[物理]光功能材料.ppt

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，这涉及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以及光电作用、光磁作用等。基于这些性质，可以开发出光学晶体材料、光电材料、发光材料、激光材料以及各种光功能转化材料等。 导带 能隙 （禁带） 价带 固体光吸收的本质 我们先讨论纯净物质对光的吸收。 基础吸收或固有吸收 固体中电子的能带结构，绝缘体和半导体的能带结构如图所示，其中价带相当于阴离子的价电子层，完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。这样，在固体受到光辐射时，如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。 例如，离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25μm到250nm，相当于0.05~5ev的能量。当有足够强的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生了光吸收。这种与电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作基础吸收或固有吸收。例如，CaF2的基础吸收带在200nm(约6ev)附近，NaCl的基础吸收约为8ev，Al2O3的基础吸收约在9ev 导带 激子能级 能隙(禁带） 价带 除了基础吸收以外，还有一类吸收，其能量低于能隙宽度，它对应于电子由价带向稍低于导带底处的能级的跃迁有关。这些能级可以看作是一些电子 - 空穴（或叫做激子，excition）的激发能级（图2）。处于这种能级上的电子，不同于被激发到导带上的电子，不显示光导电现象，它们和价带中的空穴偶合成电子-空穴对，作为整体在晶体中存在着或运动着，可以在晶体中运动一段距离（~1μm）后再复合湮灭。 激子吸收 一、激 光 材 料 世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现又极大的促进了光学材料的发展。到目前为止，就各种激光器而言，已经产生了数百种新型激光工作物质如各种激活晶体和玻璃,半导体、有机液体及气体等。 激光材料包括激光工质材料、激光调Q材料、激光调频材料和偏转材料。 一、激光的基本原理 1、光的吸收和发射 辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。 1）受激吸收：当处于低能级E1的原子吸收入射光子，然后跃迁到高能级E2上。这种过程称为受激吸收。 2）自发发射：跃迁到能级E2的原子不稳定，它会自发地通过辐射一个能量的光子返回到E1能级上。 3）受激发射：处于高能级的原子不仅可以自发发射，而且可以在入射频率ν21的光子感应下受激发射，跃迁到E1能级上。这种过程称为受激发射。 2、粒子数反转：要想使受激辐射占优势，就必须使N2大于N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡分布，就有可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的粒子数N1，称为粒子数反转分布。 二、激光的产生 1、激光器的构成 激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分组成的。 1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，它是激光器的核心。如含Cr3+的红宝石。 2）激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发到激发态能级，以获得粒子数的反转，就需要激励源供给能量。 3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振腔。 2、激光工作物质 1、激光激励装置 3、激光放大谐振腔 如红宝石激光激励装置为脉冲氙灯 产生激光的材料如红宝石、钇铝石榴石等晶体 放大激光装置，一面镜子全反射相应波长的激光，另一面镜子部分透过激光。 激光发生装置原理图 2、激光的产生 当激光工作物质的粒子吸收了外来能量后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态，很快无辐射跃迁达到一个亚稳态能级。粒子在亚稳态的寿命较长,所以粒子数目不断积累增加,这就是泵浦过程。当亚稳态粒子数目大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。 激光的特点： 1）相干性好。所有发射的光具有相同的相位。 2）单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特 定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。 3）方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射经过几次发射后被逸散掉。 4）亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高108-1010倍。 三、激光材料 对激光工作物质的要求是，它有一对有利于产生激光的能级，其中的上能级有足够长的寿命，即粒子被激发到该能级后能在其中滞留较长的时间。因而能在