南開大學(xué)奇妙的材料世界 第九講-第七章 光學(xué)材料

作業(yè)：3、什么叫剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度、矯頑力？

剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度：磁體被磁化至最大磁感應(yīng)強(qiáng)度再去掉外磁場(chǎng)后所保留的磁感應(yīng)強(qiáng)度稱為剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度。矯頑力：使磁體中的剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度降為零所需要的外加反向磁場(chǎng)強(qiáng)度叫做矯頑力。5/7/20231第七章光學(xué)材料5/7/20232材料的光性質(zhì)，從本質(zhì)上講，就是材料和電磁波的相互作用。包括：材料對(duì)光的反射和吸收；材料在光作用下的發(fā)光；光在材料中的傳播和作用；作用又包括：光電作用、光磁作用等?；谶@些性質(zhì)，可以開發(fā)出各種光學(xué)功能材料，如發(fā)光材料、光導(dǎo)纖維、激光材料、光電材料等。5/7/20233內(nèi)容：1、光學(xué)材料的應(yīng)用舉例2、材料的光學(xué)特性3、光學(xué)性能的本質(zhì)(1)

光速、折射率與ε及μ的關(guān)系(2)光吸收的本質(zhì)4、光學(xué)材料分類(1)發(fā)光材料(2)光導(dǎo)纖維(3)光存儲(chǔ)材料(4)激光材料5/7/202341、光導(dǎo)纖維(1)光纖通訊—信息高速公路

0.1mm直徑光纜：同時(shí)能傳送100億路電話，100萬(wàn)路高質(zhì)量的電視節(jié)目，且不受電磁干擾，信息損失也極小。0．65毫米的銅線僅能同時(shí)提供24路電話。7.1光學(xué)材料的神奇作用5/7/20235(2)醫(yī)用內(nèi)窺鏡光導(dǎo)纖維可以用于食道、胃等深部探查內(nèi)窺鏡（胃鏡、血管鏡等）；外科手術(shù)激光刀由光導(dǎo)纖維將激光傳遞至手術(shù)部位，不必開刀直接切除癌瘤組織。(3)照明和光能傳送實(shí)現(xiàn)一個(gè)光源多點(diǎn)照明，光纜照明，可利用塑料光纖光纜傳輸太陽(yáng)光作為水下、地下照明。5/7/202362、激光材料二十世紀(jì)最大的發(fā)明之一。(1)激光加工:寶石打孔；切割；(2)激光測(cè)距：從地球到月球；從地面到云層或飛機(jī)；飛機(jī)、大炮、坦克，甚至步槍都裝上了激光測(cè)距儀。(3)激光通訊：與光導(dǎo)纖維同時(shí)使用。激光手術(shù)、激光育種、激光準(zhǔn)直、激光致導(dǎo)、激光影碟等5/7/202373、光存儲(chǔ)材料

摻鐵鈮酸鋰晶體（Fe：LiNbO3）12cm的標(biāo)準(zhǔn)光盤，普通已達(dá)4GB，最高已達(dá)到100GB。4、發(fā)光材料當(dāng)外界以任一形式的能量將電子由價(jià)帶激發(fā)至導(dǎo)帶后,該電子又返回到價(jià)帶時(shí)發(fā)出的光子頻率在可見光范圍內(nèi)的材料。熒光材料：日光燈、高壓水銀燈等磷光材料：電視屏幕、顯像管等5/7/202387.2材料的光學(xué)性質(zhì)光是一種電磁波，各種電磁波的能量、波長(zhǎng)見圖5/7/20239可見光波長(zhǎng)：0.4~0.7um,光子能量：0.8~4eV5/7/2023101、光的吸收、反射、透過(guò)材料的光學(xué)性能是指材料對(duì)電磁波輻射、特別是對(duì)可見光的反應(yīng)，主要是用材料對(duì)電磁波的吸收，反射和透射特性來(lái)衡量。5/7/202311玻璃：一束強(qiáng)度為I0的光入射時(shí)，透射光IT、反射光IR

、吸收光IA。透射率：吸收率：反射率：5/7/2023122、折射率當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，其速度降低，且傳播方向發(fā)生變化，即發(fā)生了折射。用光在真空中傳播速度與在材料中傳播速度之比來(lái)表征材料的折射能力，稱之為折射率n

：折射率永遠(yuǎn)大于15/7/202313當(dāng)光從材料1,通過(guò)界面?zhèn)魅氩牧?,與界面法向形成入射角和折射角,與間關(guān)系與兩種材料的折射率有關(guān)。

n21為材料2相對(duì)于材料1的折射率

ν1、ν2為光在材料1和材料2中的傳播速度

5/7/202314

3、色散

折射率還與入射光的頻率有關(guān)，隨頻率的減?。ɑ虿ㄩL(zhǎng)的增加）而減小，這種性質(zhì)稱為折射率的色散。利用這種性質(zhì)可以將各種頻率的光混合組成的白光通過(guò)三棱鏡分解為單色光。5/7/202315由于外加電場(chǎng)、磁場(chǎng)、應(yīng)力的作用，而使折射率變化的現(xiàn)象，稱為電光效應(yīng)、磁光效應(yīng)和光彈性。5/7/2023164、全反射當(dāng)光從折射率n1大的物質(zhì)中入射進(jìn)入折射率n2小的物質(zhì)中：由于折射角大于入射角，當(dāng)入射角達(dá)到某個(gè)值時(shí)（<90°），折射角就已經(jīng)達(dá)到90°，這時(shí)就沒有折射光，光全部都反射回水里了。這就是全反射現(xiàn)象。這時(shí)的入射角稱為臨界角。5/7/2023175、熒光性物質(zhì)在吸收電能或光能后，通過(guò)電子躍遷，再釋放出光的現(xiàn)象。許多稀土化合物本身就是熒光體。一般材料需要激活劑引發(fā)熒光性，如銀激活ZnS熒光體可寫為ZnS：Ag。5/7/2023187.3光學(xué)性能的本質(zhì)

固體材料光學(xué)性能的本質(zhì)涉及電磁波與材料中原子、離子或電子的相互作用，其中最重要的二點(diǎn)是電子極化和電子的能量轉(zhuǎn)換。5/7/202319介電材料的電學(xué)性質(zhì)是由于極化引起的。四種類型：1、電子極化-可見光頻率范圍內(nèi)2、離子極化-對(duì)紅外光頻率范圍3、偶極子極化-無(wú)線電頻率范圍4、空間電荷極化-低電工頻率下復(fù)習(xí)：極化機(jī)制5/7/202320電子極化：在電場(chǎng)作用下，電子相對(duì)于原子核發(fā)生偏移．使原子的正負(fù)電荷中心不相重合，形成偶極子響應(yīng)速度很高，對(duì)可見光的額率也能夠響應(yīng)；對(duì)材料介電常數(shù)的貢獻(xiàn)不大。材料的相對(duì)光頻介電常數(shù)等于材料折射率的平方：

ε＝n2

在頻率比紫外高時(shí)，電子極化不再存在，介電常數(shù)便降到真空的數(shù)值

5/7/2023211、光速、折射率與介電常數(shù)及導(dǎo)磁率由于電子極化影響介電常數(shù)，而光在介質(zhì)中傳播的速度與介電常數(shù)ε

有關(guān)所以電子極化對(duì)光學(xué)性能有很大影響,式中μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率。根據(jù)折射率的定義：材料對(duì)光速影響的實(shí)質(zhì)：電子極化及磁矩影響光的速度5/7/202322介電常數(shù)：電介質(zhì)引起電容值增加的比例，稱為相對(duì)介電常數(shù)ε，也叫電容率。磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率是物質(zhì)中磁感應(yīng)強(qiáng)度B與外磁場(chǎng)強(qiáng)度H之比：

μ=B/H5/7/202323反射率與折射率：光子能量：v為光的頻率，

λ為光的波長(zhǎng)h為普朗克常數(shù)，

。

5/7/2023242、光吸收的本質(zhì)1、金屬金屬吸收可見光的全部光子；

躍遷到導(dǎo)帶的高能電子中高能級(jí)時(shí)，回落到穩(wěn)定態(tài)，發(fā)射出與入射光子相同波長(zhǎng)的光子束，這就是反射光。5/7/2023252、非金屬光吸收機(jī)制有二種：一種是電子躍遷跨越禁帶這叫做非金屬的本征吸收5/7/202326第二種是電子躍遷到禁帶中的雜質(zhì)能級(jí)雜質(zhì)能級(jí)都在禁帶（如何理解？）

這叫做非金屬的雜質(zhì)吸收5/7/202327（1）像玻璃、高純度的結(jié)晶陶瓷和非晶高分子材料都屬于本征吸收：

Eg>hv禁帶寬度大于可見光的光子能量，不能吸收，是透明的；（2）透明的Al2O3很寬的禁帶中引入了雜質(zhì)能級(jí)，Cr3+

替代Al3+后，雜質(zhì)吸收：紅光透過(guò)，蘭光和黃光被吸收呈亮紅色–紅寶石5/7/202328這種對(duì)某種波長(zhǎng)的光吸收率很高，而對(duì)另外一些波長(zhǎng)的光吸收率很低的現(xiàn)象稱為選擇吸收。透明材料的選擇吸收使其呈現(xiàn)不同的顏色。如果材料在可見光范圍對(duì)各種波長(zhǎng)的吸收程度相同，則稱為均勻吸收。隨著吸收程度的增加，顏色從灰色變到黑色。5/7/202329為什么不是所有絕緣體都透明？絕緣體的透光性與材料內(nèi)部產(chǎn)生的散射有關(guān)所謂散射，指的是光在傳播中遇到不均勻結(jié)構(gòu)時(shí)偏離原來(lái)的方向，主要是由反射、折射引起的。5/7/202330影響透光性的因素

材料的宏觀及顯微缺陷

材料中的夾雜物、摻雜、晶界等對(duì)光的折射性能與主晶相不同，二相間的折射率相差越大，散射越嚴(yán)重，透光性越不好；

晶粒取向的影響

沿不同的晶向，光學(xué)性質(zhì)不同；在不同晶粒中產(chǎn)生的折射是不一樣的，在晶界處還有內(nèi)反射，這些都影響材料的透光性。5/7/202331

氣孔引起的散射損失存在于晶粒之內(nèi)的以及在晶界玻璃相內(nèi)的氣孔、孔洞，從光學(xué)上講構(gòu)成了第二相。折射率不同，引起散射，透明性下降。5/7/2023321、發(fā)光材料當(dāng)外界任一形式的能量將電子由價(jià)帶激發(fā)至導(dǎo)帶后,該電子又返回到價(jià)帶時(shí)發(fā)出可見光的材料。(1)熒光材料：激發(fā)和發(fā)射兩個(gè)過(guò)程之間的間隙極短，約為<10-8秒。只要光源一離開，熒光就會(huì)消失(2)磷光材料：在激發(fā)源離開后，發(fā)光還會(huì)持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間7.4光學(xué)材料5/7/202333熒光材料：激發(fā)源除去后熒光就會(huì)消失磷光材料：發(fā)磷光的材料含有雜質(zhì)，并在禁帶中建立施主能級(jí)。當(dāng)激發(fā)的電子從導(dǎo)帶跳回價(jià)帶時(shí)，首先跳到施主能級(jí)上并被捕獲。當(dāng)電子再?gòu)牟东@陷阱溢出返回價(jià)帶時(shí)，才會(huì)發(fā)光，因而延遲了發(fā)光的時(shí)間。5/7/202334日光燈主要由燈管、鎮(zhèn)流器和啟動(dòng)器組成。燈管的兩端各有一個(gè)燈絲，管中充有稀簿的氬和微量水銀蒸氣，管壁上涂著熒光粉。燈管的工作原理：兩個(gè)燈絲之間的氣體在通電時(shí)主要發(fā)出紫外線，熒光粉受到紫外線的照射才發(fā)出可見光。熒光粉的種類不同，發(fā)光的顏色也不一樣。5/7/202335磷光材料的組成：基體和激活劑?；w：金屬硫化物，如CaS、BaS、ZnS、CdS等;激活劑：金屬Ag，Cu，Al，Eu等5/7/2023365/7/2023372、光導(dǎo)纖維利用光的全反向原理制成的。由纖芯和包層組成：纖芯是透明度極高的非晶態(tài)石英玻璃，并摻雜有Ge、P、B的氧化物等，以改變折射率包層為折射率比纖芯小得多的高硅玻璃。5/7/202338一般把具有特定波長(zhǎng)與傳輸方向的一種光，稱為一種模式。單模光纖就是傳輸一種光的光纖；多模光纖可以傳播多種波長(zhǎng)的光。

5/7/202339根據(jù)纖芯折射率的不同又分為階躍型與梯度型。階躍型光纖，由于界面處折射率有突變，光束在纖維中行進(jìn)有較多劇烈轉(zhuǎn)折，使信號(hào)減弱也會(huì)產(chǎn)生失真；梯度型光纖，使界面折射率變化變得平緩，這樣光束行進(jìn)時(shí)也是逐漸地改變方向。5/7/202340光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)光纖帶結(jié)構(gòu)5/7/2023413、光存儲(chǔ)材料光存儲(chǔ)材料主要是感光材料，利用不同的激光在盤片上燒蝕記錄信息的，所以叫光存貯材料。光存儲(chǔ)的原理：材料吸收光能后產(chǎn)生熱燒蝕，形成小穴或氣泡，這樣就將信息寫入光盤了。由激光讀取時(shí)是利用小穴或氣泡與周圍的反射條件不同而達(dá)到檢出信號(hào)的目的。5/7/202342熱相變薄膜材料：金屬薄膜、金屬低價(jià)氧化物薄膜、非晶態(tài)金屬薄膜、有機(jī)染料薄膜、金屬加塑料材料等。5/7/2023434、激光材料1960年第一臺(tái)紅寶石激光器的誕生。激光的三個(gè)突出特點(diǎn):①方向性好,亮度高;②單色性好;③相干性好。幾個(gè)基本概念：自發(fā)輻射：若無(wú)外界光子的作用，電子也可能從高能級(jí)回落至低能級(jí)并發(fā)射光子5/7/2023445/7/202345受激輻射：在光子作用下，還有可能使原處于高能級(jí)（E1）的電子回落到低能級(jí)（E2），放出光子。只有能量為hv=E2-E1的光子才能引起受激輻射，激發(fā)出的光子頻率、位相、偏振等都與入射光子相同。如果這個(gè)過(guò)程能不斷地進(jìn)行，則激光就產(chǎn)生了。但一般是光子被吸收的幾率大于受激輻射的幾率。5/7/202346實(shí)現(xiàn)受激輻射幾率大于吸收幾率的辦法：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)：高能級(jí)上的電子數(shù)多于低能級(jí)的電子數(shù)，這是產(chǎn)生激光的必要條件。實(shí)現(xiàn)的條件：(1)外界提供能量，將低能級(jí)的電子激發(fā)到高能級(jí)上;(2)材料的高能級(jí)有相對(duì)的穩(wěn)定性，即存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。激光工作物質(zhì)：存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的物質(zhì)。5/7/202347例：紅寶石-Al2O3:Cr3+構(gòu)成；為激活離子，提供亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E2的。開始各能級(jí)上的粒子數(shù)：n1>n2>n3;光照：E1上的電子躍到E3；然后很快回落到E2；可停留3×10-3s