料和光功能材料。 光介质材料：用以输送光线的材料，以折射、反射和透射方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定的要求传输，也可以吸收或透过一定波长的光线而改变光线的光谱成分。 光功能材料：在电、声、热、磁、压力等外场作用下，其光学性质能发生变化或在光的作用下其结构和性能能发生变化的材料。 缺陷存在时晶体的光吸收 例： Al2O3晶体中Al3+和O2-离子的基态能级为填满电子的的封闭电子壳层，其能隙为9ev，它不可能吸收可见光，所以是透明的。 若0.1%的Cr3+时，晶体呈粉红色，掺入1%的Cr3+时，晶体呈深红色，即红宝石，均可以吸收可见光。 晶体呈红色，表示什么意思？ 吸收红光？还是吸收其他波长的光波？ 1.发光材料 发光：一般用来描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。是一种物体把吸收的能量不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象。 发光机理：单分子过程、双分子过程 单分子过程发光 发光中心受激后，电子从基态G跃迁到高能级A，吸收外界能量； 当电子由Ａ回到Ｇ态时对外辐射光子，即发光。 若受激发电子不受外界因素影响，只决定于内部电场，则称为自发发光； 若受激发电子只有在外界因素影响下才发光，则称为受迫发光(受激发光)。 受迫发光 特征：发射过程分为两个阶段(如图)。 　受激电子M G; 　且M上的电子也不是直接有Ｇ上跃迁而来，而是先由G跃迁到Ａ，再到Ｍ。即： 第一阶段：热起伏，即　 第二阶段：由Ａ　 Ｇ 双分子过程发光 材料吸收能量发生跃迁，产生电子－空穴对； 电子和空穴相遇就可复合并释放能量（光），即为复合发光。 复合发光可以在一个发光中心上直接进行，即原位复合，这叫做单分子过程； 如果电子在脱离原来的发光中心后，在导带中移动了一定的距离后遇到其他发光中心(空穴）复合发光，呈双分子过程。 发光材料的特性 一般而言，对发光材料的特性有三个要求： １.发光颜色：可用发射光谱进行表征，对应谱峰的波长就是发光的颜色。一般说来其波长大于吸收光谱的波长。 三基色原理 单一波长和波谱宽度小于5nm的光称为单色光。含有两种或两种以上波长成分的光称为复合光，复合光使人眼产生混合色。 三基色原理　自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，这些彩色也可以分解成三基色；　 三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基色混合得到；　混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定；混合色的亮度是三基色亮度之和。　另外，任一种颜色都有一个相应的补色。即：它与某一颜色以适当比例混合时，可产生白色。例：红、绿、蓝的补色分别是青、紫、黄。  ２.发光效率 　　发光材料的另一重要特性是发光强度，它随激发强度而改变。材料的发光本领通常以发光效率表征，有3种表示方法： 量子效率：发射物质辐射的量子数N发光与激发光源输入的量子数N吸收（若是光致发光Ｎ为光子数；如系电子发光Ｎ为电子数，余类推）的比值。 B量子 = N发光 / N吸收 能量效率：发光能量与激发源输入能量之间的比值。 B量子 = E发光 / E吸收 光度效率：发光的流明数与激发源输入流明数的比值。 B量子 =光度发光 / 光度吸收 ３. 发光持续时间 依发光持续时间长短，可将发光分为荧光和磷光： 荧光(Fluorescence)：激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失； 磷光(Phosphorescence)：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。 物质发光的持续时间的另一种表示法是余辉。 余辉：当激发光停止时的发光亮度（或强度）J0衰减到10%时，所经历的时间称余辉时间，简称余辉。 根据余辉可将发光材料分为六个范围： 　　　　极短余辉 1μs 短余辉 1~10μs 　　　　中短余辉 10-2~1ms 中余辉 1~100ms 　　　　长余辉 0.1~1s 　极长余辉 1s 现实中的发光现象 夜明珠 通常“在黑暗中发光”的材料都是磷光性材料，属于长余辉材料。 闪电：正负极电压大到使气体电离