光学材料的研究现状及应用

光学材料的研究现状及应用

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发光材料已成为人们日常生活中不可缺少的材料,被广泛地用在各种显示、照明和医疗等领域,如电视屏幕、电脑显示器、X射线透射仪等,显微镜、望远镜、经纬仪、摄像机等各种光学仪器,核心部分都是由光学材料制造的光学零件。目前发光材料主要是无机发光材料,从形态上分,有粉末状多晶、薄膜和单晶等。

一、引言

光充满着整个宇宙,各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星光。要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料。

自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。

光学材料是传输光线的材料，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，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。

光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料和光色材料等。

二、研究现状及主要应用领域

1.发光材料

发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光向外辐射的过程，是热辐射外另一种能量辐射现象。光子是电子在受激高能态返回低能态时发出的,当发出光子能量在1.8-3.1eV时，便是可见光。而材料发光所需能量可从较高能量的电磁辐射(如紫外光)中得到，也可从高能电子或热能、机械能和化学能中得到。

发光材料是指吸收光照，然后转化为光的材料。发光材料的晶格要具有结构

缺陷或杂质缺陷，材料才具有发光性能。结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷，由其引起的发光称为自激活发光，所以制备发光材料采用合适的基质十分重要。如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格中形成杂质缺陷，由其引起的发光叫激活发光，掺入的微量杂质一般都充当发光中心，称为激活剂。我们实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。

根据发光类型，可以把发光材料分为光致发光材料、阴极射线发光材料、电致发光材料、X射线发光材料、发光二极管等。

1.1光致发光材料

发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。光致发光材料一个主要的应用领域是照明光源，包括低压汞灯、高压汞灯、彩色荧光灯、三基色灯和紫外灯等。其另一个重要的应用领域是等离子体显示。光致发光粉是制作发光油墨、发光涂料、发光塑料、发光印花浆的理想材料。光致发光材料在安全方面上的应用是其最为普遍的。在安全方面，光致发光材料可用作安全出口指示标记、撤离标记等。其次用光致发光材料制作精美产品，一些不属安全标志的产品,T恤衫、宣传品、儿童玩具、小标签等可以利用光致发光材料进行装饰印刷。

1.2阴极射线发光材料

阴极射线发光是在真空中从阴极出来的电子经加速后轰击荧光屏所发出的光。所以发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。又由于电子的能量在几千电子伏以上，所以除发光以外,还产生X射线。X射线对人体有害,因而在显示屏的玻璃中常添加一些重金属(如Pb)，以吸收在电子轰击下荧光屏所产生的X射线。阴极射线发光是继发光二极管、无机电致发光、有机电致发光之后的第四种发光形式。这是一类在阴极射线激发下能发光的材料。用电子束激发时，其电子能量通常在几千电子伏特以上甚至几万电子伏特，而光致发光时，紫外线光子能量仅5-6eV甚至更低，而光致发光材料在电子束激发下都能发光，甚至有些材料没有光致发光，但却有阴极射线发光。

阴极射线发光材料一般用于电子束管用荧光粉，它是发光材料中产量仅次于灯用荧光粉的一种产量较大的荧光粉。它除用于电视、雷达、示波器、计算机终端显示的荧光屏之外，还用于商用机器、光学字体辨认、照相排版、医学电子仪器、飞机驾驶舱表盘等。

1.3 电致发光材料

电致发光(电场发光，EL)是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象，也就是电能转换为光能的现象，在消费品生产中有时被称为冷光。具有这种

性能的物质可作为一种电控发光器件。一般它们是固体元件，具有响应速度快、亮度高、视角广的特点，同时又具有易加工的特点，可制成薄型的、平面的、甚至是柔性的发光器件。目前电致发光的研究方向主要为有机材料的应用。

商业领域：主要应用在POS机和ATM机、复印机、自动售货机、游戏机、公用电话亭、加油站、打卡机、门禁系统、电子秤等产品和设备的显示屏。

消费类电子产品：主要应用有装饰用品(软屏)与灯具、各类音响设备、计算器、数码相机、数码摄像机、便携式DVD、便携式电视机、电子钟表、掌上游戏机、各种家用电器(OLED电视)等产品的显示屏。

工业应用场合：主要应用有各类仪器仪表、手持设备等的显示屏。

通信领域;主要应用有3G手机、各类可视对讲系统(可视电话)、移动网络终端、e-book(电子图书)等产品的显示屏。

交通领域:主要应用有GPS、车载音响、车载电话、飞机仪表和设备等各种指示标志性的显示屏。如微显示器,这种技术最早用于战斗机飞行员,现在的穿戴式电脑也用它。有了它,移动设备就不再受显示器体积大、耗电多的限制。

1.4发光二极管材料

发光二极管是辐射光的半导体二极管，施加正向电压时，通过pn结分别把n区电子注入p区，p区空穴注入n区，电子和空穴复合发光，把电能直接转换成光能。

发光二极管和器件已实现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色的生产和应用，并拓展到近红外和近紫外范围，如发红光的GaAsP，发绿光的Gap等。发光二极管的发光效率也提高上千倍。使用GaN基材料的二极管，可发出高亮度的白光，在20mA的电流下，发光强度达到2Cd，能作为强光源使用。

发光二极管也可做成指示器和数字显示器，用于计算机、广告、家用电器、车辆、交通信号等仪器仪表的显示中。

1.5 X射线激发发光材料

在X射线照射下，发光材料可发生康普顿效应，也可吸收X射线，它们都可产生高速光电子。光电子又经过非弹性碰撞，产生下一代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需能量时，就可发出光。

X射线发光材料可使X光转换为可见光，并显示成像。它可将X射线透过人体或物体后所形成的X射线潜像转换成可见图像，既可用肉眼观察，也可用胶片照相，还可用光电器件将它转换成电信号后再处理。主要用于X射线远视及照相还有由X射线像增强器和电视组成的X射线显示系统，X射线扫描及计算机配合组成断层分析系统也就是常说的CT系统。

2.红外光学材料

红外材料是指能透过红外线，并对不同波长红外线具有不同透光率、折射率及色散的材料。红晶体及半导体晶体。红外材料的用途、红外光学材料主要应用于以下方面：

辐射测量、光谱辐射测量：如非接触温度测量、农业、渔业、地面勘察，探测焊接缺陷，微重力下热流过程研究；

对能量辐射物的搜索和跟踪，如宇航装置导航，火箭、飞机预警，遥控引爆管等；

制造红外成像器件，夜视仪器、红外显微镜等；用于红外光学系统中的窗口、整流罩、透镜棱镜、滤光片等，可用于军事上的伪装识别，半导体元件和集成电路的质量检查等；

通信和遥控：宇宙飞船之间进行视频和音频传输，海洋、陆地、空中目标的距离和速度测量，这种红外通信比其他通信(如无线电通讯)抗干扰性好，也不干扰其他信息，保密性好，而且在大气中传杨，波长愈长，损耗衰减愈小外材料主要包括碱卤化合物晶体、碱土-卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐。

3.固体激光材料

用一个光子去激发位于高能级的电子或离子,使之放出光子,受激发射产生的光就是激光。如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于激发状态,再用外界光感应,使所有处于激发状态的原子和离子几乎同时产生受激辐射而回到低能态，将发出具有强大能量密度的光束。

激光材料：激光系统最重要的是激光工作物质，分为固体、液体和气体激光工作物质。

固体激光器是最重要的一种，不但激活离子密度大，振荡频带宽，能产生谱线窄的光脉冲而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。

晶体激光材料：绝大部分激光晶体是含激活离子的荧光晶体，按照晶体组成可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类，前者占现有激光晶体的绝大部分。

红宝石激光器发射的波长为可见红光，很容易进行探测和定量测量，在激光器的基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光全息技术、激光雷达与测距方面有广泛应用。

半导体激光材料：受激辐射的激发方式主要有三种;光辐照、电子轰击和向p-n结注入电子,其中pn结注入电子是半导体产生激光的重要方式。

半导体激光器是固体激光器中重要的一类,又称激光二级管,它是利用少数载流子注入产生受激发射的器件。

4.光色材料

材料受光照射着色，停止光照射后又可逆地褪色，这一特性称为材料的光色现象。具有光色现象的材料称为光色材料。光学材料很重要的一个应用就是光学玻璃。

光色玻璃中含有卤化银的玻璃是一种典型的光色材料。它是以普通的碱金属硼硅酸盐玻璃的成分为基础，加入少量卤化银，如AgI、AgCl、AgBr或混合物作为感光剂，再加入极微量的敏化剂(如As、Se、Cu、Sb的氧化物)制成。

光色玻璃的性能可根据需要进行调节。改变光色玻璃中卤素离子的种类和含量，可调节使光色玻璃由透明变暗所需辐照光的波长范围，如仅含AgCl晶体的光色玻璃的光谱灵敏范围为紫外光到紫光；如含AgCl和AgBr晶体，则其灵敏范围为紫外光到蓝绿光区域。控制光色玻璃制备中的热处理温度与时间，可控制玻璃中析出的卤化银颗粒大小，也可调节光色玻璃的光色性能。

三、讨论与展望

我国的发光材料经历了由进口——使用进口原料实现半国产化——独立研制、独立生产——与国外同步发展，配方中普遍应用稀土的规模化生产四个阶段。超长余辉夜光粉是国内最先研制成功的特种发光材料，该材料属于蓄光性无机颜料，可以以1O 一25的比例掺人不同材质中，其主要特点是每次吸收普通光线两小时后发出强江，持续发光14小时，无毒害无放射性，而耐1200`C高温，价格低廉。近年来，以超长余辉夜光粉作为原料研究和开发新产品以及利用超长余辉夜光粉的防伪功能保护著名商标。成为众多科研单位和经营者的有力手段，这一点从中国专利局的馆藏文献中可得到证明。致力于特种发光材料的研究和开发有着广阔的市场前景和应用前景，其发展历程必然将由原来的旧配方、老工艺、高成本生产逐步转化为新配方和先进的生产工艺，以至投资降低，成本降低，且产品性能提高销售价格合理，市场竞争力加强。特种发光材料生产必将成为一支独立的行业新军，在国民经济建设中发挥积极的作用。

光色材料和热色材料作为一种色性材料, 有着其独特的地位及广阔的应用前景。而无机色性材料由于易于合成, 可逆性好, 耐侯性强, 成本低廉, 起着有机色性材料不可替代的作用。其变色机理及合成的研究正在得到人们的普遍重视。目前的几个研究趋势值得注意：一是如何提高这两种色性材料的应答灵敏度, 能够人为控制所制得的色性材料应答时间、变色温度及其它特性。二是如何开发出性能优异的无银或微银的色性材料, 以满足大工业生产的紧迫需要, 例如如何才能生产出市场迫切需要的低成本大平面的平板变色玻璃。三是如何进一步开发出具备实用价值的新型色性材料, 譬如热色广告板, 儿童玩具等四是如何将无机色性材料与高分子材料结合起来使用, 制造出具有特殊用途的功能材料。

随着技术的进一步完善，随着人们对光学材料认识的不断深入，光学材料必将在市场上开辟出一片更广阔的天地。