材料的光學性質

材料的光學性質1第一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日材料的光學性質——基礎篇光的本質光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的傳播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射電磁波譜光譜光的波動說光的波動說第二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日第三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光的波粒二象性材料的光學性質——基礎篇第四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光的電磁性光是一種電磁波，它是電磁場周期性振動的傳播所形成的。光波是一種橫波，電場強度E、磁場強度H的振動方向和光波的傳播方向（即光的能量流動方向）構成右手螺旋關系。光波的偏振性。E、H分別在各自的平面內振動。振動方向對傳播方向不具有對稱性，旋光現(xiàn)象。光波的能流密度。光波的傳播伴隨著光能量的流動，光強與其振幅成正比。第五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日電磁波譜圖第六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日

遠紫外近紫外可見近紅外中紅外

遠紅外（真空紫外）380nm

~780nm200nm

~380nm10nm~200nm780nm~2.5m2.5m

~50m50m

~300m1.5eV3eV2.5eV2eV800nm300nm3.5eV4eV第七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日紫外-可見-紅外光譜分區(qū)表第八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光與固體相互作用的本質有兩種方式：（1）電子極化（2）電子能態(tài)轉變電磁輻射的電場分量，在可見光頻率范圍內，電場分量與傳播過程中的每個原子都發(fā)生作用，引起電子極化，造成電子云和原子核電荷重心發(fā)生相對位移。所以，當光線通過介質時，一部分能量被吸收，同時光波速度被減小，導致折射產生。光子被吸收和發(fā)射，涉及到固體材料中電子能態(tài)的轉變。材料的原子吸收了光子能量之后將較低能級上的電子激發(fā)到較高能量上去，電子發(fā)生的能級變化與電磁波頻率有關：△E=hv受激電子不可能無限長時間地保持在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后又衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射。光與固體的相互作用第九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日媒質中波動傳到的各點，都可以看作是發(fā)射子波的波源，而在其后的任意時刻，這些子波的包絡面就是新的波面。也就是說，光波波前（最前沿的波面）上的每一點都可看作球面次波源，每一次波源發(fā)射的球面波以光波的速度v傳播，經(jīng)過時間?t之后形成球面半徑為v?t的球面次波。如此產生的無數(shù)個次波的包絡就是?t時間后的新波前。垂直于波前（或等相面）的直線代表光波的傳播方向，也就是光線。該原理適用于機械波和電磁波惠更斯-菲涅耳原理：說明光的傳播定律球面波平面波第十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日材料對光的反射和折射材料折射率及其影響因素1、構成材料元素的離子半徑介電常數(shù)與介質的極化有關。光的電磁波作用到介質上，介質的原子受電場作用而極化，正負電荷重心發(fā)生相對位移，使光子速度減弱。當離子半徑增大時，ε增大，因而n隨之增大。如PbS=3.912，SiCl4=1.412第十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日2、材料的結構、晶型和非晶態(tài)根據(jù)光通過材料的表現(xiàn)，介質分為均質介質和非均質介質。均質介質，材料只有一個折射率，如非晶態(tài)（無定型體）和立方晶體。非均質介質，光通過時構成兩條折射光線。3、材料存在的內應力有內應力的透明材料，垂直于受拉主應力方向的n大，平行于受拉主應力方向的n小。4、同質異構體在同質異構材料中，高溫時的晶型折射率低，低溫時存在的晶型折射率高。第十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日材料的折射率隨入射光頻率的減?。ɑ虿ㄩL的增加）而減小的性質，稱為折射率的色散。色散對于光學玻璃是重要參量，因為色散嚴重造成單色片透鏡成像不夠清晰。用不同牌號的光學玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡復合鏡頭，以消除色差，稱為消色差鏡頭。光的色散第十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日當光束從折射率n1較大的光密介質進入折射率n2較小的光疏介質，且入射角大于臨界角時，光線被100％反射的現(xiàn)象。這時不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質中。臨界角全反射應用：光導纖維光導纖維通常用來傳送無線電、電話、電視和電子計算機數(shù)據(jù)。光的全反射折射光第十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光纖結構示意圖纖芯包層涂敷層護套纖芯：575μm摻雜了的SiO2，

n一定或隨半徑增加而減小。包層:

總直徑為100200μm,折射率稍小于纖芯的摻雜了的SiO2。涂敷層：硅銅或丙烯酸鹽，隔離雜光。護套：尼龍或有機材料，增加強度，保護光纖。第十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光作為一種能量流，在光通過材料傳播時，會引起材料的電子躍遷或使原子振動而消耗能量，使光能的一部分變成熱能，導致光能的衰減，這種現(xiàn)象稱為介質對光的吸收。。材料對光的吸收吸收系數(shù)（消光系數(shù)），單位cm-1介質厚度吸收系數(shù)與吸收率：朗伯-比爾（Lambert-Beer）定律c

溶液的摩爾濃度（mol/L）第十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光吸收的物理機制光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程。當光的頻率與電子極化時間的倒數(shù)處在同一個數(shù)量級時，由此引起的吸收才變得比較重要；電子受激吸收光子而越過禁帶；電子受激進入位于禁帶中的雜質或缺陷能級上而吸收光；只有當入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相等時，光量子才可能被吸收。同時，材料中的電子從較低能態(tài)躍遷到高能態(tài)。

禁帶較寬的介電固體材料也可以吸收光波，但吸收機理不是激發(fā)電子從價帶躍遷到導帶，而是因其雜質在禁帶中引進了附加能級，使電子能夠吸收光子后實現(xiàn)從價帶到受主能級或從施主能級到導帶的躍遷。第十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日a)金屬：吸收，不透明；b)絕緣體：不吸收，透明；c)半導體：取決于入射光波長與施主和受主能級Ed,Ea大小。各種類型材料的光吸收行為第十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日除了真空，沒有一種物質對所有波長的電磁波都是絕對透明的。任何一種物質，它對特定波長范圍內的光是透明的，而對另一些波長范圍內的光卻是不透明的。例如，在光學材料中，石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變，這種現(xiàn)象為一般吸收；但是對于波長范圍為3.5-5.0μm的紅外光卻是不透明的，且吸收系數(shù)隨波長劇烈變化，這種現(xiàn)象為選擇吸收。換言之，石英對可見光和紫外線的吸收甚微，而對上述紅外光有強烈的吸收。一般吸收和選擇吸收第十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日吸收光譜用具有連續(xù)譜的光（例如白光）通過具有選擇吸收的物質，然后利用攝譜儀或分光光度計，可以觀測到在連續(xù)光譜的背景上呈現(xiàn)有一條條暗線或暗帶，這表明某些波長或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光譜（absorptionspectrum）大致說來，原子氣體的光譜是線狀譜，而分子氣體、液體和固體的光譜是帶狀譜，吸收光譜的情況也是如此。物質的發(fā)射譜（emissionspectrum）有：線狀譜（linespectrum），帶狀譜（bandspectrum）和連續(xù)譜等。值得注意的是，同一物質的發(fā)射光譜和吸收光譜之間有嚴格的對應關系，即物質自身發(fā)射哪些波長的光，它就強烈吸收這些波長的光。第二十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日吸收光譜圖Na吸收光譜葉綠素分子吸收光譜第二十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日當光束通過各向異性介質時，光在晶體內分成兩束，它們的折射程度不同，沿著不同的方向傳播，這種現(xiàn)象稱為雙折射。如果讓一束平行的自然光正入射到一塊方解石晶體的一個表面上，將發(fā)現(xiàn)該束光在通過方解石后被分解成了兩束。尋常光（o光）：晶體內符合普通折射定律的折射光線；非常光（e光）：晶體內違背普通折射定律的折射光線。利用檢偏器可以看出，從雙折射晶體射出的這兩束光都是線偏振光，不過它們的電矢量振動方向不同，其振動方向相互垂直。晶體的雙折射和二向色性第二十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日晶體結構的各向異性不僅能產生折射率的各向異性（雙折射），而且能產生吸收率的各向異性，這種選擇吸收的性能稱作二向色性。天然的電氣石晶體呈六角型的片狀，長對角線的方向為其光軸。當光線照射在這種晶體表面時，振動的電矢量與光軸平行時被吸收得較少，光可以較多地通過；電矢量與光軸垂直時被吸收得較多，光通過得很少。第二十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日當光束通過均勻的透明介質時，從側面是難以看到光的。但當光束通過不均勻的透明介質時，則從各個方向都可以看到光，這是介質中的不均勻性使光線朝四面八方散射的結果，這種現(xiàn)象稱為光的散射。光的散射過程中，光與分子的作用幾乎是瞬時的，改變了其光強的空間分布、偏振狀態(tài)或頻率的過程。例如，當一束太陽光從窗外射進室外內時，我們從側面可以看到光線的徑跡，就是因為太陽光被空氣中的灰塵散射的緣故。介質的光散射第二十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)散射前后光子能量（或光波波長）變化與否，分為彈性散射與非彈性散射彈性散射：散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射。非彈性散射：當光通過介質時，從側向接受到的散射光主要是波長（或頻率）不發(fā)生變化的瑞利散射光，屬于彈性散射。當使用高靈敏度和高分辨率的光譜儀，可以發(fā)現(xiàn)散射光中還有其它光譜成分，它們在頻率坐標上對稱地分布在彈性散射光的低頻和高頻側，強度一般比彈性散射微弱地多。這些頻率發(fā)生改變的光散射是入射光子與介質發(fā)生非彈性碰撞的結果，稱為非彈性散射。光散射分類第二十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日彈性散射分類廷德爾（Tyndall）散射米氏（Mie）散射瑞利（Rayleidl）散射按照散射中心尺度a0與入射光波長λ的大小，分為三類：瑞利散射按照瑞利散射定律，我們不難理解晴天時晨陽與午陽的顏色不同。入射波長越長，散射光強越小，即長波散射要小于短波散射。因為大氣及塵埃對光譜上藍紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽光透過大氣層越厚，其中藍紫色光成分損失越多，太陽顯得越紅。Global早晨中午太陽光第二十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日材料的光發(fā)射1、概述材料的光發(fā)射：是材料以某種方式吸收能量后，將其轉化為光能即發(fā)射光子的過程。這種性質與材料的能量結構密切相關。

自然界中很多物質都可發(fā)光，但近代顯示技術所用的發(fā)光材料主要是無機化合物，在固體材料中主要是采用禁帶寬度較大的絕緣體，其次是半導體，它們通常以多晶粉末、薄膜或單晶的形式被應用。從應用的角度，主要關注材料的光學性能包括：發(fā)光顏色、發(fā)光強度及延續(xù)時間等。第二十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日1.平衡輻射只與輻射體的溫度和發(fā)射本領有關，如白熾燈的發(fā)光。2.非平衡輻射在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡，繼而發(fā)出的輻射。物體發(fā)光可分為平衡輻射和非平衡輻射兩大類固體發(fā)光的微觀過程可以分為兩步：對材料進行激勵，即以各種方式輸入能量，將固體中的電子的能量提高到一個非平衡態(tài)，稱為“激發(fā)態(tài)”；處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)地向低能態(tài)躍遷，同時發(fā)射光子。多數(shù)情況下發(fā)射光子和激發(fā)光子的能量不相等，通常前者小于后者。若發(fā)射光子與激發(fā)光子的能量相等，發(fā)出的輻射就稱為“共振熒光”。向下躍遷未必都發(fā)光，也可能存在激發(fā)的能量轉變?yōu)闊崮艿臒o輻射躍遷過程。第二十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日材料發(fā)光前可以有多種方式向其注入能量（1）熱輻射（2）電致發(fā)光

（3）光致發(fā)光

（4）化學發(fā)光

自發(fā)輻射（6）同步輻射光源

（7）激光光源

受激輻射激發(fā)態(tài)原子或分子的自發(fā)輻射

=(E2-E1)/hE1E2激發(fā)態(tài)原子或分子的受激輻射

材料的光發(fā)射2、激勵方式

（5）陰極射線發(fā)光

第二十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日材料的光發(fā)射陰極射線發(fā)光光致發(fā)光電致發(fā)光通過光（光頻波段、X射線或γ射線波段）的輻照將材料中的電子激發(fā)到高能態(tài)從而發(fā)光。光致發(fā)光經(jīng)過吸收、能量傳遞及光發(fā)射三個階段。光的吸收及發(fā)射都發(fā)生于能級之間的躍遷，能量傳遞則是激發(fā)態(tài)的運動。如熒光燈，就是紫外線激發(fā)熒光粉而發(fā)光。利用高能量的電子轟擊材料，通過電子在材料內部的多次散射碰撞，使材料中發(fā)光中心被激發(fā)或電離而發(fā)光。如彩電的顏色就是采用電子束掃描、激發(fā)不同成分的熒光粉，使它們發(fā)射紅、綠、藍三種基色光波。對絕緣發(fā)光體施加強電場導致發(fā)光，或從外電路將電子（空穴）注入到半導體的導帶（價帶），導致載流子復合而發(fā)光。由于是在電場作用下的發(fā)光，所以也叫場致發(fā)光。如儀器指示燈的發(fā)光二極管。第三十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日材料的光發(fā)射3、材料發(fā)光的基本性質材料的發(fā)光特性主要從發(fā)射光譜、激發(fā)光譜、發(fā)光壽命和發(fā)光效率進行評價。發(fā)射光譜在一定的激發(fā)條件下發(fā)射光強按波長的分布。其形狀與材料的能量結構有關藍光綠光發(fā)射光譜反映材料從高能級始發(fā)的向下躍遷過程。由此得到發(fā)光的顏色和強度等信息。第三十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日激發(fā)光譜材料發(fā)射某一種特定譜線（或譜帶）的發(fā)光強度隨激發(fā)光波長而變化的曲線。激發(fā)光譜反映材料從基態(tài)始發(fā)的向上躍遷過程。由此給出有關材料能級和能帶結構信息，也可找出使材料發(fā)光的最有效的光激勵波長。能夠引起材料發(fā)光的激發(fā)波長也一定是材料可以吸收的波長，但激發(fā)光譜≠吸收光譜（因為有的材料吸收光后不一定會發(fā)射光，它可把吸收的光能轉化為熱能而耗散掉，對發(fā)光沒有貢獻的吸收是不會在激發(fā)光譜上反映的）。第三十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日發(fā)光壽命發(fā)光體在激發(fā)停止后持續(xù)發(fā)光時間的長短稱為發(fā)光壽命（熒光壽命或余輝時間）。發(fā)光壽命定義為光強I衰減到初始值I0的1/e所經(jīng)歷的時間。余輝時間約定為為光強I衰減到初始值I0的1/10的時間。α表示電子在單位時間內躍遷到基態(tài)的概率。根據(jù)余輝時間的長短把發(fā)光材料分為：超短余輝（<1μs）、短余輝（1~10μs）、中短余輝（10-2~10μs）、中余輝（1~100ms）、長余輝（0.1~1s）、超長余輝（>1s）六個范圍。不同應用目的對材料的發(fā)光壽命有不同的要求。第三十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日發(fā)光效率－三種表示方法ηq

、ηp、ηl分別為量子效率、功率效率和光度效率；nout、nin、pout、pin、L分別為發(fā)射光子數(shù)、入射光子數(shù)、發(fā)光功率、吸收光的功率（或輸入的電功率）和發(fā)射的光通量。Φ(λ)為人眼的視見函數(shù)，I(λ)為發(fā)光功率的光譜分布函數(shù)，D為光功當量。第三十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日2.復合發(fā)光

源于固體本征態(tài)的輻射躍遷固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內）如II-VI、III-V族半導體發(fā)光1.分立中心發(fā)光

固體中局域中心內部電子態(tài)間的輻射躍遷位形坐標描述如稀土離子發(fā)光（寬禁帶絕緣體材料）發(fā)光分類固體材料的發(fā)光有兩種微觀物理過程：分立中心發(fā)光和復合發(fā)光材料的光發(fā)射4、發(fā)光的物理機制第三十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日

其發(fā)光中心通常是摻雜在透明基質材料中的離子，或基質材料自身結構的某一個基團。

選擇不同的發(fā)光中心和不同的基質組合，可以改變發(fā)光體的發(fā)光波長，調節(jié)其光色。

發(fā)光中心分布在晶體點陣中，受晶體點陣作用，其能量狀態(tài)發(fā)生變化，進而影響材料的發(fā)光性能。分立中心發(fā)光—RE3+發(fā)光，雜質、缺陷發(fā)光第三十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日根據(jù)發(fā)光中心與晶體點陣之間相互作用的強弱可分為兩種情況：發(fā)光中心基本上是孤立的，它的發(fā)光光譜與自由離子相似；發(fā)光中心受基質點陣電場（或晶體場）影響較大，其發(fā)光特性與自由離子不同，必須把中心和基質作為一個整體來分析。稀土離子發(fā)光：“4f4f”電子組態(tài)間的躍遷如Tb3+,Eu3+,Gd3+,Pr3+…線譜，禁戒部分解除“4f5d”電子組態(tài)間的躍遷

如Ce3+帶譜，允許躍遷

特點：及其豐富的能級，具有光譜的可調性。在＋3價鑭系離子的4fn組態(tài)中共有1639個能級，能級之間可能的躍遷數(shù)目高達199177個。第三十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日第三十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日復合發(fā)光1.

固體“導帶電子-價帶空穴”間的復合2.“導帶電子-受主A（空穴）”或“價帶空穴-施主D（電子）”或“D-A”復合3.激子（“e-h”）或束縛激子的復合復合發(fā)光時電子躍遷涉及固體的能帶。電子被激發(fā)到導帶時價帶上留下一個空穴，因此當導帶的電子回到價帶與空穴復合時，便以光的形式放出能量，這種發(fā)光過程叫復合發(fā)光。復合發(fā)光效率：帶間躍遷直接—高（僅有光子參與的電子躍遷）間接—低（有光子和聲子同時參與的電子躍遷）第三十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日發(fā)光二極管原理半導體發(fā)光二極管（LED）是在半導體P-N結或類似的結構中通以正向電流，以高效率發(fā)出可見光或紅外輻射的器件。N型：自由電子導電P型：空穴導電載流子的擴散材料的交界處現(xiàn)成空間電荷N區(qū)一側帶正電，P區(qū)一側帶負電，形成PN結PN結內的電場方向阻止電子和空穴的進一步擴散PN結上施加正向電壓，勢壘減弱，大量電子和空穴流動相遇而產生復合發(fā)光。第四十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日LED護欄管LED路牌LED第四十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日熒光與磷光一些陶瓷和半導體材料受激發(fā)光，當外界激發(fā)源去除，發(fā)光現(xiàn)象隨即很快消失(<10-8s)，稱為熒光。以輻射躍遷形式回到基態(tài)，S1S0。另一類含有雜質和缺陷的材料，這些雜質在能隙中引入了施主能級，被激發(fā)到導帶中的電子在返回價帶之前，先落入施主能級并被俘獲停留一段較長時間，電子在逃脫這個陷阱之后再返回價帶中的低能級，這時相應地放出光子。這種發(fā)光能持續(xù)一段較長的時間(10-3s～10s)

，便稱為磷光。體系間竄躍S1T1，后T1S0禁阻躍遷發(fā)出磷光。材料的光發(fā)射4、材料的發(fā)光性能第四十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日熒光發(fā)光是被激發(fā)的電子跳回價帶時，同時發(fā)射光子。發(fā)磷光的材料往往含有雜質并在能隙附近建立了施主能級，當激發(fā)的電子從導帶跳回價帶時，首先跳到施主能級并被捕獲。在它跳回價帶時電子必須先從捕獲陷阱內逸出，延遲了光子發(fā)射時間。第四十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日發(fā)光材料最常用的有以下各類化合物：硫系（硫化物、硒化物、碲化物）；含氧酸鹽（磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、釩酸鹽、鎢酸鹽）；氧化物、硫氧化物、鹵氧化物等。發(fā)光材料的兩類基本原料為基質和激活劑?；瘜W表示式中一般都寫出基質和激活劑，如Zn2SiO4:Mn。發(fā)光材料中常常還含有敏化劑，共激活劑。第四十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日第四十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光致發(fā)光實例主要用于各類不同用途的光源，如照明、復印機光源、光化學電源等excitedbysunlight

CdSe

第四十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日Y2O3:Tb陰極射線發(fā)光實例主要用于電視機、示波器、雷達和計算機等各類熒光屏和顯示器等發(fā)光前Y2O3:Eu第四十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日SEMimageofY2O3:EunanoparticlesPhotoluminescenceofY2O3:EunanoparticlesunderexcitationofUVlightJ.

ColloidandInterfaceScience273(2004),p.191.第四十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日電致發(fā)光實例為實現(xiàn)彩色電致發(fā)光平板顯示，大力開發(fā)摻雜稀土的電致發(fā)光薄膜材料－等離子顯示板（PlasmaDisplayPanel，PDP）43"第四十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日第五十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日有機電致發(fā)光顯示（organic

electroluminesence

Display）技術被譽為具有夢幻般顯示特征的平面顯示技術，因其發(fā)光機理與發(fā)光二極管（LED）相似，所以又稱之為OLED（organic

light

emitting

diode）。2000年以來，OLED受到了業(yè)界的極大關注，開始步入產業(yè)化階段。

按照載流子傳輸層和發(fā)光層有機薄膜材料的不同，OLED分為兩種技術類型：一是以有機染料和顏料等為發(fā)光材料的小分子基OLED，典型的小分子發(fā)光材料為Alq3（8-羥基喹啉鋁）；另一種是以共軛高分子為發(fā)光材料的高分子基OLED，簡稱為PLED，典型的高分子發(fā)光材料為PPV（聚對苯乙炔）。第五十一頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日

1990年多孔硅的室溫強可見光發(fā)射被發(fā)現(xiàn)，使人們看到了硅被應用于光子學光源的可能性~2ev第五十二頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日Adv.Mater.

2003,15,323激發(fā)、發(fā)射光譜實例375nm534.5nm441.5nm438nm第五十三頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日材料的受激輻射與激光激光又名鐳射（Laser）是受激輻射光放大的簡稱，（LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation）。是一種單色性好,亮度高、相干性強、方向性好的相干光束。激光技術是20世紀60年代后發(fā)展起來的一門技術，它帶動了傅立葉光學、全息術、光學信息處理、光纖通信、非線性光學和激光光譜學等學科的發(fā)展，形成了現(xiàn)代光學。大大推動了信息、醫(yī)學、工業(yè)、能源和國防領域的現(xiàn)代化進程。激光之所以具有傳統(tǒng)光源無與倫比的優(yōu)越性，其根本關鍵在于它利用了材料的受激輻射。

波長：極紫外──可見光──亞毫米

(100nm）（1.222mm）第五十四頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日受激輻射：光子射入物質誘發(fā)電子從高能階躍遷到低能階，并釋放光子。入射光子與釋放的光子有相同的波長和相，此波長對應于兩個能階的能量差。一個光子誘發(fā)一個原子發(fā)射一個光子，最后就變成兩個相同的光子。單位體積單位時間內發(fā)生受激輻射的光子數(shù)：N2：高能級原子數(shù)B21：受激輻射系數(shù)B21ρ(ν,T)：受激輻射幾率材料的受激輻射與激光1、受激輻射自發(fā)吸收自發(fā)輻射受激輻射第五十五頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日單位體積單位時間內發(fā)生自發(fā)輻射的光子數(shù)：單位體積單位時間內發(fā)生受激吸收的光子數(shù)：N2：高能級原子數(shù)A21：自發(fā)輻射系數(shù)(g2,g1分別為高、低能級的簡并度)N1：低能級原子數(shù)B12：受激吸收系數(shù)B12ρ(ν,T)：受激吸收幾率第五十六頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日熱平衡時，不同能級的原子數(shù)服從玻爾茲曼分布受激輻射與吸收同時存在，要產生激光必須N2>N1<1熱平衡不會產生激光！N2>>N1

屬非平衡態(tài)原子布局，亦稱粒子數(shù)反轉材料的受激輻射與激光2、粒子數(shù)反轉與激活介質一個誘發(fā)光子不僅能引起受激輻射，而且它也能引起受激吸收，所以只有當處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的還多時，受激輻射躍遷才能超過受激吸收而占優(yōu)勢。由此可見，為使光源發(fā)射激光，而不是發(fā)出普通光的關鍵是突破玻耳茲曼分布，使高能級的粒子數(shù)大于低能級的粒子數(shù)，這個條件稱為粒子數(shù)反轉。如何從技術上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉則是產生激光的必要條件。第五十七頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日在熱平衡條件下，原子幾乎都處于最低能級（基態(tài)），光波通過物質體系時總是或多或少地被吸收，因而越來越弱。實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的體系，由于受激輻射放出的光子數(shù)多于被吸收的光子數(shù)。輻射場將越來越強。換言之，實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的介質具有對光的放大作用，稱為激活介質。材料的受激輻射與激光2、粒子數(shù)反轉與激活介質原子能量壽命壽命基態(tài)受激態(tài)亞穩(wěn)態(tài)材料的受激輻射與激光2、粒子數(shù)反轉與激活介質激活介質必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級。第五十八頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日激活物質能級結構E1（基）E2（亞）10-3sE310-8sE1（基）E3（亞）10-3sE410-8sE210-8s激勵激勵自發(fā)自發(fā)自發(fā)紅寶石激光器（三能級系統(tǒng)）氦氖激光器（四能級系統(tǒng)）694.3nm543nm第五十九頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日光學諧振腔是指光波在其中來回反射從而提供光能反饋的空腔。通常由兩塊與工作介質垂直的平面或凹球面反射鏡構成。諧振腔的作用是提供反饋能量；選擇光波的方向和頻率。諧振腔內可能存在的頻率和方向稱為本征模。反射鏡的曲率半徑和間距（腔長）決定了諧振腔對本征模的限制情況。材料的受激輻射與激光3、光學諧振腔閃光燈輸出激光紅寶石介質反射鏡(反射率100％)反射鏡(部分透射)第六十頁，共六十九頁，編輯于2023年，星期日固體激光器氣體激光器液體激光器半導體激光器連續(xù)激光器（功率可達104W）脈沖激光器（瞬時功率可達1017W/cm2）激光輸出方式工作介質不同通常在晶體或玻璃基質中摻雜發(fā)光中心離子作為工作物質。