功能材料基础与应用 课件（化工） 2.6 光学材料的基本理论.ppt

2.6 光学材料的基本理论 2.6.1光传播的基本理论 （1）光的物理本质 牛顿认为光是由光源飞出的粒子流，解释了反射和折射定律。惠更斯认为光是一种波。麦克斯韦创立光电磁波理论。爱因斯坦完善了光的量子理论，将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、波长等表征波动性质的物理量联系起来。光同时具有微粒和波动性，是光双重本性的统一。 （2）光与物质的相互作用 光与固体介质的作用 ① 光的反射和折射 光的反射和折射 光的全反射 ② 光的吸收与色散 色散系数： 色散： （3）材料的发光 光的吸收： 以某种方式辐射能量发射光子的过程称为材料光发射 物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射。 ① 激励方式 “光致发光” “阴极射线发光” “电致发光” ② 发光特征 第一个特征就是颜色。发光材料的种类多种多样，发光颜色可覆盖整个可见光区域。其中峰值波长的半高全宽表示为?λ，根据?λ的数值可以将发光材料分为三种类型： 宽带—?λ在50~100nm之间，比如钨酸钙（GaWO4）材料；窄带—?λ在50nm以下，例如Sr2(PO4)Cl:Eu3+；线谱：?λ在0.1nm以下，例如GdVO4: Eu3+。上面的Eu3+就属于掺杂的“激活剂”离子，也就是发光中心。 第二个特征是效率。发光强度是随激发强度而改变的，可以用发光效率来表征材料的发光本领。发光效率通常有三种表示法，即量子效率、功率效率和光度效率。 量子效率是指发光的量子数与激发源输入的量子数比值； 功率效率也称能量效率，是发光的功率与激发源输入的功率比值； 光度效率是指发射出的光通量（又称流明，单位lm）与激发源输入的功率比值，也称流明效率。 第三个特征是发光寿命，是指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短，也称荧光寿命或余辉时间。在部分发光材料中涉及比较复杂的中间过程，其光强衰减规律难以用一个参数来表示，所以在应用中往往规定，从激发停止时的发光强度I0衰减到I0/10的时间称为余辉时间，可以根据余辉时间的长短把发光材料分为：超短余辉（＜1μs）、短余辉（1~10μs）、中短余辉（10-2~1ms）、中余辉（1~100ms）、长余辉（0.1~1s）和超长余辉（＞1s）六个范围。短余辉材料常应用于计算机的显示器，长余辉和超长余辉材料常应用于夜光钟表字盘、夜间节能告示板、紧急照明等场合。 ③ 发光机制 固体材料发光可以有两种微观的物理过程：一种是分立中心发光，另一种是复合发光。对具体的材料来说，有可能只存在一种过程，也可能两种过程兼有。 ④ 激光的产生 粒子数反转 2.6.2 光电效应 （1）外光电效应 ① 斯托列托夫定律 I是光电流，P是入射到样品的光功率，S是光电灵敏度。 斯托列托夫定律也可表示为： e为电子电量，η为光子激发出电子的量子效率。也称光电转换第一定律。 ② 爱因斯坦定律 外光电效应是光的粒子性的表现，光电发射的过程包括光子的吸收→电子向表面的运动→电子克服表面束缚向外逸出。 h为普朗克常量，数值为6.626×10-34J?s；v为照射光的频率；m为光电子质量；v0为光电的初速度； 为材料的逸出功或功函数。 只有 时，才会有电子逸出产生光电发射。 单光子光电效应满足爱因斯坦方程的光电发射过程，而多光子参与的光电发射过程叫多光子光电效应。 金属材料的电子逸出功是从费米能级算起至真空能级之间的能量差。但是对于半导体材料而言，电子逸出功则分为两部分： 一部分是从发射中心激发到导带所需要的最低能量Eg； 另一部分是电子从导带底逸出表面所需的最低能量，称为材料的亲和势EA。 一个良好的光电发射体应具备以下三个条件：大的光吸收系数；光电子在体内传输过程中受到的能量损失小，使逸出深度大；表面势垒低，使表面逸出几率大。 （2）内光电效应 内光电效应是物体受光照后内部的电导率会发生变化或产生电动势。光电导效应和光生伏特效应都属于内光电效应。 ① 光电导效应 能够发生光电导效应的材料多为半导体。当半导体在光的照射下，吸收光子能量而被激发出新的载流子（自由电子和空穴），这部分载流子称为光生载流子或非平衡载流子。由于载流子数量的增加导致电导率增加而易于导电，此现象称光电导效应。 ② 光生伏特效应 2.6.3光电效应主要性能 （1）外光电效应的性能 采用斯托列托夫定律来表征外光电效应的好坏，外光电效应主要应用在光电管及光电倍增管器件上，其性能可以用灵敏度和光谱响应等特性参数表征。 ① 灵敏度 可用S表示，代表光电子发射材料在一定