1、第四章材料科學與工程系材料的光學1內容光的基本性質介質對光的反射與折射介質對光的吸收介質對光的散射與色散材料的光發射激光與激光材料21 光是電磁波2 光的折射與反射3 光的吸收與散射4 光的偏振應用電磁場理論說明光的基本現象和規律光波與物質在界面處的相互作用光波在介質中與物質原子的相互作用光矢量和光的各種偏振態 幾何光學 (geometrical optics) 波動光學 (wave optics) 量子光學 (quantum optics)3回顧與總結光的現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?41. 光的基本性質

2、 引言 ：（1）微粒學說 ( corpuscular theory )（2）波動學說 ( undulatory theory )（3）光 具有波粒二象性的物質 粒子性：光子(Photon ) ：E = h= h c / 5一 電磁波是矢量波電磁波 交變電磁狀態的傳播設一平面電磁波由麥克斯韋理論可得：真空中的電磁波1. 光的基本性質1.1 電磁輻射 6同理：當電場振動沿軸正向傳播時，有反映該振動的平面簡諧波用麥氏電磁場方程組可推出1. 光的基本性質1.1 電磁輻射 7 在真空中： 在介質中：1. 光的基本性質1.1 電磁輻射 8折射率 (refractive index)二 電磁波的性質(1)

3、電磁波是橫波 振動量與波速構成相互垂直的右手螺旋關系。(2) 電磁波的偏振性分別在各自的平面上振動。旋光現象。1. 光的基本性質1.1 電磁輻射 9(3) 電場與磁場同相變化 振幅之間滿足電、磁場分量與電磁波傳播方向互相垂直1. 光的基本性質1.1 電磁輻射 10(4) 電磁波的能量 1. 光的基本性質1.1 電磁輻射 11 電磁波的能流密度 坡印廷矢量 電磁波的強度1. 光的基本性質1.1 電磁輻射 12 電磁波具有各種頻率：無線電，微波，紅外線，可見光，紫外線，射線和射線等。 可見光 (visible light) 能夠引起人的視覺的電磁波。1. 光的基本性質1.2 電磁波譜 13可見光七

4、彩顏色的波長和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即附近。1. 光的基本性質1.2 電磁波譜 14電磁波光譜1. 光的基本性質1.2 電磁波譜 15無線電波波長比可見光長得多，不能引起人的視覺，可以引起電子的振蕩。由于波長很長，一個金屬網籠，甚至橋梁上的鋼架就可以將其阻止。微波波長范圍分布從毫米到幾十厘米，他們在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加熱。紅外線（IR）分布在微波和可見光之間，且僅能夠在它聚集熱的地方探測到。蛇和其他一些生物對紅外線很敏感；紅外線不能透過玻璃，這一特性可以解釋溫室效應：晴天時，經過溫室玻璃的可見光被植物吸收，而紅外線被再次輻射，被玻璃捕獲的紅外線引起溫室內部的溫

5、度升高，整個宇宙充滿了宇宙大爆炸時殘留的冷卻物質發出的紅外輻射。1. 光的基本性質1.2 電磁波譜 16紫外線（UV）：頻率高于可見光的，不能引起視覺，對生命有危害，來自太陽的紫外線幾乎被大氣中的臭氧完全吸收，臭氧保護著地球的生命，少量透過大氣的紫外線會曬黑皮膚或使進行日光浴的人體產生曬斑。X射線：波長比紫外線還短的電磁波，它們很易穿過大多數物質。致密的物質、固體材料比稀疏物質容易吸收更多的X射線，這就是為什么在X射線照片上顯現的是骨骼而不是骨骼周圍的組織。其波長可與原子尺寸相比擬。1. 光的基本性質1.2 電磁波譜 17射線和宇宙射線：波長最短，波長尺寸約為原子核大小量級射線產生于核反應及其

6、他特殊的激發過程宇宙射線來自地球之外的空間。1. 光的基本性質1.2 電磁波譜 18光與固體相互作用的本質有兩種方式：電子極化電子能態轉變1. 光的基本性質1.3 光與固體的相互作用 19電子極化電磁波的分量之一是迅速變化的電場分量；在可見光范圍內，電場分量與傳播過程中遇到的每一個原子都發生相互作用引起電子極化，即造成電子云與原子核的電荷中心發生相對位移；所以，當光通過介質時，一部分能量被吸收，同時光速減小，后者導致折射。1. 光的基本性質1.3 光與固體的相互作用 201. 光的基本性質1.3 光與固體的相互作用 電子能態轉變電磁波的吸收和發射包含電子從一種能態轉變到另一種能態的過程；材料的

7、原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發到較高能級上去，電子發生的能級變化E與電磁波頻率有關： E=h受激電子不可能無限長時間地保持.在激發狀態，經過一個短時期后，它又會衰變回基態，同時發射出電磁波，即自發輻射。212. 光的反射與折射2.1 反射定律與折射定律光的反射和折射反射定律三線共面；反射角等于入射角折射定律三線共面；22光速： ,真空:折射率:折射定律:三線共面； 反射率R:兩媒質界面上光的折射和反射 2. 光的反射與折射2.1 反射定律與折射定律23一、惠更斯原理：為了說明光的傳播定律，惠更斯提出了一個普遍原理媒質中波動傳到的各點，都可以看作是發射子波的波源，而在其后的任意

8、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，每一次波源發射的球面波以光波的速度v傳播，經過時間t之后形成球面半徑為vt的球面次波。如此產生的無數個次波的包絡就是t時間后的新波前。該原理適用于機械波和電磁波2. 光的反射與折射2.2 折射率與傳播速度的關系242. 光的反射與折射2.2 折射率與傳播速度的關系二、折射定律：材料的折射率反映了光在該材料中傳播速度的快慢。光密介質：在折射率大的介質中，光的傳播速度慢；光疏介質：在折射率小的介質中，光的傳播速度快。材料的折射率從本質上講，反映了材料的電磁結構（對非鐵磁介質主要是電結構）在光波作用下

9、的極化性質或介電特性。25二、折射定律：正是因為介質的極化，“拖住”了電磁波的步伐，才使得其傳播速度變得比真空中慢。鐵磁性材料非鐵磁性材料2. 光的反射與折射2.2 折射率與傳播速度的關系26光疏介質和光密介質全反射：當光從光密介質射向光疏介質，且入射角大于臨界角時，光線被100%反射的現象。此時不再有折射光線，入射光的能量全部回到第一介質中。臨界角：光纖導光原理：全反射2. 光的反射與折射2.3 光的全反射27光纖結構示意圖：纖芯：575m摻雜了的SiO2，n一定或隨半徑增加而減小。包層: 總直徑為100 200m,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：

10、尼龍或有機材料，增加強度，保護光纖。纖芯包層涂敷層護套2. 光的反射與折射2.3 光的全反射28多普勒效應：波源或觀察者相對于媒質運動而使觀察者接受到的波的頻率有所變化的現象。頻率計算：波源不動，觀察者運動，即： ，觀察者認為接受到的波數變了。觀察者不動，波源運動，即： ，觀察者認為接受到的波長變了。2. 光的反射與折射2.4 多普勒效應29波源與觀察者同時運動，即： ，四種情況：波源和觀察者不在一直線上運動 光源與觀察者的相對速度為 接近： 遠離2. 光的反射與折射2.4 多普勒效應30 介質對光的吸收在光束通過物質時，它的傳播情況將要發生變化。首先光束越深入物質，它的光強將越減弱，這是由于

11、一部分光的能量被物質所吸收，而另一部分光向各個方向散射所造成的，這就是光的吸收和散射現象。其次，光在物質中的速度將小于光在真空中的速度，并將隨頻率而改變，這就是光的色散現象，光的吸收、散射和色散這三種現象，都有是由于光與物質的相互作用引起的，實質上是由光與原子中的電子相互作用引起的。這些現象是不同物質光學性質的主要表現，對它們的討論可以為我們提供關于原子、分子和物質結構的信息。本章側重于對現象及其唯象規律的描述，并用經典電子論對這些現象作進一步的解釋。31定義由于光是一種能量流，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，從而使光能的一部分變成熱能，導致光能的衰減，這種現象稱為介質對

12、光的吸收。吸收系數 介質對光的吸收3.1 基本性質32光通過物質時，光波中的振動著的電矢量，將使物質中的帶電粒子作受迫振動，光的部分能量將用來提供這種受迫振動所需要的能量。這些帶電粒子如果與其它原子或分子發生碰撞，振動能量就會轉變為平動動能，從而使分子熱運動能量增加，物體發熱。光的部分能量被組成物質的微觀粒子吸取后轉化為熱能，從而使光的強度隨著穿進物質的深度而減小的現象，稱為光的吸收（absorption）。 介質對光的吸收3.2 吸收定律一 吸收定律 - 布格定律33如圖所示，光強為I0的單色平行光束沿x軸方向通過均勻物質，在經過一段距離x后光強已減弱到I，再通過一無限薄層dx后光強變為I

13、+dI(dI0)。實驗表明，在相當寬的光強度范圍內，-dI相當精確地正比于I和dx，即 - dI = aIdxx+dxldxxII+dI光的吸收規律式中a是與光強無關的比例系數，稱為該物質的吸收系數（absorption coefficient）。于是，上式是光強的線性微分方程，表征了光的吸收的線性規律。 介質對光的吸收3.2 吸收定律34材料對光的吸收機理：電子極化：只有當光的頻率與電子極化時間的倒數處在同一個數量級時，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；所以，只有當入射光子的能量與材料的某兩個能態之間的能量差值相等時，

14、光量子才可能被吸收。同時，材料中的電子從較低能態躍遷到高能態。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出的能量交換過程。 介質對光的吸收3.3 吸收的物理機制35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從價帶到受主能級或從施主能級到導帶的躍遷。 介質對光的吸收3.3 吸收的物理機制36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，它對某些波長范圍內的光可以是透明的，而對另一些波長范圍內的光卻可以是不透明的。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

15、段也有很好的透光性能，且吸收系數不變，這種現象為一般吸收；但是對于波長范圍為3.55.0m的紅外光卻是不透明的，且吸收系數隨波長劇烈變化，這種現象為選擇吸收。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。 介質對光的吸收3.4 一般吸收和選擇吸收37 又例如，普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線主紫外線都有強烈的吸收，是不透明的。 因此在紅外光譜儀中，棱鏡常用對紅外線透明的氯化鈉晶體和氟化鈣晶體制作；而紫外光譜儀中，棱鏡常用對紫外線透明的石英制作。 實際上，任何光學材料，在紫外和紅外端都有一定的透光極限。 任何物質都有這兩種形式的吸收只是出現的波長范圍不同而已。 6-3

16、 介質對光的吸收3.4 一般吸收和選擇吸收38用具有連續譜的光（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，可以觀測到在連續光譜的背景上呈現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（absorption spectrum）。 介質對光的吸收3.5 吸收光譜39物質的發射譜（emission spectrum）有：線狀譜（line spectrum），帶狀譜（band spectrum）和連續譜等。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。值得注意的是，同一物質的發射光譜和吸收光譜之間有嚴格的

17、對應關系，即物質自身發射哪些波長的光，它就強烈吸收這些波長的光。 介質對光的吸收3.5 吸收光譜40按照經典的電磁理論，原子可以看成是一系列彈性偶極振子的組合，其中每個振子有一定的固有頻率，于是原子就有了一系列的固有頻率。這種偶極振子一旦被外部能源激發，每個振子都會以其固有頻率作簡諧振動，并向周圍空間發出同一頻率的單色電磁波，從而在發射光譜上形成一條條的光譜線，形成了原子氣體的線狀發射光譜。當包含有各種頻率的白光照射在原子氣體上時，只有那些頻率與原子有固有頻率一致的電磁波，會引起共振而被原子氣體強烈地吸收，于是在原子氣體的吸收光譜中形成了一條條與原子核固有頻率對應的暗譜線。 介質對光的吸收3.

18、5 吸收光譜414 介質對光的散射 4.1 光散射現象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，這種現象稱為光的散射。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。424 介質對光的散射 4.2 光散射分類根據散射前后光子能量（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）不發生變

19、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，可以發現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。這些頻率發生改變的光散射是入射光子與介質發生非彈性碰撞的結果，稱為非彈性散射。43一、彈性散射分類按照散射中心尺度a0與入射光波長是大小，分為三類：1. 廷德爾散射 Tyndall Scattering (J.Tyndall，1820-1893)當a0時，0即散射中心的尺度遠大于光波波長時，散射光強與入射光波長無關如粉筆灰、白云呈白色例如在膠體、乳濁液以及含有煙、霧 或灰塵的大氣中的散射。4 介質對光的散射 4.2

20、光散射分類442. 米氏散射 Mile Scattering當a0與相近時，=04即散射中心的尺度與光波波長可以比擬時， 在04之間,具體取值與散射中心有關.米氏散射性質比較復雜。4 介質對光的散射 4.2 光散射分類453. 瑞利散射 Rayleigh scattering當a0時，=4 即當散射中心的線度遠小于入射光的波長時，散射強度與波長的4次方成反比通常我們把線度小于光的波長的微粒對入射光的散射，稱為瑞利散射（Rayleigh scattering）。瑞利散射不改變原入射光的頻率。4 介質對光的散射 4.2 光散射分類46在散射微粒的尺度比光的波長小的條件下，作用在散射微粒上的電場可視

21、為交變的均勻場，于是散射微粒在極化時只感生電偶極矩而沒有更高級的電矩。按照電磁理論，偶極振子的輻射功率正比于頻率的四次方。瑞利認為，由于熱運動破壞了散射微粒之間的位置關聯，各偶極振子輻射的子波不再是相干的，計算散射光強時應將子波的強度而不是振幅疊加起來。因此，散射光強正比于頻率的四次方,即反比于波長的四次方。實驗和理論都證明,較大的顆粒對光的散射不遵從瑞利散射定律，這時散射光強與波長的依賴關系就不十分明顯了。4 介質對光的散射 4.2 光散射分類473. 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

22、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。4 介質對光的散射 4.2 光散射分類Global早晨中午太陽光48二、非彈性散射分類1. 拉曼散射 （Raman scattering）是分子或點陣振動的光學聲子（即光學模）對光波的散射。在光譜圖上距離瑞利線較遠，它們與瑞利線的頻差可因散射介質能級結構不同而在100104之間變化。2. 布里淵散射 （Brillouin scattering）是點陣振動引起的密度起伏或超聲波對光波的非彈性散射，即點陣振動的聲學聲子（即聲學模）與光波之間的能量交換結果。由于聲學聲子的能量低于光學聲子，所以布里淵散射的頻移

23、比拉曼散射小，在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來。4 介質對光的散射 4.2 光散射分類49 測量不同波長光線通過棱鏡的最小偏向角，就可以算出棱鏡材料的折射率n與波長之間的關系曲線，即色散曲線。 實驗表明，凡在可見光范圍內無色透明的物質，它們的色散曲線在形式上很相似，這些曲線的共同特點是，折射率n以及色散率dn/d的數值都隨著波長的增加而單調下降，在波長很長時折射率趨于定值，這種色散稱為正常色散（normal dispersion）。6-55 介質對光的色散 5.2 正常色散一、定義50 實驗表明，在發生強烈吸收的波段，色散曲線發生力量明顯的不連續，折射率

24、n隨著波長的增加而增大，即dn/d 0，這種在吸收帶附近不符合科希公式，與正常色散曲線大不相同的特征稱之為反常色散（anomalous dispersion） 盡管通常把這種色散稱為反常色散，但實際上它反映了物質在吸收區域內所普遍遵從的色散規律。 大多數材料在遇到吸收帶時，色散曲線都有這種不連續的性質。在吸收區域以外，物質的色散曲線仍屬于正常曲線。6-65 介質對光的色散 5.3 反常色散51物理模型-阻尼受迫振子模型介質原子的電結構可以看作是由正負電荷之間用一根無形的彈簧束縛在一起的振子；光波引起介質中舒服電荷的受迫振動；同時做受迫振動的振子（舒服電荷）也可以作為電磁波的波源，向外發射“電磁

25、次波”；因為光速是等相位狀態的傳播速度，由于次波的疊加改變了波的相位，即改變了光速；次波的位相即振子受迫振動的位相，它與兩個因素有關：入射光波的頻率：即波長振子的固有頻率：在經典理論中指材料的固有振動頻率5 介質對光的色散 5.4 經典色散理論526 材料的光發射 6.1 光發射的定義一、定義材料以某種方式吸收能量之后，將其轉化為光能即發射光子的過程，這就是光發射。自然界中很多物質都可發光，但近代顯示技術所用的發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，其次的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：發光顏色、發光強度

26、及延續時間等。536 材料的光發射 6.1 光發射的定義二、平衡輻射和非平衡輻射1. 平衡輻射只與輻射體的溫度和發射本領有關，如白熾燈的發光。2. 非平衡輻射在外界激發下物體偏離了原來的熱平衡，繼而發出的輻射。546 材料的光發射 6.1 光發射的定義三、 光源能夠發光的物體稱為光源 = (E2-E1) / hE1E2 原子光波列 (wave train) 一般光源的發光特點： 1 間歇性； 2 隨機性。 55（1）熱輻射 （2）電致發光 （3）光致發光 （4）化學發光 自發輻射（5）同步輻射光源 （6）激光光源 受激輻射激發態原子或分子的自發輻射 = (E2-E1) / hE1E2激發態原子

27、或分子的受激輻射 6 材料的光發射 6.2 激勵方式材料發光前可以有多種方式向其注入能量566 材料的光發射 6.2 激勵方式一、光激勵（光致發光） 通過光的輻照將材料中的電子激發到高能態從而導致發光。 激勵光源可以采用光頻波段、x-射線波段、-射線波段。 如熒光燈：通過紫外線激發涂布于燈管內壁的熒光粉而發光。576 材料的光發射 6.2 激勵方式二、陰極射線發光 利用高能量的電子來轟擊材料，通過電子在材料內部的多次散射碰撞，使材料中多種發光中心被激發或電離而發光的過程。 如彩電的顏色：采用電子束掃描，激發顯象管內表面上不同成分的熒光粉，使它們發射紅、綠、藍三種基本光波而實現發光。586 材料

28、的光發射 6.2 激勵方式三、電激勵（電致發光） 通過對絕緣發光體施加強電場而導致發光，或者從外電路將電子（或空穴）注入到半導體的導帶（或價帶），導致載流子復合而發光。 如儀器指示燈的發光二極管：半導體復合發光。59一、發射光譜：發射光強 發射光波長指在一定的激發條件下發射光強按波長的分布。其形狀與材料的能量結構有關。反映材料中從高能級始發的向下躍遷過程。6 材料的光發射 6.3 材料發光的基本性質60二、激發光譜：發光強度 激發光波長指材料發射某一特定譜線（或譜帶）的發光強度隨激發光的波長而變化的曲線能夠引起材料發光的激發波長也一定是材料可以吸收的波長，但激發光譜吸收光譜（因為有的材料吸收光

29、后不一定會發射光困難把吸收的光能轉化為熱能而耗散掉對發光沒有貢獻的吸收是不會在激發光譜上反映的）。反映材料中從基態始發的向上躍遷過程。6 材料的光發射 6.3 材料發光的基本性質61三、發光壽命：發光壽命指發光體在激發停止之后持續發光時間的長短。發光強度也以指數規律衰減：余輝時間：從激發停止時的發光強度I0衰減到I0 /10的時間，按余輝時間長短分為：超長余輝（1s）、長余輝（0.11s）、中余輝（1100ms） 、中短余輝（10-21ms） 、短余輝（1 10s）、超短余輝（1s）6 材料的光發射 6.3 材料發光的基本性質n - 初始激發態的電子數- 電子在單位時間內躍遷到基態的概率=1/

30、 發光壽命62四、發光效率量子效率q：指發射光子數nout與吸收光子數（或輸入的電子數） nin之比。功率效率p：表示發光功率Pout與吸收光功率（或輸入的電功率）Pin之比。光度效率l：表示發射的光通量L與輸入的光功率（或電功率）Pin之比。功率效率與光度效率的關系： （）-人眼的視見函數 I （）-發光功率的光譜分布函數 D 光功當量6 材料的光發射 6.3 材料發光的基本性質63按照發光中心與發光效率分：2. 復合發光 源于固體本征態的輻射躍遷 固體能帶模型描述（限于最高能隙Eg內）如II-VI、III-V族半導體發光1. 分立中心發光3. 特殊的復合發光BaF2型 固體中局域中心內部電

31、子態間的輻射躍遷 位形坐標描述如稀土離子發光（寬禁帶絕緣體材料）發光分類6 材料的光發射 6.4 發光的物理機制64一、分立中心發光 RE3+發光，雜質、缺陷發光 其發光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。 選擇不同的發光中心和不同的基質組合，可以改變發光體的發光波長，調節其光色。 發光中心分布在晶體點陣中，受晶體點陣作用，使其能量狀態發生變化進而影響材料餓發光性能。6 材料的光發射 6.4 發光的物理機制65根據發光中心與晶體點陣之間相互作用的強弱可分為兩種情況：發光中心基本上是孤立的它的發光光譜與自由離子相似；發光中心受基質點陣電場（或晶體場）影響較大，其發光

32、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。6 材料的光發射 6.4 發光的物理機制66稀土離子發光： “4f4f”電子組態間的躍遷 如Tb3+, Eu3+, Gd3+ +, Pr3+ 線譜，禁戒部分解除）“4f5d”電子組態間的躍遷 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。6 材料的光發射 6.4 發光的物理機制67 缺陷發光 F心，PWO的綠光、紅光中心， ZnO的綠光，ZrO2的發光氧化物、氟化物、堿鹵化物，負離子缺位（電子陷阱）+ e F心6 材料的光發射 6.4 發光的物理機制681. 固體“導帶電子價帶空穴”間的復合2. “導帶電子受主A（空穴）

33、”或“價帶空穴施主D（電子）”或“DA”復合3. 激子（“eh”）或束縛激子的復合二、 復合發光6 材料的光發射 6.4 發光的物理機制69固體中可能的躍遷（1）帶間吸收；（21）帶間發射或自由激子發射（因有一定結合能，略Eg,圖上未顯示）；（22）有一定聲子參與的光發射；（3）（5）與雜質、缺陷有關的輻射復合；（6）分立中心內部的發射；（7）無輻射（多聲子）弛豫；（8）俄歇Auger過程6 材料的光發射 6.4 發光的物理機制70復合發光效率：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）帶間躍遷中要保持能量守衡和動量守衡6 材料的光發射 6.4 發光

34、的物理機制71 發光體被激發后，電子、空穴如何運動，激發態如何去激發激發 能量傳遞 發光 研究方法：發光衰減（ ），激發光譜，時間分辨譜，發光的濃度依賴，溫度依賴，熱釋光。6 材料的光發射 6.5 發光動力學72一、能量傳遞現象：激發于某處（某中心），發光在另一處（另一中心）如 Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發時，Mn不發光， Ca3(PO4)2:Ce，250nm激發時，Ce發光， Ca3(PO4)2:Mn，250nm激發時，可見Mn，Ce發光， Ce Mn激發CdS 10-5cm發射6 材料的光發射 6.5 發光動力學73二、能量傳遞方式： 載流子傳遞 再吸收光子傳遞 共振傳遞 激子

35、傳遞VBCB發光激發CuZnS:Cu6 材料的光發射 6.5 發光動力學74 激光（Laser）是受激輻射光放大的簡稱，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年代后發展起來的一門技術，它帶動了傅里葉光學、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展，形成了現代光學。 僅就全息照相和傅里葉光學中的一些最基礎的內容作扼要的介紹。7-1激光（Laser）7 其它光學性質 7.1 激光75全息照相全息術（holography）是利用光的干涉和衍射原理，將攜帶物質信息的光波以干涉圖的形式記錄下來，并且在一定的條件下使其再現，形成原物體逼真的立

36、體象。由于記錄了物體的全部信息，包括振幅和相位因此稱為全息術。7 其它光學性質 7.2 全息照相76為了提高電子顯微鏡的分辨本領，伽伯（D.Gabor，19001979）在1948年提出了全息術原理，并開始了全息照相（holography）的早期研究工作。那時的主要問題是再現的原始象與其共軛象不能分離，以及沒有好的相干光源。1960年出現了激光以后，1962年萊特（E.Leith）和烏帕特尼克斯（J.Upatnieks）在全息術中利用了激光，并提出了離軸全息術，使全息技術迅速發展成為科學技術的一個新領域。激光記錄和白光再現的全息術，例如反射全息、象全息、彩虹全息以及合成全息等，使全息術在顯示方

37、面展現出了它的優越性，并逐步深入到了社會的各個領域中。而且，聲全息術和微波全息術等也已經開始發展，但進展遠不如光學全息術。7 其它光學性質 7.2 全息照相77全息照片的獲得光的干涉由激光器發出的激光束，通過分光鏡分成兩束。一束稱物光，它是經過透鏡擴束后射向物體，再由物體反射后投向全息干版；另一束光經反射鏡反射和透鏡擴束后直接照到全息干版上，稱為參考光。在干版上相遇后，發生干涉，形成干涉條紋。它是無數組干涉條紋的集合，最終形成一肉眼不能識別的全息圖。干涉條紋的間距： d = /2sin(/2)7 其它光學性質 7.2 全息照相78全息照片的再現光的衍射感光以后的全息底片經顯影、定影等處理得到的

38、全息照片上，記錄了無數干涉條紋，相當于一個“衍射光柵”，一般是用相同于拍攝時的激光作為照明光，照明光經全息照片（即“光柵”）便發生衍射，得到一列沿照射方向傳播的零級衍射光波和二列一級衍射波。透鏡物體透鏡全息干板全反鏡全反鏡分光鏡電快門He-Ne激光器 全息照片的拍攝7 其它光學性質 7.2 全息照相79全息照片的主要特點 立體感強。 具有分割性。 同一張全息干版可重疊多個全息圖。 有視差效應。 改變全息照片位置或改變光波波長可使再現圖像放大或縮小。7-2共軛實像三維虛像全息照片激光 全息照片的再現7 其它光學性質 7.2 全息照相80傅立葉光學 光學信息處理20世紀30年代以來，光學與電通訊和

39、電信息理論相互結合，逐漸形成了傅立葉光學。傅立葉光學的數學基礎是傅立葉變換，它的物理基礎是光的衍射理論。阿貝成象原理：1873年，阿貝（E.Abbe，18401905）在顯微鏡成象原理的論述中，首次提出了空間頻率和空間頻譜以及兩次衍射成象的概念，并用傅立葉變換來闡明顯微鏡成象的物理機制。1906年，波特（A.B.Porter）以一系列實驗證實了阿貝成象原理。7 其它光學性質 7.3 傅立葉光學811、光電效應的基本概念當光照射到金屬表面時，金屬中有電子逸出的現象叫光電效應，所逸出的電子叫光電子，由光電子形成的電流叫光電流，使電子逸出某種金屬表面所需的功稱為該種金屬的逸出功。8 光電效應8.1 光電效應的實驗規律822、實驗裝置單色光通過石英窗照射金屬板陰極上有光電子產生。UGKA如將K接正極、A接負極，則光電子離開K后，將受到電場的阻礙作用。當K、A之間的反向電勢差等于U0時，從K逸出的動能最大的電子剛好不能到達A，電路中沒有電流， U0叫遏止電壓。8 光電效應8.1 光電效應的實驗規律838 光電效應8.1 光電效應的實驗規律3、實驗現象(2)存在截止頻率：對某一種金屬來說，只有當入射光的頻率大于某一頻率n0時，電子才能從金屬表面逸出，電路中才有光電流，這個頻率n0叫做截止頻率紅限.紅限頻率(1)飽和光電流：飽和光電流強度與入射光強度成正比。U