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第4章材料的光性能1.ppt

第4章材料的光性能1

艾尔小茜茜
2018-09-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《第4章材料的光性能1ppt》,可适用于工程科技领域

第章材料的光学光和固体相互作用概论光的吸收光的散射光的反射和折射光的透射材料的发光光的传输光纤反射镜子反射散射颜色散射天空绕过隐形衣全反射光纤发光LED,激光电光LCD红外线夜视仪LCD=liquidcrystaldisplayLED=LightEmittingDiode引言nm范围内的电磁波可被人眼感受到该波段内电磁波叫可见光。在可见光范围内不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉.可见光对应的频率范围是:    =()HZ.(nm)红橙黄绿青蓝紫电磁波谱透射系数:吸收系数:反射系数:散射系数:光和固体的相互作用概论宏观现象镜面反射慢反射多重散射微观机制()光吸收光损耗电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量Eexp(iwt)在可见光范围内电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化引起局域极化损耗离域电阻损耗、极化滞后损耗等造成吸收。所以当光通过介质时一部分能量被吸收同时光速减小后者导致折射。电磁波的分量之一是迅速变化的磁场分量Hexp(iwt)磁性介质磁化损耗正是因为介质的极化“拖住”了电磁波的步伐使其传播速度比真空中慢导致折射产生。()光发射从量子力学看电磁波的吸收和发射包含电子从一种量子能态转变到另一种量子能态的过程吸光:材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去电子发生的能级变化∆E与电磁波频率有关:∆E=hν。发光:受激电子不可能无限长时间保持。在激发状态经过一个短时期后它又会衰变回基态同时发射出电磁波。)基本假设组成介质的原子、分子内的带点粒子(电子、离子)被准弹性力保持在平衡位置附近可比拟为弹簧振子具有一定的固有振动频率在入射光辐照下这些带点粒子被光波的电场分量极化从而发生受迫振动如果受迫振动的频率(光频)与固有频率接近发生光吸收当二者相等时发生谐振(最强)吸收。微观机理模型光的吸收Lorentz模型电子极化离子极化)模型建立原子分子电偶极距:介质平均电偶极距(极化强度):单位体积介质的原子数目带电粒子的受迫振动方程强迫力回复力阻尼光场的电场分量求解得电极化率储存损耗复折射率相应的光强光的传播指数衰减)结果讨论现象:光在材料中传播时其强度呈指数衰减。宏观唯象模型朗伯特定律:介质对光的吸收系数xII布格定律吸收与波长的关系取决于介质材料的性质和光的波长如图示。(参书上图)P)可见光区金属和半导体的吸收系数都很大电介质材料的很小。因为:电介质价电子所处的能带是填满的不能吸收光子而自由运动而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带所以在一定波长范围内吸收系数很小。而金属和半导体在正相反。能量导带禁带价带吸收的光子图电子受激越过禁带在价带留下一个空穴∆E=hν>Eg价电子发生跃迁∆E=hν<Eg价电子不发生跃迁不能吸收光子而自由运动。)紫外吸收峰紫外区出现紫外吸收端因为频率增大、波长变短光子能量变大∆E=hν>Eg电子吸收光子而跃迁到导带产生紫外吸收峰。)红外区的吸收峰红外吸收与晶格及原子、分子振动及转动有关。离子的弹性振动与光子辐射产生谐振消耗能量。为了有较宽的透明频率范围必须使吸收峰远离可见光区要使谐振点的波长尽可能的远离可见光区即吸收峰处的频率尽可能小。光频电子极化能级跃迁分子振动分子转动固有频率紫外吸收光谱红外吸收光谱光遇到微粒、胶体或其它结构成分不均匀的微小区域偏离原来的传播方向而弥散反射的现象称为光的散射。光的散射光散射示意图入射光散射光散射中心(分子、胶体、颗粒)弹性散射:散射前后光的波长(频率或能量)不发生变化只改变方向的散射。非弹性散射:散射光()当光波的电磁场作用于物质原子、分子等时将激起粒子的受迫振动。这些受迫振动的粒子向各个方向发射球面次波。空气中的分子就可以作为次波源把阳光散射到我们眼里使我们看见物质。月球上因为没有大气层天空即使在白天也是黑的。()由于固态和液态粒子结构的致密性微粒中每个分子发出的次波位相相关联合作发射形成一个大次波。由于各个微粒之间空间位置排列毫无规则这些大次波不会因位相关系而相互干涉因此微粒散射的光波从各个方向都能看到。、散射机理、散射分类一、弹性散射按照散射中心尺度a与入射光波长λ是大小分为三类:丁达尔散射TyndallScattering(溶胶散射)当a稍小于λ时例如胶体、乳浊液、灰尘散射森林、暗屋里的光柱。入射光的电磁波使颗粒中的电子做与入射光波同频率的强迫振动致使颗粒本身象一个新光源一样向各方向发出与入射光同频率的光波。米氏散射MileScattering(分子~胶体)当a<λn=米氏散射性质比较复杂不改变入射光频率。瑞利散射Rayleighscattering(分子散射)当a«λ时n=即当散射中心的线度远小于入射光的波长时散射强度与波长的次方成反比瑞利散射不改变入射光的频率。为了解释天空为什么呈蔚蓝色白天(中午)天空呈现蓝色因为:当日光经过大气层时与空气分子发生瑞利散射因为蓝光比红光波长短瑞利散射发生的比较激烈被散射的蓝光布满了整个天空较多蓝光向下进入眼帘。白天(中午)太阳呈现白色或黄色因为:你看到更多的是直射光而不是散射光所以日光的颜色(白色)基本未改变波长较长的红黄色光(多数直射)与蓝绿色光(少量散射)的混合。日落日出时呈现红色太阳斜射日光行程长蓝光大量都被散射了(向上)留下多数红橙色的光故落日的黄昏是红色的天空其它地方由于光线很弱(无直射散射微弱)是昏暗的蓝黑色。(nm)红橙黄绿青蓝紫二、非弹性散射分类拉曼散射(Ramanscattering)是分子或点阵振动的光学声子(即光学模)对光波的散射。在光谱图上距离瑞利线较远它们与瑞利线的频差可因散射介质能级结构不同而在之间变化。布里渊散射(Brillouinscattering)是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射即点阵振动的声学声子(即声学模)与光波之间的能量交换结果。由于声学声子的能量低于光学声子所以布里渊散射的频移比拉曼散射小在光谱图上它们紧靠在瑞利线旁只能用高分辨的双单色仪等光谱仪才能分辨出来。、反射和折射定律非铁磁性材料:()铁磁性材料:光的反射和折射折射率(p表)相对折射率光疏光密真空介质()、全反射相对折射率光密介质→光疏介质全反射临界角石英>空气水>空气)折射原因介质被光(电磁波)的电场分量极化导致损耗减慢了电磁波(光)的传播速度v=cn导致传播方向改变从而发生折射(n>)。)折射率(光速)色散介质(材料)中的光速cn(或介质折射率n)所广波波长变化而变化的现象称为色散。、折射率其大小衡量材料介质的光学品质。介质的属性光的颜色介质的色散率:几种材料的色散曲线如)对于同一种材料波长越短折射率越大)波长越短则色散率越大)对于不同材料在同一波长下折射率越大者色散率越大)不同材料的色散曲线间没有简单的数量关系。由于色散现象使用光学玻璃制成的单片透镜成像不够清晰在自然光的透过下在像的周围环绕了一圈色带。克服方法:用不同牌号的光学玻璃分别磨成凸透镜和凹透镜组成的复合镜头就可以消除色差消色差镜头。光学玻璃的色散系数:、反射系数及其影响因素反射系数:()透明材料=,R消光系数:讨论:陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气大反射损失较严重。减小反射措施:)透过介质表面镀增透膜)将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶将它们粘起来以减少空气界面造成的损失。()金属材料R除去反射、吸收、散射余下的那部分。能量吸收的光子费米能空能态被电子占据的能态能量费米能反射的光子a)b)图金属吸收光子后电子能态的变化金属材料的透过性光的透射在金属的电子能带结构中费米能级以上存在许多空能级(晶体>空带)。当金属受到光线照射时电子容易吸收入射光子的能量而被激发到费米能级以上的空能级上(空带)。因而各种不同频率的可见光即具有各种不同能量的光子都能被吸收。um。事实上金属对所有低频电磁波都是不透明的。)金属材料(晶体)对光的反射大部分被金属吸收的光又会从表面上以同样波长的光波发射出来R。根据此性质常利用金属薄层来做反光镜。且金属膜的反射率与波长成反比关系。)金属(原子)对光的吸收非金属材料的透过性电子极化只有当光的频率与电子极化频率处在同一个数量级时由此引起的吸收才变得比较重要电子受激吸收光子而越过禁带或进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时光量子才可能被吸收。同时材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。可见光中波长最短的是紫光波长最长的是红光:Eg<eV光子激发电子激发跃迁非金属材料吸收光子不透明。Eg=eVeV非金属材料选择性吸收光子带色透明。Eg>eV非金属材料不吸收光子透明。除了真空没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。任何一种物质它对某些波长范围内的光可以是透明的而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。例如在光学材料中石英对所有可见光几乎都透明的在紫外波段也有很好的透光性能且吸收系数不变这种现象为一般吸收但是对于波长范围为μm的红外光却是不透明的且吸收系数随波长剧烈变化这种现象为选择吸收。换言之石英对可见光和紫外线的吸收甚微而对上述红外光有强烈的吸收。一般吸收和选择吸收产生散射的原因是光传播的介质不均匀。均匀介质对光是不散射的。对于相分布均匀的材料散射遵循指数衰减定律。P影响陶瓷材料透射比的因素:吸收系数(对陶瓷、高分子电介质可见光吸收系数低非主要因素。)反射系数(取决相对折射率、表面光洁度金属反射主要因素。)散射系数(陶瓷散射系数高是主要因素))材料宏观和微观缺陷:不均匀界面存在相对折射率散射系数增大。)晶粒排列方向:非各向同性的立方晶体或玻璃态则必然存在双折射对于多晶体材料结晶取向不完全一致晶粒之间产生折射率差别从而引起晶界处的反射和折射损失。)气孔反射损失:晶粒之内以及晶界玻璃相内的气孔、孔洞构成了第二相与基体晶粒存在相对折射率由此引起反射和散射损失。介质对光的散射材料的发光引言冷发光热辐射发光二极管激光引言发光(光发射光辐射):原子处于激发态的电子向基态跃迁与空穴复合并释放光子的过程光的吸收和辐射EEħνħνħνħνħν(a)自发辐射(b)受激吸收(c)受激辐射热平衡状态:(a)>(b),受激辐射不起作用受激辐射产生的光子频率、相位、偏振等几乎与入射光子相同从而能够与入射光形成强相干当超过受激吸收时就可能形成光放大要形成受激辐射放大必须额外提供能量使体系处于非平衡状态自发辐射受激辐射()热辐射()电致发光()光致发光()化学发光()同步辐射光源()激光光源()冷发光辐射分类方向性、相干性差、功率弱方向性、相干性差、功率弱ħν=EcEv=Egħν=EcEvE声=EgKk=k光Kk=k声k光=k光()带间辐射复合直接跃迁和间接跃迁两种。辐射复合方式、效率高、占多数InSbGaAs、效率低、占少数GaPAlAs()浅能级和主带之间的复合(掺杂)EdEcEaEvP型浅受主N型浅施主特点:hv<Eg如果当激发除去后在内发出的光称为荧光被激发的电子跳回价带时发射光子如果外来激发停止后物体继续发光称为磷光持续时间>甚至更长。磷光的特点可用余辉时间表征。(冷)发光广义地除热激发以外自发辐射导致的发光都叫冷发光包括电、光、化学等导致的光狭义地这里指荧光和磷光。磷光体余辉时间:I>I所需要的时间(b)磷光材料(a)荧光材料带间自发辐射浅能级参与自发辐射激活剂激活剂磷光剂激活剂(硫化物金属):CaS、SrS、BaS、ZnS、CdSAg、Cu、Mn磷光材料例电视屏中使用发蓝光的ZnS:Ag和发黄光的Zn,GdS:Cu,Al的混合材料使荧光屏呈白色公路交通中的间路标长余辉的磷光体。(表磷光体的使用对象和主要性质P)荧光材料:荧光剂激活剂激发源(能量):紫外、X射线例普通荧光管:卤代硫酸钙Sb、Mn紫外激发宽频发射激发源:加速电子热辐射材料中的电子被(加)热激发到高能级原子外壳层电子易激发后跳回低能级发射低能(低频长波长)光子波长大于可见光热激活增加发射高能量光子增加强度增加频率增到可见光区发射谱变成连续谱(含可见光波长的光子)热辐射材料的颜色(频率)和亮度(幅值)随温度而改变(温度继续提高)低温下材料热辐射的波长太长而不可见增加温度后发射有短波长光子。在高温下材料热辐射所有波长的光子则辐射成为白光辐射。白炽灯是热辐射发光的应用。发光二级管(LED)由于电子-空穴对的复合半导体材料发射光但是可以发射光子的材料在室温下靠热激发不能够发出明亮的光因为靠热激发产生的电子-空穴对浓度不够高不足以产生可以分辨出的光辐射然而外界能量如电场能可以激发足够数量的电子-空穴对以至于产生数量较大的自发复合辐射导致材料明亮发光一个获得足够数量的电子-空穴对的传统办法就是使pn结处于正向偏置状态在同一空间(结区)注入大量的电子和空穴它们相遇复合发出较强的光一、P型半导体N型半导体EFEcEvqΦΦ载流子扩散形成的反向平衡电场(a)偏压V=(b)偏压V=V二、pn结接触后形成的能带及电致发光EcEvq(ΦV)势垒降低qVEFnEFpqVI=ILED发光原理()无偏压时载流子在pn结界面扩散形成反向内电场Φ阻碍载流子继续流过达到热平衡之后无载流子通过无发光现象()在pn结外加一正向偏压V从外界不断地注入载流子维持非平衡载流子使电子和空穴持续复合发光电能转变为光能这就是发光二极管(LED)。发光跃迁方式:本征跃迁:带间跃迁能量最大非本征接跃迁:带与杂质能级之间杂质能级之间、发出可见光的半导体材料其禁带宽度Eg:~eV。、Ge和Si可以制成优良的pn结但带隙在光谱的红外部分而且是间接带隙材料复合跃迁几率低不宜作发光材料。、GaAs是直接带隙材料但带隙小于eV不能发出可见光。故需要调节其Eg使其落入可见光区。LED对材料的要求LED种类繁多其中应用最广泛的是GaP(间接跃迁Eg=eV)、GaAsxPx(直接和间接跃迁混合)。LED能带工程(带隙调节掺杂)替位式杂质替代、N:GaP绿光LED用N替代P成负电中心而成为电子陷阱进而形成陷阱-电子-空穴复合体发射λ=nm的绿光。、ZnO:GaP红光LED改变跃迁类型二者复合(合金化)GaAsxPx=xGaAs(x)GaPGaAs(直接)GaAsxPxGaP(间接)x=(GaAs)Eg较小(红外)不能发出可见光x=时(GaAsP)Eg增大到可见光范围x=红色橙色黄色绿色LED的优点:利用率能耗寿命P激光产生的前提:处于高能级上的电子数大于处于低能级上的电子数(粒子数反转)受激辐射>自发辐射。激光(Laseramplificationbystimulatedemissionofradiation),受激辐射光放大简称单色性好、相干性强、方向性好的高能相干光束。年爱因斯坦发表《关于辐射的量子理论》年赫尔发明微波磁控管年巴索夫等提出三能级微波固体激光器原理年斯科韦尔等研制第一台微波激光器模型年梅曼研制成功第一台红宝石激光器。激光粒子数反转:在通常情况下因为热力学的平衡态服从波尔兹曼分布律使得处于基态(最低能级)的原子数远远多于处于激发态(较高能级)的原子数。为了形成足够的激发辐射得到强相干的激光束必须激发原子群体使亚稳态上的原子数目超过基态上的。该过程称为粒子数反转。各种激发方式被形象化地称为泵浦或抽运。为了使激光持续输出必须不断地“泵浦”以补充高能级的粒子向下跃迁的消耗量。例如氦氖激光器中通过氦原子的协助使氖原子中的两个能级实现粒子数反转而获得激光。亚稳态一、能级结构ħνħνħν激发态基态钕钇铝石榴石红宝石P(a)示意图(b)实物图冷却管二、激光器工作原理激光工作物质产生、发射激光的物质固体单晶气体等通过掺杂控制亚稳态能级。CrAlONdYAG(P)激发光源使从基态达到激发态聚光腔使各向同性的受激辐射(激光)向轴向聚集光学谐振腔对轴向聚集的激光进行多次全反射大量相干、放大获得单色、高功率激光从部分反射端发射冷却系统对激光器及腔体进行冷却保护三、常见激光器及其用途HeNe激光器CO激光器红宝石激光器钇铝石榴石激光器P

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