第八章-光学材料ppt课件.ppt

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1、2023/4/3,第八章 光学材料,光学材料英文名称：optical material定义：用来制作光学零件的材料。如玻璃、光学晶体、光学塑料等。,光学材料,光学材料主要是光介质材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按照预定的要求传输，也可以吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。,2023/4/3,第一节 激光材料,1960年，世界上第一个一红宝石（Al2O3：Cr3）为工作物质的固体激光器研制成功，使得光学的发展进入了一个新的发展阶段。激光与一般的光不同的是纯单色，具有相干性，因而具有较大的能量密度。中文名称：激光英文名称：laser定义：由受

2、激发射的光放大产生的辐射。Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,2023/4/3,激光应用很广泛，主要有激光打标、光纤通信、及光光谱、测距、雷达、切割、激光武器、唱片、激光指示器、激光矫视、美容、激光扫描、等等。,一、激光的产生,光的产生是和原子中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态E2，然后跃迁到低能态E1，则它会辐射的形式发出能量，其辐射频率为 E2-E1/h,2023/4/3,能量发射可以有两个途径：一是原子无规则地转变到低能态，称为自发发射；二是一个具有能量等于两能级间能量差的光子与处于高能态的原子相互作用，使原子

3、转变到的低能态同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射，产生的光就是激光。,1917年爱因斯坦从理论上指出：除自发辐射外，处于高能级E2上的粒子还可以另一方式跃迁到较低能级。他指出当频率为=（E2-E1）/h的光子入射时，也会引发粒子以一定的概率，迅速地从能级E2跃迁到能级E1，同时辐射一个与外来光子频率、相位、偏振态以及传播方向都相同的光子，这个过程称为受激辐射。,2023/4/3,由于激光是以受激辐射的光放大为基础的发光现象，同以自发辐射为基础的普通光源相比，具有许多鲜明的特点。,2023/4/3,1单色性好 我们知道，不同颜色的光具有不同的波长。所谓单色光，实际是波长范围很小的一段辐射。

4、谱线宽度越窄(即波长范围越小)，光的单色性就越好。需要说明的是，这里的谱线宽度是未调制前激光所包含的波长范围，它与激光调制后的频带宽度是两个不同的概念。调制前的谱线宽度越窄，调制后可以有效利用的频带宽度就越宽。因为激光是在特定能级之间实现粒子数反转后产生的受激辐射，又经过谐振腔的选频作用，使其输出光的谱线宽度很小，即具有很好的单色性。,2023/4/3,2方向性好 我们通常用光的发散角来描述其方向性，发散角越小，方向性越好。普通光源中最好的探照灯，其发散角为01rad(弧度)。如果把它照射到离地球40万公里的月球上(这实际是不可能的)，其光斑直径有几万公里。在激光器中，由于受激原子发光的方向与

5、外来光相同，再加上谐振腔只允许沿轴线传播的光得到放大，使输出激光的方向性很好，发散角0.001 rad，把它照射到月球上，光斑直径不到2km。利用激光的方向性好，可用于测距、定位、导航等。,2023/4/3,3亮度高 由于激光器可以做到断续发光，使其能量积累到一定程度再突发出来，因而具有很高的功率，最大可达10k W，再加上激光的方向性好，使其亮度极高，比太阳的亮度还高出上千亿倍，只有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光才能与之相比。利用激光的高亮度，可以在局部范围产生10万度以上的高温，进行打孔、焊接、手术以及可控热核反应等等。,2023/4/3,4相干性好 所谓相干性是指两束光能够发生干涉，形成稳定的明

6、暗相间干涉图像的特性。由于受激辐射原子发出的光在频率、位相、振动方向等方面都同外来光子一样，使激光具有很好的相干性比较接近于理想的、完全相干的电磁波。一般单色光源发出光的相干长度不超过O1m，但激光的相干长度可达几十公里。这里的相干长度是指把一束光分成两束，让它们经过不同的路程，能够产生干涉的最大光程差。利用激光的相干性好，可以进行全息摄影，进行精密测量。,2023/4/3,固体激光材料分为两类。一类是以电激励为主的半导体激光材料，一般采用异质结构，由半导体薄膜组成，用外延方法和气相沉积方法制得。根据激光波长的不同，采用不同掺杂半导体材料。另一类是通过分立发光中心吸收光泵能量后转换成激光输出的

7、发光材料。这类材料以固体电介质为基质，分为晶体和非晶态玻璃两种。,二、固体激光材料,激光晶体中的激活离子处于有序结构的晶格中，玻璃中的激活离子处于无序结构的网络中。常用的这类激光材料以氧化物和氟化物为主，如硅酸盐玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、氧化铝晶体、钇铝石榴石晶体、氟化钇锂等。氧化物材料具有良好的物理性质，如高的硬度、机械强度和良好的化学稳定性；氟化物材料具有低的声子频率、宽的光谱透过范围和高的发光量子效率。,固体激光材料 激光材料应具有良好的物理化学性能，即要求热膨胀系数小，弹性模量大，热导率高，光照稳定性和化学稳定性要好。,2023/4/3,（一）构成激活离子晶体激光工作物质要在基质晶

8、体中掺入适量的激活离子。激活离子的作用在于在固体表面提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的激光。基质晶体基质晶体须有良好的机械强度、良好的导热性和较小的光弹性。为降低热损耗和输入，基质对产生的激光吸收应接近为零。用作基质的晶体应能制成较大尺寸，且光学性能均匀。,基质晶体主要有以下三类：氟化物晶体：这类晶体熔点较低，易于生长单晶，如CaF2 BaF2 SrF2 LaF3 MgF2等。主要应用在较低的温度，现在应用较少。含氧金属酸化物晶体：是研究较早的激光晶体材料，均以三价稀土离子为激活离子，掺杂时需要电荷补偿。如CaWO4、CaMnO4、LiNbO4、Ca（PO4）3F等。金属氧化物晶体

9、：如Al2O3、Y3Al5O12、Er2O3、Y2O3等，掺入三价过渡族金属离子或三价稀土离子构成激光晶体，应用较多。但它们的熔点较高，制取优质单晶较为困难。,红宝石激光晶体（Al2O3：Cr3）：红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它由刚玉单晶（Al2O3）为基质，掺入Cr3激活离子所组成的。它具有以下几个主要优点：晶体的物化性能很好，材料坚硬、稳定、导热性好、抗破坏能力高，对泵浦光的吸收特性好，可在室温条件下获得0.6943m的可见激光。主要缺点：由于是三能级结构，产生的阈值较高。,2023/4/3,钕钇铝石榴石激光晶体（YAG：Nd3）基质材料是Y3Al5O12，Nd作为激光离子。

10、YAG:Nd3激光跃迁能级属于四能级系统，具有良好的力、热学和光学性能。与红宝石相比，YAG:Nd3晶体的荧光寿命较短，荧光谱线较窄，适合于作重复脉冲输出运转。,2023/4/3,2023/4/3,半导体激光材料半导体激光器是固体激光器中重要的一类。这类激光器的特点是体积小、效率高、运行简单、便宜。半导体激光器的结构就是半导体器件pn结二极管，在电流正向流动时会引起激光振荡。,产生激光振荡的条件是：1）利用的电流注入的少数载流子复合时放出的能量必须以高效率变换为光。2）在引起反转分布时要注入足够浓度的载流子。3）有谐振器。,2023/4/3,p-n结电注入激发机理：若在形成了p-n结的半导体材

11、料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。,要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多

12、于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。,2半导体激光器结构。如上图所示，其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合。,2023/4/3,三、半导体激光器的工作特性1阈值电流：当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射

13、 产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率30；在结的水平面内约为10左右（见左图）。，阈值就低。（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。2方向性：由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20-,2023/4/3,3效率 量子效率 每秒发射的光子数每秒到达结区的电子空穴对数 77K时，GaAs激光器量子效率达7080；300

14、K时，降到30左右。功率效率1辐射的光功率加在激光器上的电功率 由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的1最高10，只有在低温下才能达到3040。4光谱特性 由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，GaAs激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。,连续室温半导体激光器 现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器。其输出波长为900nm（近红外光）；器件工作寿命已达数万小时，甚至数十万小时；功率转换效率超过20；成为目前激光光纤传输的重要光源。为了降

15、低阈值电流和实现室温下连续运转，通常由异种材料来构成“结”，称为“异质结”的新结构。若在GaAs衬底的两侧各“生长”出P-GaAlAs层和n-GaAlAs层，则称为双异质结，其激活区厚度d0.5um。,2023/4/3,半导体激光器的工作原理 半导体激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件:(1)增益条件:建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人

16、必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去.当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用.(2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜.对F-p腔(法布里一拍罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P一n结平面相垂直的自然解理面构成F一P腔.(3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流

17、注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件.当激光器达到阀值，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出.可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力.量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器.另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁

18、，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件.,第二节光纤材料,20世纪60年代发现的激光，为实现光信号通信奠定了一定的基础，但要实现光通讯，还必须有光元件、组件及信号加工技术和光信号的传输介质。1958年，英国科学家提出了利用光纤的设想。1970年美国康宁玻璃公司拉制出世界第一根低损耗光纤，它由高二氧化硅玻璃制成，长约数百米，损耗低于20dB/Km。,2023/4/3,然而，多组分玻璃光纤因其材料难以提纯，以及此类玻璃的均匀性差，使得此类光纤的最低损耗仍相当大，约为4dB/Km。近30年来，各种各样的光纤层出不穷，除了通讯用多模、单模光纤外，近几年又出现了结构不同的高双折射偏振保持

19、光纤、单偏振光纤，以及各种传感器用的功能光纤、塑料光纤等。光纤的最初应用是制作医用内窥镜，但其主要的应用领域仍是在通讯方面。,2023/4/3,光导纤维 light-guide fiber光通讯是人类最早应用的通讯方式之一。从烽火传递信号，到信号灯旗语等通讯方式，都是光通讯的范畴。但由于受到视距大气衰减地形阻挡等诸多因素的限制，光通讯的发展缓慢。,2023/4/3,光导纤维的发明和使用：1870年的一天，英国物理学家丁达尔到皇家学会的演讲厅讲光的全反射原理，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水

20、流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。,2023/4/3,人们曾经发现，光能沿着从酒桶中喷出的细酒流传输；人们还发现，光能顺着弯曲的玻璃棒前进。这是为什么呢？难道光线不再直进了吗？这些现象引起了丁达尔的注意，经过他的研究，发现这是全反射的作用，即光从水中射向空气，当入射角大于某一角度时，折射光线消失，全部光线都反射回水中。表面上看，光好像在水流中弯曲前进。实际上，在弯曲的水流里，光仍沿直线传播，只不过在内表面上发生了多次全反射，光线经过多次全反射向前传播。后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进

21、。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。,2023/4/3,光导纤维正是根据光的全反射这一原理制造的。它的基本原料是廉价的石英玻璃，科学家将它们拉成直径只有几微米到几十微米的丝，然后再包上一层折射率比它小的材料。只要入射角满足一定的条件，光束就可以在这样制成的光导纤维中弯弯曲曲地从一端传到另一端，而不会在中途漏射。,科学家将光导纤维的这一特性首先用于光通信。一根光导纤维只能传送一个很小的光点，如果把数以万计的光导纤维整齐地排成一束，并使每根光导纤维在两端的位置上一一对应，就可做成光缆。用光缆代替电缆通信具有无比的优越性。比如20根光纤组成的像铅笔精细的光缆，每天可通话7.6万人次，

22、而1800根铜线组成的像碗口粗细的电缆，每天只能通话几千人次。,光导纤维不仅重量轻、成本低、敷设方便，而且容量大、抗干扰、稳定可靠、保密性强。因此光缆正在取代铜线电缆，广泛地应用于通信、电视、广播、交通、军事、医疗等许多领域，难怪人们称誉光导纤维为信息时代的神经。我国自行研制、生产、建设的世界最长的京汉广通信光缆，全长3047公里，已于1993年10月15日开通，标志我国已进入全面应用光通信的时代。,2023/4/3,利用光导纤维进行的通信叫光纤通信。一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！铺设1000公里的同轴电缆大约需要50

23、0吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英就可以了。沙石中就含有石英，几乎是取之不尽的。,利用光导纤维制成的内窥镜，可以帮助医生检查胃、食道、十二指肠等的疾病。光导纤维胃镜是由上千根玻璃纤维组成的软管，它有输送光线、传导图像的本领，又有柔软、灵活，可以任意弯曲等优点，可以通过食道插入胃里。光导纤维把胃里的图像传出来，医生就可以窥见胃里的情形，然后根据情况进行诊断和治疗。,一.光纤的结构及分类,1.光纤的结构光纤是由高透明电介质材料制成的非常细（外径约为125200m）的低损耗光导纤维，它不仅具有束缚和传输从红外到可见光区域内的光的功能，而且也具有传感功能。一般通信用光纤的横截面的结构如后图所示。,20

24、23/4/3,光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高透明固体材料（如高二氧化硅玻璃、多组分玻璃、塑料等）制成；纤芯的外面是包层，用折射率较低的有损耗的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。能导光的玻璃纤维光纤，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。,2023/4/3,在实际使用中，为了增加光纤的强度和柔性，还需在光纤的外面加上被覆层，主要是防止玻璃光纤的玻璃表面受到损伤，并保持光纤的强度。通常采用连续挤压法将热可塑硅树脂被覆在光纤外制成。,2.光纤的分类,光学上把具有一定频率一定偏振状态和传输方向的光波叫做光的一种模式。按光纤芯折射率的分布不同，常用通讯光纤主要分为节跃光纤、梯度光纤和单模光纤三种类型

25、。另外，从光纤的材质上可将光纤分为石英光纤、多组分玻璃光纤、全塑料光纤等。其中石英光纤具有衰减低、频带宽等优点，在研究和应用中占主导地位。,2023/4/3,2023/4/3,二.光在光纤中传输的基本原理,一切光纤的工作基础都是光的全内反射现象。如果有一束光投射到折射率分别是n1和n2的两种媒质界面上时，（设n1 n2）入射光将分为反射光和折射光，入射角0与折射角之间服从光的折射定律当入射角0逐渐增大时，折射角也相应增大。当0sin1n2/n1时，折射角/2，这时入射光线全部返回到原来的介质中，这种现象叫光的全反射，此时的入射角1sin1n2/n1叫做临界角。如图。,2023/4/3,2023

26、/4/3,光纤传输 直到1960年，美国科学家Maiman发明了世界上第一台激光器后，为光通讯提供了良好的光源。随后二十多年，人们对光传输介质进行了攻关，终于制成了低损耗光纤，从而奠定了光通讯的基石。从此，光通讯进入了飞速发展的阶段。光纤传输有许多突出的优点：1、频带宽 频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传输信号的频带宽度就越大。,2023/4/3,2损耗低 在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时，每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则要小得多，传输1、31um的光，每公里损耗在035dB以下若传输155um的光，每公里损耗更小，可达02d

27、B以下。这就比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远得多。此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引人均衡器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环境温度变化而造成干线电平的波动。,3重量轻 因为光纤非常细，单模光纤芯线直径一般为4um10um，外径也只有125um，加上防水层、加强筋、护套等，用448根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多，加上光纤是玻璃纤维，比重小，使它具有直径小、重量轻的特点，安装十分方便。,2023/4/3,4抗干扰能力强 因为光纤的基本成分是石英，只传光，不

28、导电，不受电磁场的作用，在其中传输的光信号不受电磁场的影响，故光纤传输对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。也正因为如此，在光纤中传输的信号不易被窃听，因而利于保密。5保真度高 因为光纤传输一般不需要中继放大，不会因为放大引入新的非线性失真。只要激光器的线性好，就可高保真地传输电视信号。实际测试表明，好的调幅光纤系统的载波组合三次差拍比CCTB在70dB以上，交调指标cM也在60dB以上，远高于一般电缆干线系统的非线性失真指标。,2023/4/3,6工作性能可靠 我们知道，一个系统的可靠性与组成该系统的设备数量有关。设备越多，发生故障的机会越大。因为光纤系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需

29、要几十个放大器)，可靠性自然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万75万小时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。,7成本不断下降 有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。光通信技术的发展，为Internet宽带技术的发展奠定了非常好的基础。这就为大型有线电视系统采用光纤传输方式扫清了最后一个障碍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低；而电缆所需的铜原料有限，价

30、格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势，成为建立全省、以至全国有线电视网的最主要传输手段。,三.光纤的制备工艺,光纤的制备一般主要包括原料的制备与提纯、预制棒或晶锭的制作与拉丝等工艺步骤。迄今为止，国际上已研究开发出气相沉积和非气相沉积两大类技术以及十多种具体的光纤制备工艺：,2023/4/3,2023/4/3,石英玻璃,石英玻璃是制作光纤预制棒的基础材料,其主要成分为2,并以2、P2O5、2 3等为掺杂原料。由于石英光纤在 1.55的损耗为 0.1 4/,已达到理论上的极限,为进一步降低光纤损耗,研制了红外玻璃光纤,这种材料在 2 6波长损耗值为 1 0-1 1 0-3/。红外玻璃包括

31、重金属氧化物玻璃、氟化物玻璃和硫化物玻璃。此外,某些塑料在可见光范围内具有良好的透光性,如聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯等可用来制作光纤。,2023/4/3,目前,制造石英光纤普遍采用的气相沉积工艺主要有:法(改进的化学气相沉积法)、法(外气相沉积法)、法(轴向气相沉积法)和法(等离子体气相沉积法)等。这些方法自20世纪 70年代开发以来,一直是光纤制造的主要方法,现在世界各国不断对上述工艺进行改进和完善,以提高光纤质量和降低成本,四.光纤材料的应用,光学纤维在光学系统中可以用于光学纤维潜望镜、光学纤维换向器等、光学纤维可用于传感技术，制成各种各样的光纤传感器，如光纤声、光纤磁、光纤温度、光纤网络

32、和光纤辐射类型传感器。光纤通信是光纤的重要应用领域，光纤通讯与电缆或微波等通讯方式相比，具有如下优点：传输频带宽，通讯容量大。如载频为31014Hz，约为电视通讯所用超高频的10万倍，从而使带宽或信息载带容量激增。传输损耗小，传输距离远，每单位传输距离只需很少的放大器或中继站。抗干扰能力强、传输质量高、保密性好。光纤是绝缘体，不受临近其它系统和其它物体产生的杂散电场的影响，故有很强的抗干扰能力，能够防范电子间谍。成本低廉。光纤原材料丰富、光纤直径小，能大量节约有色金属。另外，因其质量轻，运输和铺设的费用低耐化学腐蚀，适用于特殊环境。,2023/4/3,第三节红外材料,一、红外线的基本性质 红外

33、线是指在位于可见红光以外的光线，其和可见光一样在本质上都是电磁波，它的波长范围很宽，从0.7m到100m。红外线按波长可分为三个谱区：近红外（0.715m），中红外（1550m），和远红外（501000m）。红外线和可见光一样，具有波的性质和粒子的性质，遵守光的反射与折射定律，在一定条件下产生干涉与衍射效应。其与可见光的不同之处为：人的肉眼是看不到的；在大气层中存在着一系列对其吸收很低的透明窗。,2023/4/3,二.红外材料,红外材料是指能够透过红外线，并对不同波长红外线具有不同透过率，折射率计色散的材料。红外光学材料是指在红外成像与制导技术中用于制造透镜、棱镜、窗口、滤光片、整流罩等的一类

34、材料。这些材料具备满足需要的物理及化学性质,即主要指标为:良好的红外透明性与较宽的透射波段。一般来说,红外光学材料的透过波段和透过率与材料内部结构,特别是能级结构及化学键有密切关系。,2023/4/3,2023/4/3,红外材料有透过近红外光、中红外光、远红外光各波段的红外玻璃。其中，近、中红外玻璃，透过波段370nm6.7m、折射率1.521.99。其玻璃系统包括硅酸盐系统、锗酸盐系统、铝酸钙系统、锗酸铅系统和铌酸铅系统等。主要应用于空对空导弹、地对空导弹、机载红外吊舱、车载红外探测（观察、瞄准）等近、中红外设备的红外整流罩和透红外窗口。,2023/4/3,远红外玻璃主要应用于814m红外探

35、测仪器和设备。可加工成非球面远红外光学聚光镜头、远红外球面镜头组组件、远红外棱镜组件、远红外玻璃窗口，也可以作为外延GaAs、GaN、InGaN半导体的衬底材料。,1、晶体材料,晶体材料是人们最早使用的一类红外光学材料,也是目前主要使用的光学材料。晶体材料包括离子晶体与半导体晶体,离子晶体包括碱卤化合物晶体,碱土卤族化合物晶体及氧化物及某些无机盐晶体。半导体晶体包括族单元素晶体、族化合物和族化合物晶体等。离子型晶体通常具有较高的透过率,同时有较低的折射率,因而反射损失小,一般不需镀增透膜,同时离子型晶体光学性能受温度影响也小于非离子型晶体。半导体晶体属于共价晶体或某种离子耦合的共价键晶体。晶体

36、的特点是其物理和化学特性及使用特性的多样性。晶体的折射率及色散度变化范围比其它类型材料丰富得多。可以满足不同应用的需要,有一些晶体还具备光电、磁光、声光等效应,可以用作探测器材料。,2023/4/3,1）单晶材料：,作为红外光学材料使用的单晶材料有几十种，上百个牌号。较为常用的大约有十几种。单晶材料主要优点是制备技术相对成熟，材料具有良好均一性，材料结构完整，可避免材料内部结构缺陷(如气孔、夹杂)等对红外光学性能的影响，在制备过程中可采用保护气氛及高真空条件，以避免材料在制备过程中氧化及二次污染、造成材料使用性能的劣化。单晶制备方法较多，目前常用的有如下几种：、布里奇曼法()；、切克劳斯基法(

37、)；、水平压熔法(1952年创立)；、浮压法(1953年,等创立)；、泡生长法；、熔焰法;、法(化学汽相沉积法)；、法(物理汽相沉积法)；、液相外延法(法)。,2023/4/3,半导体单晶：,锗单晶为金刚石结构，故在红外波段有良好的透明性，锗不溶于水，化学性质稳定，在透射波长范围内其折射率4.0。25时禁带宽度为0.69eV,对应的吸收短波限为1 8,透射波长范围1 825,是一种优良的红外材料,广泛地用于制造红外透镜、窗口、棱镜等。硅也是一种金刚石结构的半导体晶体材料，化学性质稳定，不溶于水。而且不溶于大多数酸类，但溶于氢氟酸、硝酸和醋酸的混合物(-4)。硅的禁带宽度1 1eV，对应的吸收短

38、波限为1 1，由于原子半径(原子量)小于锗，在长波方向的自由载流子及声子吸收要小于锗，透射波长范围为1 115。硅的折射率也比较恒定，约为=3.4。硅的红外光学性能良好，且机械强度较好及红外性能受温度影响小于锗。,2023/4/3,砷化镓(GaAs),砷化镓(GaAs)是一种族化合物半导体，其透射波段为118，在815范围内，其折射率为2.733.34。砷化镓熔点为1238,不溶于水，有良好机械性能，化学性质很稳定，目前已用于红外窗口材料和透镜等，如CO2激光器窗口。但从经济和成本角度考虑,在红外用途上,砷化镓多晶材料显得更有前途。其透过率已达单晶材料95%以上。碲化镉(CdTe)是一种族化合

39、物，其透过波段为130，在814内，折射率约为2.67，熔点1045，化学及物理性质稳定，是一种性能优良红外材料，但碲化镉单晶生产成本高，特别是100单晶生长较为困难，限制了碲化镉的应用。,2023/4/3,2023/4/3,几种常用红外晶体材料,碱卤化合物单晶：,碱卤化合物晶体属离子型晶体，如氯化钠(NaCl)、氟化钠(NaF)、氟化锂(LiF)、氯化钾(KCl)、溴化钾(KBr)、碘化铷(RbI)、溴化铯(CsBr)、碘化铯(CsI)等。一般情况下,碱卤化合物晶体具有从可见光到红外光的透过特性,且透过率比较高,具有较好的红外光学性能。但这一类材料熔点不高,培育大尺寸单晶较容易、也容易实现光

40、学均匀性。然而大多数碱卤化合物极易溶于水,在空气中易潮解。因而使用时需蒸镀保护膜。同时它们硬度较低,机械强度差,很容易解理损坏,故一般情况下,碱卤化合物晶体仅用于一些精密仪器中,如红外分光光度计,红外光谱仪中作分光棱镜及窗口材料。-5、-6是目前已广泛应用的红外材料,其具有很宽的透射波段,仅微溶于水,可在较低温度条件下使用,是一种性能良好的低温窗口材料,但-5、-6有冷流变的特点,不能在无支撑情况下长期使用。,2023/4/3,碱土卤族化合物单晶体：,目前使用的几种碱土卤族化合物晶体包括：氟化钙(2),氟化钡()、氟化锶(2)和氟化镁(2),碱土卤族化合物晶体的特点是透射长波限较短,一般在10

41、左右,折射率也比较低,反射损失小,一般无需镀增透膜,与碱卤化合物晶体相比较,碱土化合物晶体硬度要高得多,机械强度也好得多,且几乎不溶于水。氟化钙(2)的长波限为10,但机械强度及抗热冲击性远不及氟化镁,在空气中长期使用表面会生成乳白氧化膜,故一般不用于整流罩,而只用于实验室中不存在机械及热冲击情况下。氟化钡(2)晶体抗热冲击及机械性能较差,在空气中会潮解,故限制了它的用途。,2023/4/3,氧化物单晶：,氧化物单晶是目前广泛使用的一类晶体,其中蓝宝石(23)、石英(2)、氧化镁()和金红石(2)被广泛用于导弹、卫星等领域。氧化物单晶材料的特点为:具有耐高温、抗热冲击、机械强度高、坚硬等的特点

42、,很适合作窗口材料。但氧化物单晶在中红外线长波方向的声子吸收较强,一般透过长波限6。兰宝石是35近红外波段的优良材料,广泛用于窗口及整流罩等,兰宝石是三角晶系结构各向晶体,显示有双折射性,在600温度下,其红外透过性能下降不大,在液氮及液氦温度下,红外特性略优于室温情况。与玻璃也有很好封接特性。红宝石是掺有铬的氧化铝单晶,其光学和其它理化性质与兰宝石相似,目前培育的兰宝石单晶直径180。,2023/4/3,石英,石英,包括晶体和融熔石英,晶态石英具有双折射的各向异性晶体。石英与红、兰宝石晶体有许多相似性,也是一种较好的近红外材料,但目前融熔石英应用似乎更广泛一些,融熔石英也称石英玻璃。氧化镁晶

43、体,其禁带宽度很大,使用温度达400时,红外特性也无明显变化,是一种耐高温的近红外材料,但氧化镁熔点很高(2800),用传统直拉法与区熔法很难制备大型单晶以满足需要。金红石是一种双折射晶体,熔点1820。金红石一个重要特点是在15波长内,折射率为2.52.3,同时约等于几种常用探测器材料(、)的折射率的几何平均值。因此用金红石作这些探测器元件窗口可使反射损失减少。,2023/4/3,2）多晶材料,与单晶材料相比、多晶材料具有价格低,制备材料尺寸几乎不受限制,可制备大尺寸及多种复杂形状等。而且由于制备技术的完善,其性能与单晶相差无几。红外多晶材料种类较多,几乎前面提到的单晶材料均可制备为多晶材料

44、。对于多晶材料,除了单晶材料的吸收因素外,杂质及缺陷是影响红外性能的重要因素。降低多晶材料气孔率,可以提高红外透射性能,同时也可以提高材料机械强度。热压法()、物理及化学气相沉积法(、)是目前制备多晶材料常用的技术。,2023/4/3,3）红外玻璃,玻璃可以近似地看作是一种过冷的无定形融熔体,玻璃与其它类型红外光学材料,特别是和单晶材料比较,具有光学均匀性好,制备工艺简单,可以熔铸成各种形状、尺寸,易加工,价格低廉等优点。,2023/4/3,氧化物玻璃通常的氧化物玻璃,即由2、23、25、等组成的硅酸盐玻璃,这种玻璃可以透过可见光到3红外光,使用2、2、3、23、23、23、23、23、2等替

45、代2。从而获得了铝酸盐、锑酸盐、碲酸盐、镓酸盐、钛酸盐类玻璃,这一类玻璃在透射长波限方面有所改善。以铝酸钙为主要成份的玻璃红外长波透射限为6,目前大量使用的39、37就属于铝酸钙玻璃,37、39的透射性能与兰宝石近乎相同,在800下仍有良好的热机械性能。镓酸盐玻璃与37的性质类似,但退火温度略低,约为670,透射长波限为6.65、碲酸盐玻璃透射长波限与之相同,但退火温度为320,其使用温度一般低于250,碲酸盐玻璃等适合作、型探测器的窗口。在磷酸盐玻璃中添加氧化镧(23)、氧化铈(2)、氧化钕(23)等可改善玻璃红外透过特性,降低吸收系数。在氧化物玻璃中,主要有害杂质是水,采用真空熔炼法是去除

46、水杂质的有效途径。,硫属化合物玻璃,由于元素氧化学键在6波长有强烈吸收,故用元素中硫化物代替氧作为玻璃的基本组分,从而研制出硫属化合物玻璃。硫属化合物玻璃有较长的透射波长限,一般大于10。最早研制的是三硫化二砷玻璃,其长波限为11,10.6处折射率2.4,但三硫化二砷玻璃冷流变及最高使用温度110,限制了其应用。其后,以锗、硒、镓、碲、汞为组份的玻璃相继出现,这些材料具有更长的波限、更高的使用温度。,2023/4/3,下表为几种硫化合物的性能。,2023/4/3,硫属化合物玻璃,硫属化合物玻璃中锗砷硒及硒锑锗是两种较好材料,锗砷硒透射波段为116,包括了35、814两个大气窗口,软化点474,

47、使用温度400。硒锑锗软化点328,使用温度250。目前硫属化合物玻璃一般采用真空熔铸法和压铸法制备,容易产生偏折及气泡等缺陷,同时在制备过程中因氧化可导致红外性能劣化,硫属化合物组份元素大多带有毒性和易爆性,加之融熔和淬火方面的困难,使得制备大型高质量硫属化合物玻璃材料成品率较低。近年来机械合金化技术()的发展,为制备大尺寸高质量硫属化合物材料提供了一条可行途径,利用高真空下的机械合金化技术与热等静压烧结技术结合,可使整个制备过程实现密封、以减少制备过程中毒物散发、避免氧化、燃爆。同时法可获得超细,均匀的元素组份,为致密热压烧结提供了条件。,2023/4/3,2023/4/3,4）塑料,塑料

48、是一种无定形态高分子聚合物,一些塑料在红外或远红外波段有良好的透过率,因而可以用来制备红外窗口、透镜等。目前塑料已广泛地用于红外报警、红外监控及传感等民用或警用领域。由于塑料分子结构复杂,导致非常多的晶格振动吸收带和旋转吸收带,因此透过率相对不是很高,尤其是中红外波段。,2023/4/3,最常见的红外塑料包括:丙烯酸脂和乙甲基丙烯酸脂有机玻璃,聚乙烯、聚丙烯塑料,聚四氟乙烯、聚四甲基戊烯塑料等。丙烯酸脂可透34红外及可见光,在常温下,大量用于红外发光二极管等的封装材料。聚乙烯在可见光波段不透明,但在2437有较高透过率,但使用温度较低。高密度聚丙烯塑料透射波长1621,吸收系数23/。可作为窗

49、口材料使用。聚四氟乙烯是另一种常用塑料,透射波长为27、915,复盖了两个大气红外窗口,具有很高的化学、物理稳定性,使用温度-260+260,可作为保护膜材料和小型民用红外激光器窗口材料等。,三.应 用红外材料是用来制造红外光学仪器透镜、棱镜、滤光片、调制盘、窗口、整流罩等不可缺少的材料，其主要用途见下表。,2023/4/3,第四节发光材料,发光材料是一种物体把吸收到的能量，不经过热的阶段，直接转换为特征辐射的现象。一分类：发光材料的种类很多，按激发方式发光材料可分为：光致发光材料：在光（通常是紫外光、红外光和可见光）照射下激发发光的材料；电致发光材料：在电场或电流的作用下激发发光的材料；阴极

50、射线致发光材料：在加速电子的轰击下的激发发光；热致发光材料：在热的作用下激发发光；等离子发光材料：在等离子体作用下的激发发光；力致发光材料：受到破坏力或变形应力时激发发光。,2023/4/3,二特征：,发光材料的发光特征：颜色特征：不同的发光材料有不同的发光颜色。在现有的发光材料中，其颜色基本覆盖了整个可见光范围；材料的发光光谱可分为以下三种类型：宽带（半宽度100nm）；窄带（半宽度50nm）；线谱（半宽度0.1nm）。发光材料的发光光谱属于那一类，与其基质有关，也与杂质有关。随着基质的改变，发光颜色也可以改变。,2023/4/3,强度特征（发光强度的特征）：发光强度是随着激发强度而变化。通