光功能與復(fù)合材料PPT課件

1、1受激輻射（激光）受激輻射（激光）(Stimulated Emission)LASER: light amplification by stimulated emission of radiation特點(diǎn)特點(diǎn)：?jiǎn)紊?；?zhǔn)直性（：?jiǎn)紊?；?zhǔn)直性（collimation）產(chǎn)生過(guò)程產(chǎn)生過(guò)程：發(fā)射光子，能量：發(fā)射光子，能量 ；發(fā)射的光子可以激勵(lì)第二個(gè)；發(fā)射的光子可以激勵(lì)第二個(gè)電子的到低能級(jí)，同時(shí)位相相干；最終大量的光子產(chǎn)生。電子的到低能級(jí)，同時(shí)位相相干；最終大量的光子產(chǎn)生。條件條件：電子占據(jù)數(shù)的反轉(zhuǎn)，并且電子能夠在高能態(tài)停留一定時(shí)間：電子占據(jù)數(shù)的反轉(zhuǎn)，并且電子能夠在高能態(tài)停留一定時(shí)間第1頁(yè)/共20頁(yè)2

2、泵浦效率泵浦效率(pumping efficiency)和和占據(jù)數(shù)反轉(zhuǎn)占據(jù)數(shù)反轉(zhuǎn)（population inversion）在兩能級(jí)體系中相互制在兩能級(jí)體系中相互制約，所以不會(huì)產(chǎn)生激光約，所以不會(huì)產(chǎn)生激光行為。行為。測(cè)不準(zhǔn)原理：測(cè)不準(zhǔn)原理：三能級(jí)激光：三能級(jí)激光：非輻射、聲子輔非輻射、聲子輔助的衰退用虛線表示，助的衰退用虛線表示，E2、E3分別是分別是高反轉(zhuǎn)數(shù)和高泵浦效率的能級(jí)高反轉(zhuǎn)數(shù)和高泵浦效率的能級(jí)四能級(jí)激光四能級(jí)激光第2頁(yè)/共20頁(yè)3He-Ne激光激光（a）激光諧振腔示意圖；（）激光諧振腔示意圖；（b）He和和Ne的能級(jí)示意圖。電子的能級(jí)示意圖。電子在電場(chǎng)下加速，通過(guò)電子在電場(chǎng)下加速，通

3、過(guò)電子-原子碰撞激發(fā)原子碰撞激發(fā)He氣，一些氣，一些He能級(jí)與能級(jí)與Ne能級(jí)共振，通過(guò)共振能量傳遞使能級(jí)共振，通過(guò)共振能量傳遞使Ne原子激發(fā)，這使得電子原子激發(fā)，這使得電子非常有效的注入到非常有效的注入到Ne的的2s和和3s能級(jí)（電子和能級(jí)（電子和Ne原子的直接碰原子的直接碰撞也有貢獻(xiàn)）。撞也有貢獻(xiàn)）。第3頁(yè)/共20頁(yè)4半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體激光腔體包括重?fù)诫s的腔體包括重?fù)诫s的n-和和p-型半導(dǎo)體材型半導(dǎo)體材料，如料，如GaAs。在正。在正偏壓下，在耗盡區(qū)偏壓下，在耗盡區(qū)存在電子的反轉(zhuǎn)存在電子的反轉(zhuǎn)直接帶隙半導(dǎo)體材料比間接帶隙直接帶隙半導(dǎo)體材料比間接帶隙半導(dǎo)體具有高很多的發(fā)光效率。半導(dǎo)體具有高很多的

4、發(fā)光效率。聲子的參與使得電子復(fù)合時(shí)間變聲子的參與使得電子復(fù)合時(shí)間變長(zhǎng)（長(zhǎng)（0.25 s），此時(shí)間內(nèi)電子和空），此時(shí)間內(nèi)電子和空穴可以和材料內(nèi)的缺陷態(tài)發(fā)生某穴可以和材料內(nèi)的缺陷態(tài)發(fā)生某種非輻射的復(fù)合種非輻射的復(fù)合間接帶隙半導(dǎo)體中的直接帶間躍遷導(dǎo)致的間接帶隙半導(dǎo)體中的直接帶間躍遷導(dǎo)致的電子注入和聲子參與的間接電子復(fù)合電子注入和聲子參與的間接電子復(fù)合正偏壓下重?fù)诫s半導(dǎo)體的能帶示意圖正偏壓下重?fù)诫s半導(dǎo)體的能帶示意圖和半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖和半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖第4頁(yè)/共20頁(yè)5300 K下一些三元和四元化合物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)、下一些三元和四元化合物半導(dǎo)體的晶格常數(shù)、能隙、發(fā)射波長(zhǎng)。二元化合物之間的線

5、表示三元。能隙、發(fā)射波長(zhǎng)。二元化合物之間的線表示三元。陰影表示間接帶間躍遷。陰影表示間接帶間躍遷。第5頁(yè)/共20頁(yè)6同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)激光同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)激光量子阱激光量子阱激光同質(zhì)結(jié)二極管激光器的耗盡層附近聲子分布示意圖同質(zhì)結(jié)二極管激光器的耗盡層附近聲子分布示意圖活躍區(qū)包含活躍區(qū)包含n型摻雜型摻雜GaAs層的雙異質(zhì)層的雙異質(zhì)結(jié)激光器的示意圖結(jié)激光器的示意圖單量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)單量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)第6頁(yè)/共20頁(yè)7發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（Light-Emitting Diodes (LED)）原理和半導(dǎo)體激光類(lèi)似，只是表面沒(méi)有處理原理和半導(dǎo)體激光類(lèi)似，只是表面沒(méi)有處理色彩圖，其中一些商用的二極管

6、被標(biāo)出色彩圖，其中一些商用的二極管被標(biāo)出第7頁(yè)/共20頁(yè)8液晶顯示器液晶顯示器不發(fā)射光，依靠外部光照。不發(fā)射光，依靠外部光照。液晶顯示器單元示意圖（液晶顯示器單元示意圖（a a）透光模式；（）透光模式；（b b）不通光模式，所）不通光模式，所加電壓改變了液晶分子的取向。加電壓改變了液晶分子的取向。第8頁(yè)/共20頁(yè)9發(fā)射平板顯示器（發(fā)射平板顯示器（Emissive flat-panel displays）電致發(fā)光器件電致發(fā)光器件：在導(dǎo)電材料：在導(dǎo)電材料Al和和ITO間加脈沖電壓，電子注入到磷間加脈沖電壓，電子注入到磷光材料中，當(dāng)電壓超過(guò)一定值，電光材料中，當(dāng)電壓超過(guò)一定值，電子加速并激發(fā)磷光材料

7、中活躍原子子加速并激發(fā)磷光材料中活躍原子如如ZnS中的中的Mn到更高能級(jí)，電子到更高能級(jí)，電子躍回發(fā)生光子。躍回發(fā)生光子。ZnS:Mn: 橘黃橘黃ZnS:Tb和和SrS:Ce：綠等：綠等等離子顯示器件：等離子顯示器件：和熒光燈類(lèi)似。和熒光燈類(lèi)似。He/Ne氣體等在較高的交流電壓氣體等在較高的交流電壓下放電，產(chǎn)生等離子體，電子和離子的復(fù)合產(chǎn)生高能光子（如紫下放電，產(chǎn)生等離子體，電子和離子的復(fù)合產(chǎn)生高能光子（如紫外），被磷光劑吸收而發(fā)射可見(jiàn)光。外），被磷光劑吸收而發(fā)射可見(jiàn)光。場(chǎng)發(fā)射顯示器：場(chǎng)發(fā)射顯示器：和陰極射線管類(lèi)似。通過(guò)尖端場(chǎng)發(fā)射發(fā)射電子，和陰極射線管類(lèi)似。通過(guò)尖端場(chǎng)發(fā)射發(fā)射電子，然后打到磷光

8、劑上發(fā)光。然后打到磷光劑上發(fā)光。第9頁(yè)/共20頁(yè)10光存儲(chǔ)器件光存儲(chǔ)器件第10頁(yè)/共20頁(yè)11晶體管換相器：具有小強(qiáng)度的一束光能夠激發(fā)具有高強(qiáng)度光的發(fā)射。晶體管換相器：具有小強(qiáng)度的一束光能夠激發(fā)具有高強(qiáng)度光的發(fā)射。光學(xué)計(jì)算機(jī)光學(xué)計(jì)算機(jī)晶體管換相器中的光波示意圖，窗口的反射率大約晶體管換相器中的光波示意圖，窗口的反射率大約90%。(a)形成干涉：腔體的長(zhǎng)形成干涉：腔體的長(zhǎng)度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍；度等于半波長(zhǎng)的整數(shù)倍；(b)沒(méi)有形成相干，前進(jìn)波和反射波的總和降低了光強(qiáng)。沒(méi)有形成相干，前進(jìn)波和反射波的總和降低了光強(qiáng)。非線性光學(xué)材料：光強(qiáng)的變化非線性光學(xué)材料：光強(qiáng)的變化改變材料的折射率。改變材料的折射率

9、?！癆ND”門(mén)門(mén) 第11頁(yè)/共20頁(yè)12X射線射線一束電子被強(qiáng)的電場(chǎng)向電極加速，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)一束電子被強(qiáng)的電場(chǎng)向電極加速，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)X射線和單色（特征）射線和單色（特征）x射線。連續(xù)射線。連續(xù)x射線由于原子中電場(chǎng)減速電子而引起，特征射線由于原子中電場(chǎng)減速電子而引起，特征 X射線依賴(lài)射線依賴(lài)于材料的電子結(jié)構(gòu)如圖所示。于材料的電子結(jié)構(gòu)如圖所示。一定加速電壓下發(fā)射的連一定加速電壓下發(fā)射的連續(xù)續(xù)X射線的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變射線的強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化示意圖。化示意圖。激發(fā)激發(fā)K電子和空位被電子和空位被L電子填電子填充而引起的特征充而引起的特征X射線發(fā)射示射線發(fā)射示意圖。意圖。KX射線：射線：L-K；KX射線：射線：

10、M-K。第12頁(yè)/共20頁(yè)13光功能復(fù)合材料光功能復(fù)合材料 光功能復(fù)合材料光功能復(fù)合材料是指具有光學(xué)或光電功能特性的復(fù)合材料，它可以是指具有光學(xué)或光電功能特性的復(fù)合材料，它可以由具有光功能特性的功能體與普通基體復(fù)合而成，也可以由具有光功由具有光功能特性的功能體與普通基體復(fù)合而成，也可以由具有光功能特性的功能體與具有光功能特性的基體復(fù)合而成。能特性的功能體與具有光功能特性的基體復(fù)合而成。透光功能復(fù)合材料透光功能復(fù)合材料通常所說(shuō)的透光復(fù)合材料主要指玻璃纖維增強(qiáng)透明基體的復(fù)合材料，通常所說(shuō)的透光復(fù)合材料主要指玻璃纖維增強(qiáng)透明基體的復(fù)合材料，其透明基體可以是透明的聚合物、玻璃、單晶或玻璃陶瓷等。其透明

11、基體可以是透明的聚合物、玻璃、單晶或玻璃陶瓷等。透明玻璃纖維增強(qiáng)塑料透明玻璃纖維增強(qiáng)塑料，俗稱(chēng)透明玻璃鋼是目前最常用的聚合物基透光，俗稱(chēng)透明玻璃鋼是目前最常用的聚合物基透光復(fù)合材料，它是以玻璃纖維（直徑復(fù)合材料，它是以玻璃纖維（直徑6-10m）與不飽和聚酯或丙烯酸酯復(fù)）與不飽和聚酯或丙烯酸酯復(fù)合而成的一種新型的采光材料。合而成的一種新型的采光材料。第13頁(yè)/共20頁(yè)14透明玻璃鋼性能的特點(diǎn)：透明玻璃鋼性能的特點(diǎn)：透明玻璃鋼的透光率高達(dá)透明玻璃鋼的透光率高達(dá)85%-90%，與普通玻璃向近似，但他具，與普通玻璃向近似，但他具有足夠的強(qiáng)度和剛度，特別是沖擊強(qiáng)度優(yōu)于玻璃，不像玻璃那樣容有足夠的強(qiáng)度和剛

12、度，特別是沖擊強(qiáng)度優(yōu)于玻璃，不像玻璃那樣容易自爆，是一種能采光又能承受載荷的多功能材料。易自爆，是一種能采光又能承受載荷的多功能材料。透明玻璃鋼的密度小于玻璃約為玻璃的透明玻璃鋼的密度小于玻璃約為玻璃的60%-80%，同時(shí)使用時(shí)玻，同時(shí)使用時(shí)玻璃鋼可以很薄，如溫室用玻璃璃鋼可以很薄，如溫室用玻璃5 mm，而玻璃鋼為，而玻璃鋼為0.8-1.5 mm。透明玻璃鋼屬非均質(zhì)透光材料，光線透過(guò)時(shí)能產(chǎn)生散射作用，而透明玻璃鋼屬非均質(zhì)透光材料，光線透過(guò)時(shí)能產(chǎn)生散射作用，而使室內(nèi)光線均勻。使室內(nèi)光線均勻。透明玻璃鋼可按設(shè)計(jì)研究任意配色，使制品色澤鮮艷、美觀透明玻璃鋼可按設(shè)計(jì)研究任意配色，使制品色澤鮮艷、美觀透

13、明玻璃鋼成型工藝簡(jiǎn)便透明玻璃鋼成型工藝簡(jiǎn)便缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：耐久性差：耐久性差：7-10年；年；透明度差：玻璃透光率透明度差：玻璃透光率99%；玻璃鋼最高；玻璃鋼最高90%。第14頁(yè)/共20頁(yè)15玻璃纖維和黏結(jié)劑的折射率玻璃纖維和黏結(jié)劑的折射率 折射率的差值越小，玻璃鋼的透射率越大。折射率的差值越小，玻璃鋼的透射率越大。玻璃纖維和黏結(jié)劑的光吸收系數(shù)玻璃纖維和黏結(jié)劑的光吸收系數(shù) 材料本身的性質(zhì)。另一方面在粒子體積含量不變時(shí)，散射隨粒子尺寸成三次冪增材料本身的性質(zhì)。另一方面在粒子體積含量不變時(shí)，散射隨粒子尺寸成三次冪增加。對(duì)于聚合物，若能將粒子尺寸減少至加。對(duì)于聚合物，若能將粒子尺寸減少至100nm，其

14、散射強(qiáng)度將非常小。，其散射強(qiáng)度將非常小。玻璃纖維的直徑及其在玻璃鋼中的體積含量玻璃纖維的直徑及其在玻璃鋼中的體積含量 直徑越細(xì)，透光系數(shù)越小。在相同纖維含量下，纖維的直徑越細(xì)，表面積越大，直徑越細(xì)，透光系數(shù)越小。在相同纖維含量下，纖維的直徑越細(xì)，表面積越大，玻璃鋼的反射系數(shù)越大，因而降低玻璃鋼的透光系數(shù)。玻璃鋼的反射系數(shù)越大，因而降低玻璃鋼的透光系數(shù)。 一般情況下，玻璃鋼的透光系數(shù)隨玻璃纖維體積含量的增加而減少，但如果玻璃一般情況下，玻璃鋼的透光系數(shù)隨玻璃纖維體積含量的增加而減少，但如果玻璃纖維的折射率與黏結(jié)劑的折射率相差很小，且玻璃纖維的吸收系數(shù)小得多，則可能發(fā)纖維的折射率與黏結(jié)劑的折射率相

15、差很小，且玻璃纖維的吸收系數(shù)小得多，則可能發(fā)生玻璃鋼的透光率隨玻璃纖維體積含量的增加而增大的情況。生玻璃鋼的透光率隨玻璃纖維體積含量的增加而增大的情況。影響玻璃鋼透光率的因素：影響玻璃鋼透光率的因素：第15頁(yè)/共20頁(yè)16透光復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展透光復(fù)合材料的應(yīng)用與發(fā)展透光復(fù)合材料的性能取決于樹(shù)脂基體、玻璃纖維以及填料、透光復(fù)合材料的性能取決于樹(shù)脂基體、玻璃纖維以及填料、纖維與樹(shù)脂間界面的黏結(jié)性能以及光學(xué)參數(shù)的匹配。纖維與樹(shù)脂間界面的黏結(jié)性能以及光學(xué)參數(shù)的匹配。強(qiáng)度和剛度取決于纖維，纖維的光學(xué)性能一般較固定；而樹(shù)強(qiáng)度和剛度取決于纖維，纖維的光學(xué)性能一般較固定；而樹(shù)脂在相當(dāng)程度上與其化學(xué)、物理性

16、能有關(guān)。脂在相當(dāng)程度上與其化學(xué)、物理性能有關(guān)。 目前研究工作的重點(diǎn)之一是如何使樹(shù)脂的光學(xué)性能與玻璃目前研究工作的重點(diǎn)之一是如何使樹(shù)脂的光學(xué)性能與玻璃纖維相匹配，同時(shí)兼顧如力學(xué)性能、阻燃性、耐老化性、色澤纖維相匹配，同時(shí)兼顧如力學(xué)性能、阻燃性、耐老化性、色澤等其他性能。等其他性能。第16頁(yè)/共20頁(yè)17光致變色復(fù)合材料光致變色復(fù)合材料光致變色復(fù)合材料是指能在激發(fā)下產(chǎn)生變色作用的復(fù)合材料，它是光致變色復(fù)合材料是指能在激發(fā)下產(chǎn)生變色作用的復(fù)合材料，它是光功能復(fù)合材料中比較有特殊性的一類(lèi)。光功能復(fù)合材料中比較有特殊性的一類(lèi)。原理：原理：所謂光致變色是指一個(gè)單一化學(xué)物質(zhì)所謂光致變色是指一個(gè)單一化學(xué)物質(zhì)A

17、 A在受到某種波長(zhǎng)光的照射時(shí)，在受到某種波長(zhǎng)光的照射時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成B B；若用另一種波長(zhǎng)光照射或在熱的作用下，物；若用另一種波長(zhǎng)光照射或在熱的作用下，物質(zhì)質(zhì)B B又可以可逆地形成物質(zhì)又可以可逆地形成物質(zhì)A A。光色玻璃光色玻璃用玻璃作基體的光致變色復(fù)合材料用玻璃作基體的光致變色復(fù)合材料在紫外光或可見(jiàn)光中的藍(lán)紫光輻照下，能夠在可見(jiàn)光區(qū)域產(chǎn)生光在紫外光或可見(jiàn)光中的藍(lán)紫光輻照下，能夠在可見(jiàn)光區(qū)域產(chǎn)生光吸收而著色，去除輻射后又回復(fù)原始狀態(tài)。目前的光色玻璃大致吸收而著色，去除輻射后又回復(fù)原始狀態(tài)。目前的光色玻璃大致有還原性堿金屬硅酸鹽玻璃、含鹵化銀玻璃和以有還原性堿金屬硅酸鹽玻

18、璃、含鹵化銀玻璃和以CdOCdO為主的玻璃為主的玻璃第17頁(yè)/共20頁(yè)18感光復(fù)合材料感光復(fù)合材料在光的作用下能迅速發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，引起物理和化學(xué)變化的復(fù)合在光的作用下能迅速發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，引起物理和化學(xué)變化的復(fù)合材料。其功能體通常有感光樹(shù)脂和感光化合物。材料。其功能體通常有感光樹(shù)脂和感光化合物。感光樹(shù)脂：感光樹(shù)脂：在光作用下，短時(shí)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并使其溶解性發(fā)生變?cè)诠庾饔孟?，短時(shí)間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并使其溶解性發(fā)生變化的一類(lèi)高分子。即高分子吸收光能后，借助吸收的能量使分子內(nèi)或化的一類(lèi)高分子。即高分子吸收光能后，借助吸收的能量使分子內(nèi)或分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。分子間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致分子鏈結(jié)構(gòu)發(fā)