材料光學(xué)性能分析

1、第六章 材料光學(xué)性能分析一、教學(xué)目的理解并掌握各光學(xué)性能、光譜的概念，掌握各光譜儀的測試方法和光譜分析方法。了解光譜儀的結(jié)構(gòu)和測試原理。二、重點、難點重點：固體發(fā)光原理、熒光光譜測試技術(shù)。難點：熒光光譜測試技術(shù)。三、教學(xué)手段多媒體教學(xué)四、學(xué)時分配6學(xué)時第一節(jié) 透射光譜和吸收光譜材料的光學(xué)性能主要包括對光的折射、反射、吸收、透射以及發(fā)光等諸多方面，光學(xué)性能與材料的某些應(yīng)用領(lǐng)域密切相關(guān)，比如用作反射鏡、光導(dǎo)纖維窗口、透鏡、棱鏡、濾光鏡、激光探測器件等。鑒于篇幅，本章著重介紹折射率、色散、透過、吸收以及激發(fā)、發(fā)射、亮度、效率等發(fā)光性能的測試。一、基本概念光作為一種能量流，在穿過介質(zhì)時，能引起介質(zhì)的價

2、電子躍遷或影響原子的振動而消耗能量。即使在對光不發(fā)生散射的透明介質(zhì)如玻璃或水溶液中，光也會有能量的損失，即光的吸收。 1.吸收光譜設(shè)有一厚度為x平板材料，入射光強度設(shè)為I0，通過此材料后光強度為I。選取其中一薄層，并認(rèn)為光通過此薄層的吸收損失-dI正比于此處光強度 I 和薄層厚度dx，即:則可得到光強度隨厚度呈指數(shù)衰減規(guī)律，即朗伯特定律： 為物質(zhì)對光的吸收系數(shù)，單位為cm-1。的大小取決于材料的性質(zhì)和光的波長。對于相同波長的光波，越大，光被吸收得越多，能透過的光強度就越小。隨入射光波長(或頻率)變化的曲線，叫作吸收光譜。 2.透射光譜透光性是表征材料被光穿透能力的高低，透光性的好壞可用透過率指

3、標(biāo)T來衡量。 透過率T是指光通過材料后，透過光強度占入射光強度的百分比。剩余光強度應(yīng)是從初始入射光強度I0中扣除造成光能衰減的表面上的反射損失、試樣中的散射損失和吸收損失等。 一般地，反射、吸收和透過的關(guān)系可用下式表示： T透過率；R反射系數(shù)；吸收系數(shù)；d試樣厚度，單位cm。透過率T隨波長變化的曲線即稱為透射光譜曲線。Ø 透射光譜曲線可用分光光度計來測定。Ø 光強的大小用光透過試樣照到光電管上產(chǎn)生的電流的大小來表示。Ø 某個波長的光通過空氣（作為空白樣）后的光強設(shè)為I0，再通過一定厚度的試樣后的光強設(shè)為I，即可通過I/ I0得到針對該波長的透過率T，如此依次測得其

4、他各波長的透過率就可得到透過率T隨波長變化的透射光譜。 二、光譜測試1.測試儀器：分光光度計圖6-1 721型分光光度計的光學(xué)系統(tǒng)示意圖1光源 2, 8聚光透鏡 3反射鏡 4狹縫 5, 12保護(hù)玻璃 6準(zhǔn)直鏡 7色散棱鏡 9比色皿 10玻璃試樣 11光門 13光電管2.透射光譜測試由光源發(fā)出的連續(xù)輻射光線，經(jīng)過聚光透鏡匯聚到反射鏡，轉(zhuǎn)角90°反射至狹縫內(nèi)。由此入射到單色器內(nèi)準(zhǔn)直鏡的焦面上，被反射后，以一束平行光射向色散棱鏡（棱鏡背面鍍鋁），光在棱鏡中色散，入射角在最小偏角時，入射光在鋁面上反射后按原路返回至準(zhǔn)直鏡，再反射回狹縫，經(jīng)聚光透鏡再次聚光后進(jìn)入比色皿中，透過試樣到光電管。光電

5、管所產(chǎn)生的電流大小表示試樣的透過率，直接從微安表讀出，從而可得T曲線，即透射光譜。 圖6-2 ZnSe晶體的透過率曲線3吸收光譜測試若試樣為粉末狀，精確測量粉末試樣的吸收光譜存在很大困難，由于粉末層足夠厚時，透射很少，可以忽略，光在粉末中通過無數(shù)次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射那一側(cè)，因此通常通過測試其反射光譜來粗略地估計他們對光的吸收。R為被測材料的反射系數(shù)，可以認(rèn)為散射、透射很小，則吸收系數(shù)近似等于（1-R），這樣，就可以通過測量材料表面對各波長入射光的反射率來確定其吸收光譜。 圖6-3 Cr3+: Al2O3透明陶瓷的室溫吸收光譜第二節(jié) 熒光材料的光譜特性一、激發(fā)光譜與發(fā)射光譜

6、1.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜概念發(fā)光材料的發(fā)射光譜（也稱發(fā)光光譜）是指發(fā)光的能量按波長或頻率的分布。由于發(fā)光的絕對能量不易測量，通常實驗測量的都是發(fā)光的相對能量，因此在發(fā)光光譜圖中，橫坐標(biāo)為波長（或頻率），縱坐標(biāo)為單位波長間隔（或單位頻率間隔）里的相對能量（相對強度）。激發(fā)光譜是指發(fā)光的某一譜線或譜帶的強度隨激發(fā)光波長（或頻率）變化的曲線，橫軸代表激發(fā)光波長，縱軸代表發(fā)光的強弱。發(fā)光材料在指定方向的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量稱為發(fā)光材料在該方向的發(fā)光強度，簡稱光強，單位為坎德拉（cd）。2.激發(fā)光譜與發(fā)射光譜測試發(fā)光光譜和激發(fā)光譜通常使用熒光分光光度計測量。光源多選用氙燈。激發(fā)單色儀用于選擇激發(fā)光源

7、的波長和調(diào)節(jié)激發(fā)光源的發(fā)射能量。發(fā)射單色儀用來測量材料發(fā)光的波長，精度比激發(fā)單色儀高。所使用的光電倍增管要求其波長響應(yīng)范圍寬、靈敏度高。由光源發(fā)出的光，通過激發(fā)單色儀后變成單色光，而后照在熒光池中的被測樣品上，由此激發(fā)出的熒光被發(fā)射單色儀收集后，經(jīng)單色器色散成單色光而照射在光電倍增管上轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，再經(jīng)放大器放大反饋進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換單元，將模擬電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號，并通過顯示器或打印機顯示記錄下被測樣品的譜圖。以上就是熒光分光光度計的基本工作原理。熒光分光光度計的工作原理如所示：激發(fā)單色器熒 光 池發(fā)射單色器光電倍增管放 大 器A / D計算機控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)光源 打 印 機 顯

8、示 器圖6-4熒光分光光度計工作原理圖二、亮度1.概念亮度：發(fā)光材料在指定方向上的單位投影面、單位立體角中發(fā)射的光通量稱為發(fā)光材料在該方向的亮度 。單位：cd/m2。光通量：發(fā)光材料的輻射通量對人眼引起的視覺強度稱為光通量，單位為流明（lm）。光通量實質(zhì)上就是用眼睛來衡量光的輻射通量。輻射通量：光材料在單位時間內(nèi)所輻射的能量。單位：W2.亮度測量圖6-5亮度計原理示意圖圖中，O物鏡，P帶孔反射板，H小孔，F(xiàn)濾光片，D探測器，F(xiàn)D的組合使D的光譜靈敏度和人眼視覺函數(shù)V（）一致。I/V交換器，A放大器，R顯示器。圖的上部由反射鏡P和目鏡系統(tǒng)E組成，用于觀察和對準(zhǔn)被測目標(biāo)。表6-1 國內(nèi)外幾種亮度計

9、的主要性能指標(biāo)三、余輝特性（1）光致發(fā)光材料在激發(fā)光停止后，仍可持續(xù)發(fā)光，但發(fā)光強度逐漸減弱，直到完全消失，這一過程就是發(fā)光衰減。激發(fā)停止后所持續(xù)發(fā)出的光稱為余輝。（2）余輝持續(xù)的時間稱為余輝時間。習(xí)慣上，把激發(fā)停止后發(fā)光亮度降至人眼可辨認(rèn)最小值（0.32mcd/m2）的這段時間稱為余輝時間。（3）光致發(fā)光材料都具有余輝特性，只不過是衰減快慢、余輝長短不同而已，甚至差別很大。發(fā)光衰減特性可以用余輝衰減曲線表示。余輝衰減曲線是指激發(fā)停止后發(fā)光強度（或相對強度）隨時間變化的曲線。發(fā)光衰減特性若發(fā)光衰減是指數(shù)式，表示：式中B是激發(fā)停止后t時間的發(fā)光亮度；B0是t=0時的發(fā)光亮度；a是一常數(shù)。若發(fā)光是

10、雙曲線式的衰減，表示： 其中a、b是常數(shù)，a2。余輝衰減曲線表示： 橫軸為時間，縱軸為相對發(fā)光亮度。 激發(fā)作用剛停止時的時間為零、亮度最大，隨時間延長亮度逐漸降為零。直觀，較為常用。目前文獻(xiàn)中所給出的余輝時間數(shù)據(jù)，多是指激發(fā)停止后發(fā)光亮度下降到起始發(fā)光亮度10所經(jīng)過的時間。激發(fā)停止后發(fā)光強度隨時間變化的曲線。橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為發(fā)光強度(或相對發(fā)光強度)。 圖6-6綠色長余輝材料SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ 的余輝衰減曲線根據(jù)余輝時間的長短，可對發(fā)光材料進(jìn)行以下分類：極長余輝 余輝時間大于1秒；長余輝 余輝時間小于1秒大于10-1秒；中余輝 余輝時間小于10-1秒大于10-3秒； 短余

11、輝 余輝時間小于10-3秒大于10-6秒；超短余輝 余輝時間小于10-6秒。長余輝發(fā)光材料余輝時間的測量比起短余輝材料要簡單、容易得多，其測試裝置由激發(fā)光源、樣品盤、亮度計、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。圖6-18是藍(lán)色長余輝材料CaAl2Si2O8:Eu2+的余輝衰減曲線。由圖可知：衰減曲線由三個衰減壽命組成，并且它們之間相差較大，可能來自三個不同能級之間的躍遷，從而證明材料中至少存在三個不同Eu2+的發(fā)光中心12。 圖6-18 CaAl2Si2O8:Eu2+的余輝衰減及擬合曲線四、發(fā)光效率發(fā)光材料的發(fā)光效率通常有三種表示方法：即量子效率，能量效率（或功率效率）和流明效率（或光度效率）。量子效率是指發(fā)

12、光材料發(fā)射的光子數(shù)N發(fā)光與激發(fā)時吸收的光子數(shù)N吸收之比，即： （6-20）但我們知道，一般總有能量損失，激發(fā)光光子的能量通常大于發(fā)射光光子的能量，尤其是當(dāng)激發(fā)光波長比發(fā)光波長短很多時，這種能量損失（斯托克斯損失）會很大。然而量子效率不能反映發(fā)光材料在被激發(fā)和發(fā)光過程中的能量損失，比如用254nm紫外光激發(fā)某一發(fā)光材料產(chǎn)生550nm的綠色可見光發(fā)射，該過程的量子效率可高達(dá)90%以上，但是激發(fā)能量卻相應(yīng)損失50%以上。為此要引入能量效率定義。能量效率是指發(fā)光材料發(fā)光的能量與吸收的能量之比，即： （6-21）作為發(fā)光材料或發(fā)光器件發(fā)出的光來說，總是作用于人眼的。人的眼睛只能感覺到可見光，而且在可見光

13、范圍內(nèi)，對于不同波長的光的敏感程度也是差別極大的。人眼對不同波長的光的反應(yīng)可用光譜光效能K()表征，K()表示在某一波長的單位功率可產(chǎn)生多少流明的光通量。在可見光光譜范圍內(nèi)，K()隨波長變化而變化。人眼在幾個尼特（cd/m2）以上的強光環(huán)境下的亮適應(yīng)所形成的視覺稱為明視覺，在百分之幾尼特的弱光環(huán)境下的暗適應(yīng)所形成的視覺稱為暗視覺。在明視覺條件下，經(jīng)過實驗測試人眼對波長為555nm的黃綠光最敏感，即=555nm時K()達(dá)到最大值，可用Km表示。對Km值進(jìn)行歸一化，其他波長的K()與Km之比值V()就稱為視見函數(shù)。在暗視覺條件下，人眼對波長為507nm的綠光最敏感。不同波長光波的視覺顏色對人眼的視

14、見函數(shù)的明視曲線和暗視曲線如圖6-19所示。圖6-19人眼視見函數(shù)的明視曲線和暗視曲線（A明視曲線；B暗視曲線）顯然，能量效率很高的發(fā)光材料發(fā)出的光，人眼看起來不見得很亮。因此，用人眼來衡量某一發(fā)光材料的發(fā)光效果時，就必須引進(jìn)另一個發(fā)光效率定義，即流明效率。流明效率是指發(fā)光材料發(fā)射的光通量L（以流明為單位）與吸收的總功率之比，即： （6-22）對于光致發(fā)光來說，如果激發(fā)光是單色或接近單色的，波長為吸收，發(fā)射光也是單色或接近單色的, 波長為發(fā)射, 則能量效率和量子效率之間的關(guān)系可推導(dǎo)如下：對于大多數(shù)光致發(fā)光材料（上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料除外）來說，吸收發(fā)射，由上式可知，能量效率要比量子效率低。 下面介紹一

15、種發(fā)光材料能量效率的測試方法。 直接測量粉末發(fā)光材料的吸收能量，在實驗技術(shù)上是無法做到的，通常是通過測量反射能量的方法，來得到吸收能量值。圖6-20是測量能量效率的實驗裝置示意圖13。圖6-20 測量能量效率的實驗裝置示意圖 由激發(fā)光源發(fā)出的光經(jīng)單色儀分光后，分出所需要的激發(fā)光，照射到樣品盤位置的 MgO標(biāo)準(zhǔn)白板，由MgO標(biāo)準(zhǔn)白板反射的激發(fā)光到光電倍增管和檢流計，可測出光電流I0值。I0與激發(fā)光能量E激發(fā)成正比。給定波長激發(fā)光照射光電倍增管對應(yīng)的光譜靈敏度用K表示，給定波長的MgO反射值用RMgO表示, 則激發(fā)光能量E激發(fā)為： （6-23）以材料的吸收系數(shù)K吸收乘上激發(fā)光能量E激發(fā)，就可得出吸

16、收的激發(fā)光能量E吸收，即 （6-24） 為了測量發(fā)光能量，將樣品盤位置上的MgO白板，換上待測發(fā)光材料，經(jīng)同一波長激發(fā)光照射后，測出檢流計上的讀數(shù)I1，I1包括兩部分光電流：由材料發(fā)光所引起的I1和沒有被發(fā)光材料吸收的那部分激發(fā)光（即反射的激發(fā)光）的光電流I1"，即I1= I1+ I1" （6-25）I1= I1- I1" （6-26） I1"可用發(fā)光材料的反射系數(shù)R反射乘上I0表示，于是： I1= I1 - I0·R反射 （6-27） 以系數(shù)A乘上發(fā)光材料的發(fā)光所引起的光電流值I1，就是材料的發(fā)光能量E發(fā)光，即 E發(fā)光=A·I1 （

17、6-28）上式中的A值由發(fā)光材料的發(fā)射光譜分布和光電倍增管的光譜靈敏度確定： （6-29） 式中，I為給定波長的發(fā)光強度；K為光電倍增管的光譜靈敏度系數(shù)。 上述各參數(shù)測出后，即可求得待測發(fā)光材料的能量效率： （6-30） 如前所述，量子效率與能量效率的關(guān)系式為： 則由測得的即可求出量子效率。 由或的公式可知，影響能量效率或量子效率精度的主要因素是對各參數(shù)的準(zhǔn)確測量，另外與測試方法、測試技術(shù)也有密切關(guān)系。 由此可知，測試材料的發(fā)光效率比較復(fù)雜，對于已開發(fā)應(yīng)用的發(fā)光材料來說，可采用與具有同一組分的標(biāo)樣進(jìn)行對比測試的方法，來測定其發(fā)光效率。這里所指的標(biāo)樣不僅要和待測材料樣品具有相同組分、相同發(fā)光光譜

18、，而且其發(fā)光效率（能量或量子）已經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)計量單位進(jìn)行標(biāo)定。所用的測量裝置和相對發(fā)光亮度測試儀相同，在相同的測試條件下（光源的激發(fā)條件及材料位置不變），分別測出標(biāo)樣和待測樣的光電流值I0、I1，則待測樣的量子效率應(yīng)等于： （6-31）五、光通量 前面已提過，發(fā)光材料在單位時間內(nèi)所輻射的能量稱為輻射通量，單位為W。發(fā)光材料的輻射通量對人眼引起的視覺強度稱為光通量，單位為流明（lm）。光通量實質(zhì)上就是用眼睛來衡量光的輻射通量。隨著稀土三基色熒光粉的產(chǎn)業(yè)化和電子鎮(zhèn)流器的完善，一種電子一體化緊湊型照明在市場上開始顯示優(yōu)越性。因此，關(guān)于這類燈的總光通量測量技術(shù)和方法就顯得特別重要，下面介紹照度計法測緊湊型

19、熒光燈總光通量的測試方法14。自緊湊型熒光燈（CFL）問世以來，出現(xiàn)了諸多類型的CFL，目的不外是提高緊湊程度和增大功率，以便在更大范圍內(nèi)更多地取代白熾燈。因此，CFL的線度和體積都應(yīng)接近白熾燈。正是基于這種考慮，CFL總光通量的測量就沿用了白熾燈總光通量測量的設(shè)備和方法，即利用球形光度計測量其總光通量。實際使用的積分球應(yīng)滿足如下要求：（1）球體。球體應(yīng)采用不易變形、不易受環(huán)境影響的材料制成；球的內(nèi)表面應(yīng)圓滑，力求各處曲率半徑都相等；球的密閉性要好，不允許有漏光現(xiàn)象。（2）窗口。為了便于測量照度，常常在球的赤道上開一小圓孔作為窗口，其直徑不宜過大，以2040mm為宜。圓孔上鑲一片雙面毛玻璃，毛

20、玻璃向球內(nèi)的一面應(yīng)與球內(nèi)壁一致，不得突出或縮進(jìn)。（3）燈的安裝。為了減少測量誤差，標(biāo)準(zhǔn)燈（白熾燈）和待測燈（CFL）都分別裝在球心位置。燈的供電線和支架應(yīng)盡量減少體積和件數(shù)。（4）擋屏。為了能測得球壁多次反射光建立的照度，必須在球心和窗口之間加一擋屏，擋住燈射向窗口的直射光。擋屏的中心在球心與窗口中心的連線上，離球心1/31/2球半徑的位置均可。擋屏面與連線垂直。擋屏的大小以能擋住燈的直射光為宜，不能過大。（5）球的內(nèi)壁涂料。積分球內(nèi)壁的表面狀態(tài)對其漫反射特性和光譜選擇性有很大影響，因此內(nèi)壁涂料的選擇十分重要。其中以硫酸鋇配成的涂料較常用，它的優(yōu)點是化學(xué)穩(wěn)定性好，不易變色和玷污，使用時間較長。

21、其光譜選擇性也較小。涂料的配比見表6-5。表6-5 積分球內(nèi)壁涂層配方藥品名稱質(zhì) 量 比底 層中 層表 層硫酸鋇100100100聚乙烯醇421蒸餾水200200200為了檢驗內(nèi)壁涂層的漫反射特性，在與窗口相對的球壁上開一小口，安裝涂料樣板，與整個球內(nèi)壁一起噴涂。噴涂層厚度約0.51mm。（6）測光系統(tǒng)。測光系統(tǒng)裝在窗口外側(cè)，通常由快門、可變光闌、中性減光片、V()修正濾光片、光電探測器及示數(shù)儀表等組成?？勺児怅@用于讀數(shù)的微調(diào)。中性減光片用于大范圍調(diào)節(jié)讀數(shù)。近年來，多采用硅光電池作探測器，粗調(diào)和微調(diào)都可在光電流的測量線路上實現(xiàn)，因此簡化了測光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，測量操作更為方便。由于測光系統(tǒng)裝在積分球之外，實際測量的是窗口毛玻璃的亮度，而它的亮度與向球內(nèi)的一面上的照度成正比，因此所測得的讀數(shù)也與球壁的反射照度成比例了。圖6-21是球形光度計的示意圖。圖6-21球形光度計示意圖（7）用球形光度計測CFL總光通量 測量前，球內(nèi)點燃一支適當(dāng)功率的白熾燈烘烤球內(nèi)壁，除去潮氣，使球壁的反射比穩(wěn)定，同時預(yù)照探