第五章 光学性能测试

q
nout nin
b) 功率效率：发光功率与吸收的光功率（或输入电功率）之比
p
Baidu Nhomakorabea
Pout Pin
c) 流明效率：发射的光通量吸收光功率（或输入电功率）之比
l
L Pin
四、荧光和磷光的应用 1) 作为一种定性和定量分析方法 特点： 灵敏度高。检测限比吸收光谱法低1~3个数量级； 线性范围宽； 选择性比吸收光谱法好。因为能产生紫外可见吸收的分子 不一定发射荧光或磷光； 应用范围不如吸收光谱法广，因为有的分子不发荧光。
二、光的色散 1) 正常色散
a) 同一材料波长越短折射率越大
b) 折射率随波长的变化率称为 色散率，波长越短色散率越大
c) 科希色散公式：
n
A
B
2
C
4
色散率 dn
d
2B
3
2) 反常色散
石英在红外区的反常色散
3) 全色散曲线
第四节 双折射和二向色性
一、双折射：折射率的各向异性
某些特殊方向不发生双折射， 这些方向称为晶体的光轴
2、光电发射第二定律 发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高而线性地增
大，而与入射光的光强无关。即光电子发射的能量关系符合爱 因斯坦方程：
hv=0.5me vmax2+ φO
式中 h 为普朗克恒量（ 6.626055 ± 0.0000040 × 10-34
J.s ）；v 为入射光频率；me 为光电子的质量；vmax 为出射光
波速v
T
根据麦克斯韦方程组，有 v c ，其中c 1
r r
0 0
r ,0和r , 0分别为介质和真空中的介电常数和磁导率
令n
r r，则
c v
n，n为折射率
2) 粒子性
能量 h，h 6.6261034 J gs
动量p h
第二节 光的折射和反射 一、折射定律和反射定律
折射和反射
1) 反射角 1' 1
) )
平行偏振光Rp
tg 2 ( tg 2 (
) )
当光线垂直入射时， 0
Rs
Rp
R
n2 n2
n1 n1
2
反射率随入射角的变化
3) 布儒斯特角
布儒斯特角tg B
n2 n1
光线以布儒斯特角入射时 反射光是完全偏振光
4) 透射率：T+R=1（忽略吸收）
三、反射及折射现象的应用 1) 透镜（凹透镜、凸透镜）
单色CRT
彩色CRT采用荫罩型结构，如下图所示。彩色CRT是通过红 (R)、绿(G)、蓝(B)三原色组合产生彩色视觉效果。
偏转磁轭
颈部
PCM
电子枪
阳极
提耳
防爆箍
金属覆层（AI膜）
RG B
荧光体
内部导电膜 地磁场屏蔽罩 框架
阴罩（选色电极） 屏幕玻璃
支持架
彩色CRT
荧光屏上的每一个像素由产生红(R)、绿(G)、蓝(B) 的三种荧光体组成，同时电子枪中设有3个阴极，分 别发射电子束，轰击对应的荧光体。为了防止每个 电子束轰击另外两个颜色的荧光体，在荧光面内侧 设有选色电极——荫罩。
光的吸收
2) 吸收光谱
金刚石的吸收光谱
石英的吸收光谱
3) 吸收光谱的测量：紫外-可见分光光度法的应用
根据郎伯-比尔定律有 A bc
a) 直接测定某一波长下的吸光度
b) 连续测定一段波长下的吸收光谱曲线， 协助分析有机物结构 c) 定量测定液体样品的浓度 d) 在药品、食品的分析；环境监测等方面的应用
包括阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、等离子显示板 （PDP ）、发光二极管（LED ）和半导体激光器。
一、阴极射线管（CRT）
1、基本结构与工作原理
单 色 CRT(cathode ray tube)的结构。主要由 4部分组成：圆锥形玻壳； 玻壳正面用于显示的荧 光屏；封入玻壳中发射 电子束用的电子枪系统； 位于玻壳之外控制电子 束偏转扫描的磁轭。
三、二向色性：吸收率的各向异性 也可用于制作偏振元件
第五节 光的发射
一、发光原理
1) 激发态的产生与失活
a) 分子的多重态
单重态：一个所有电子自旋都配 对的分子的电子状态。大多数有 机物分子的基态是单重态。当基 态一对电子中的一个被激发到较 高能级，其自旋方向不会立刻改 变，分子仍处于单重态。 三重态：有两个电子的自旋不配 对而平行的状态。激发三重态能 量较激发单重态低。
2) 作为发光器件的应用：照明器材和显示器
第六节 受激辐射和激光 一、受激辐射
A21为自发辐射系数 B12为受激吸收系数 B21为受激辐射系数
hv E2 E1
二、激活介质 实现粒子数反转的介质
红宝石的能级图
Nd3+:YAG的能级图
三、光学谐振腔：使受激辐射在频率、方向和偏振态上一致 1) 以两面反射镜实现光强的放大功能 2) 限制或选择光束的方向 3) 选择光的振荡频率 4) 实现激光束的输出
3) 固体激光器：常用过渡金属离子和稀土金属离子为 激活中心，多用于医科手术、光纤通信等。
4) 半导体激光器：利用III-V族、II-VI族化合物为发光材 料，如GaAs,InP,PbS等。多用于光纤通信、光盘读写、 激光打印、复印等。
第四章 热学性能作业题 1、试用杜隆-珀替理论计算室温(298K)时 MgO的摩尔热容 2、简述示差扫描量热法(DSC)的原理 3、简述热膨胀系数与比热容、熔点的关系 4、试解释金属的热导率大于非金属和绝缘
二、激励方式 1) 光致发光：以可见光将电子激发到高能态而致发光 2) 阴极射线发光：CRT显示器 3) 电致发光：LED显示器
三、发光性质 1) 发射光谱
线状光谱
连续光谱
2) 发光寿命：停止激发后能持续发光的时间
超短余辉时间荧光材料的性能
超长余辉时间荧光材料的性能和用途
3) 发光效率
a) 量子效率：发射光子数与吸收光子数（或电子数）之比
在荫罩型彩色CRT中，玻壳荧光屏的内面形成点状 红、绿、蓝三色荧光体，荧光面与单色CRT相同， 在其内侧均有AI膜金属覆层。在离荧光面一定距离 处设置荫罩。荫罩焊接在支持框架上，并通过显示 屏侧壁内面设置的紧固钉将荫罩固定在显示屏内侧。
2、CRT对荧光材料的性能要求： 发光颜色满足标准白色、发光效率高、余辉时间合适以 及寿命长等。
光电发射效应的几个规律。其中主要的基本定律和性质有： 1、光电发射第一定律
当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电 流 IK 与被阴极所吸收的光通量ΦK 成正比。即
IK = SK ΦK
式中SK 为表征光电发射灵敏度的系数。这个关系式看上去十分简 单，但却非常重要。因为它是用光电探测器进行光度测量、光电 转换的一个最重要的依据。
第五章 光学性能及测试方法
第一节 光学基本理论 一、光的本性
牛顿：粒子流说 惠更斯：波动说 麦克斯韦：电磁波理论 普朗克、爱因斯坦：光量子理论 德布罗意：物质波假说 狄拉克：电磁场量子理论
二、广义波谱
电磁波谱
三、光的描述
1) 波动性
电场E和磁场H，通常以 电场E来描述光矢量。
E E0 cos(2 t 0 ) E0为振幅，v为振动频率，0为初位相
电子的最大速率；φO 为光电阴极的逸出功。
3、光电发射第三定律 当光照射某一给定金属或某种物质时，无论光的强度如何，
如果入射光的频率小于这一金属的红限v o ，就不会产生光电子
发射。显然，在红限处光电子的初速应该为零，因此，金属的 红限为
v o = φo / h
第二节 光电转换器件
将电信号转换为光信号的器件称为光电转换器件 。
辐射跃迁：
荧光(F)：激发态的分子从第一激发单重态的最低振动能级回 到基态所发出的辐射，寿命为10-810-11s。由于是相同多重态 之间的跃迁，几率较大，速度大，速率常数kf为106~109s-1。
磷光(P)：从第一激发三重态的最低振动能级回到基态所发出 的辐射。由于磷光的产生伴随自旋多重态的改变，辐射速度 远小于荧光，磷光寿命为10-4 ~10s。
双折射现象
符合折射定律的为寻常光（o光），其振动方向垂直于主截面 （光轴与传播方向构成的平面） 不符折射定律的为非常光（e光），其振动方向平行于主截面
二、双折射的应用
1) 将自然光分解为偏振方向垂直的两束偏振光 2) 将自然光分解为两束偏振光后再除去一束的起偏-检偏元件 3) 用于滤波的双折射滤光器
体的原因
第五章 光学性能作业题
1、试举一例说明光的折射与反射现象的应用 2、以全色散曲线为例说明光介质的色散规律 3、简述激发态的失活途径 4、简述激光器的种类及应用
第六章光电信息材料简介
第一节 光电信息技术基础
一、能带理论
能带是现代物理学描写固体中原子外层电子运动的一种图象。 按照原子理论，原子中的电子只有占据某些能级，然而在晶格 中能级改变了，我们发现电子能在某些整个能带(见图1.1.1-2) 内运动，每一能带是与一个原子的能级相关联的。泡利不相容 原理限制能占有某个 nl 原子能级的电子数，同样这原理也限 制一个结晶格的能带内所能容纳的电子数。
3、CRT的特点与应用： 优点是采用的驱动电极最少，缺点是尺寸和重量太大、 驱动电压高。 主要应用于电视、计算机显示器、其他观测用显示器等
二、液晶显示器（LCD）
1、工作原理
a) 液晶：是指在某一温度范围内，从外观看属于具有流动性 的液体，但同时又是具有光学双折射性的晶体。
包含两种含义，一是指处于固体相与液体相中间状态的液晶 相，二是指具有上述液晶相的物质。
2) 折射角
sin 1 sin 2
n21
n21称为相对折射率
如第一介质为真空，则
sin 1 sin 2
n2，n2称为绝对折射率
n21
n2 n1
二、反射率和透射率
1) 光的偏振：垂直于入射面的分量S 平行于入射面的分量P
2) 反射率：反射光通量 与入射光通量之比
垂直偏振光Rs
sin2 ( sin2 (
b) 液晶材料的光学性质：
(1) 光的行进方向会偏向取向（分子长轴）的方向； (2) 偏光的状态及偏光的振动方向会发生变化； (3) 根据入射偏光的左、右旋光性，可使其反射或透 射。
x
入射直线 θ
n
偏光
偏光方向θ
θ= 0 θ= π/4 θ= π/2
z 液晶
y
在垂直偏振片间设置TN排列液晶盒的场合，基于电气光学 效应，TN型显示方式的原理。在这种情况下，不施加电压 时使光透过，而施加电压时使光遮断。在平行偏振片间， 这种光的透过或遮断关系是可逆的。目前广泛普及的LCD 的一种就是基于这种TN方式，在白的背景下可以显示黑， 在黑的背景下可以显示白。
b) 激发态的失活
无辐射跃迁：
振动弛豫(VR)：激发态分子由同一电子能级中的较高振 动能级转至较低振动能级的过程，其效率较高。
内转换(IC)：相同多重态的两个电子能级间，电子由 高能级回到低能级的分子内过程。
系间窜越(ISC)： 激发态分子的电子自旋发生倒转而 使分子的多重态发生变化的过程。
外转换(EC)：激发态分子与溶剂与其他溶质相互作用、能 量转换而使荧光（或磷光）减弱甚至消失的过程。荧光强 度的减弱或消失，称为荧光猝灭。
3p
3s
3s
2p
2p
2s
2s
未填满 填满
1s
原子能级
1s
结晶格能带
图1.1原子的能限和结晶格中的能带之比较
3p
空 带 3p
3s
半满带 3 s
2p
2p
2s
满带
2s
1s
1s
钠 (1s2 2s2 2p6 3s1 ) 晶体能带
图1.2导体内的能带
绝缘体能带
图1.3 绝缘体
导 带(空) 能隙较 大 价 带(满)
能隙较小
导 带(空) 价 带(满)
半导体能带
图1.4 半导体内的能带
能 隙 较小
导 带(空) 杂质能级 价 带(满)
图1.5 半导体中的杂质： (a) n 型
能隙较小
++ + +
图1.5 半导体中的杂质： (b) p 型
导带(空) 杂质能级 价带(满)
二、光电发射效应
物体受到光照后向外发射电子的现象称为外光电效应或称光电发 射效应，这种多发生于金属和金属氧化物。在光电器件中，光电 管、光电倍增管和某些光电器件都是建立在光电发射效应基础上 的。
四、激光振荡的条件 实现振荡的条件为:光的增益大于光的损耗
五、激光器简介
1) 气体激光器：He-Ne原子激光器、CO2分子激光器、 Ar+离子激光器，主要应用于大气检测、激光手术等
2) 液体激光器：已有机染料和稀土离子溶液为工作介 质，优点是可以产生从红外到紫外各种波长的激光， 用于高分辨光谱学研究和瞬态测量等。
2) 面镜（平面、球面） 3) 分束器件
4、 光纤 1) 全反射
临界角sin c
n2 n1
光纤材料：石英系玻璃、 多成分玻璃、 复合材料
2) 几种光导纤维的性能
第三节 光的吸收和色散 一、光的吸收
1) 朗伯-比尔定律 光强 I I0el 吸光度 A l 为吸收系数 C，为摩尔消光系数 此时A+T+R=1