第1章-光学材料

材料物理性能第一章 (2)

在能源科学技术中的应用
i) 保温材料的优选和保温材料结构的优化设计。
ii) 远红外加热技术，以获得最佳的能量利用率。 iii) 太阳能的利用：要求尽可能多地吸收太阳辐射，
并且要最大限度地抑制集热器本身的热损。
在电子技术和计算机技术中的应用
i) 在超大规模集成电路（容量和密集度迅速增大）中，要求集成块的基底材料导热性能优良。
自由电子的贡献
CV CVl CVe T 3 T
点阵振动热容自由电子热容
常温下，自由电子热容微不足道高温和低温时，电子热容不能够忽略
合金成分的影响
合金的热容是每个组成元素热容与其质量百分比的乘积之和。
n
C X1C1 X 2C2 X nCn X iCi
无机材料的热容
高于D 时，趋于常数；低于D 时，与 T 3成正比与材料结构的关系不大相变时，热容出现了突变单位体积的热容与气孔率有关
Cp a bT cT 2
不同温度下某些陶瓷材料的热容
相变时，热容出现了突变。
金属材料的热容
➢ 自由电子对热容的贡献 ➢ 合金成分对热容的影响 ➢ 相变时的热容变化
电学、热学、磁学性能电学、光学性能电学、热学性能光学、热学、电学性能
课程内容
➢ 材料的热学、电学、磁学、光学等性能； ➢ 热学、电学、磁学、光学等现象的物理本质； ➢ 热学、电学、磁学、光学等性能的测量； ➢ 材料物理性能的工程意义及从理论上设计材料。
第一章材料的热学性能
热容热膨胀热传导热稳定性

3N

2

kT

e kT

2

第二章光学材料1.

光纤结构
光纤是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包层和护层组成。纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成细的圆柱体，其直径为 5 ～ 75μm。有时在主体材料中掺入极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层 ( 包层 )，包层可以是单层或多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在100～200μm范围内。包层材料一般为 SiO2 ，也有的掺入极微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。包层外面还更涂一些涂料，其作用是增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中不同的光纤。光缆是由多根光纤组成，并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。
第二章各种固体材料及其应用：光功能材料
固体材料中的光学常数
各种光功能材料ຫໍສະໝຸດ 体光学常数间的基本联系反射系数吸收系数光吸收的描述——复数介电常数
光学常数间的关系
参考《固体物理》，黄昆著
晶体的光吸收和光辐射过程
吸收边
10000
吸收系数/cm-1 100 10
本征吸收区
激子吸收
自由载流子吸收
晶格吸收
自由载流子吸收
杂质和磁缺吸陷收吸收
回旋共振吸收
10
1
0.1
0.01
h (eV )
1.本征吸收:价电子导带 2.激子吸收：电子－空穴束缚激发态
3.自由载流子吸收：电子、空穴的带内跃迁 4.晶格吸收：与晶格振动相联系的吸收，红外区段 5.杂质和缺陷吸收：与浅能级的杂质原子跃迁相关 6.磁吸收和回旋共振吸收：电子自旋反转、自旋波量子的激发。

第八章光学材料课件

2018/7/17
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：由受激发射的光放大产生的辐射。 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
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，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.

光学玻璃工艺[11](1)

按组成种类

玻璃没有特有的固定组成,通常按主要成分分成氧化物玻璃和非氧化物玻璃两大类。非氧化物玻璃的品种及数量均很少，主要有硫系玻璃和卤化物玻璃。氧化物玻璃有硅酸盐玻璃、硼硅酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、磷酸盐玻璃等。硅酸盐玻璃指基本成分为 SiO2的玻璃，是品种最多、用途最广的一类玻璃。按玻璃中SiO2含量和所含碱金属和碱土金属氧化物的不同，它可分为石英玻璃、高硅氧玻璃、钠钙硅酸盐玻璃、铅硅酸盐玻璃和铝硅酸盐玻璃等。

熔制普通玻璃的配合料在池窑、坩埚窑等玻璃窑内进行高温加热
形成均匀无气泡并符合成型要求的玻璃。此过程包括下列物理和化学变化阶段： ①硅酸盐形成。配合料加热到800～900℃，组分间相互反应生成硅酸盐和氧化硅为主的烧结物。 ②玻璃形成。当加热至1200℃时，开始出现液相,硅酸盐与氧化硅互溶,直至变为透明体，但仍存在较多气泡。 ③玻璃澄清。继续加热到1400～1500℃时，气泡全部排除。 ④玻璃均化。在高温排除气泡的同时，使玻璃液的化学组成也趋向于均一，其中的条纹也已基本消除。 ⑤冷却。玻璃液温度降至1200～1300℃时，玻璃液达到成型所具有的粘度。

制造方法：分熔融法和非熔融法两种。

熔融法传统的玻璃制造方法。生产过程为：原料预加工，配合料制备，熔制，成型，再经退火和后加工，即得成品。工业化生产普通玻璃多用熔融法。非熔融法分为凝胶法、气相沉积法和冲击波法等。 ①凝胶法：又称液相合成法。将玻璃组成的醇化物加入有机溶剂,混合成均匀溶液，经分解、蒸发制成凝胶,再将凝胶烧结成玻璃。此法可用于石英玻璃和硼酸盐等玻璃的制造。 ②气相沉积法：使气态物质在一固体表面进行化学反应，生成的固态沉积物即为玻璃。此法不会因熔制设备的杂质污染玻璃，因此可以得到杂质很低的高纯度玻璃，用于拉制光导纤维。但局限于用在制造含有能成气态的组成的玻璃。 ③冲击波法：用高能量的冲击波作用于晶体，使其产生大量缺陷，晶格极度变形而非晶态化，从而形成玻璃。此法还处于试验阶段。

第二章-光学材料2PPT课件

随后（ 1991年）Yablonovitch制成了具有完全禁带的三维光子晶体。该结构属金刚石结构，禁带频率从 13GHz 到 15GHz。
从此光子晶体成为一个迅速发展的科学领域。
.
12
光子晶体的制备方法
.
13
早期制作的三维光子晶体的工作频率多落在微波段。当工作波段向短波长推进时，实验制作则变得越来越困难。目前的实验技术还无法实现工作于远红外或光波段的金刚石结构。
光学界中的“半导体”
—— 新一代光电材料：光子晶体
.
1
控制光子的运动？？
在上个世纪，人类对材料性质的认识上升到了电子层次，半导体物理的进展达到了能够控制材料中的电子运动行为的水平，从而诞生了高速发展的电于工业和信息产业。
在过去的十年中，人们以控制材料中光传播为目标，受这一目标的强烈驱使，科学家转向了材料光学性质的探索，由此开辟了一个崭新的科学研究领域——光子晶体及其应用。
光子晶体的发现是光和电磁波传播与控制技术方面的一次革命，1999年，被《 Science 》评为年度十大科技成就之一。
.
2
内容提要
光子晶体的基本概念光子晶体的研究历史光子晶体的制备方法光子晶体的理论研究光子晶体的应用前景
.
3
光子晶体的基本概念
光子晶体的结构周期约为： 25-100nm
在介电系数呈周期性排列的材料中，电磁波在频谱上形成能隙，其色散关系具有带状结构，称为光子能带结构。具有光子能带结构的介电. 物质，称为光子晶体。4
光子晶体的基本概念
➢光子晶体: 人工晶体，由介电材料的周期排列而构成的。
➢光子晶体概念是由Yablonovitch和 John在 1987年各自独立地提出来的，它来自于 Maxwell方程与Schrodinger方程以及光子和电子类比。

浙大材料物理性能-光学性能第一节

第四章材料光学性能当光通过固体材料时，会发生透射、折射、反射、吸收、散射等现象，不同的材料具有不同的光学性能同时，在电、声、磁、热、压力等外场作用下，材料的光学性能会发生变化，或者在光的作用下其结构和性能会发生变化，如发光材料、激光材料、光导材料、磁光材料、非线性光学材料等1人们对光学性能以及在材料中发生的光学现象的研究和应用，已经有很长的历史了。

人类很早就认识到用光可以传递信息，2000多年前我国就有了用光传递远距离信息烽火台的设施—2等传递信息的方法后来出现了用灯光闪烁、旗语3以发明电话而著称的发明家贝尔（A. G. Bell，1847∼1922）也在光通信方面作过贡献，1880年，他利用太阳光作光源，用硒晶体作为光接收器件，成功地进行了光电米。

话的实验，通话距离最远达到了2134用大气作为传输介质，损耗很大，而且无法避免自然气象条件的影响和各种外界的干扰，最多只能传几百米远。

人们不得不寻求可以在封闭状态下传送光信号的办法低损耗石英光纤的出现，实现了大容量、高速、长距离、低成本的光信息传输现在不少发达国家又把光缆铺设到住宅前，实现了光纤到办公室、光纤到家庭56城市的绚丽灯光7地球夜景的卫星照片激光光束89短波发光与激光材料在许多领域有着广泛而重要的应用价值，例如高密度的数据存储、海底通信、大屏幕显示（需要蓝绿光构造全色显示）、检测及激光医疗等蓝色LED 和LD 的出现大大促进了高密度光学存储以及高分辨显示器、图象扫描仪、彩色打印机、生物医学诊断仪、遥感探测仪等的发展。

下图所示为蓝色发光二极管在紧凑、便携式发光显示器件中的应用10安装在美国时代广场的GaN 蓝光LED显示屏玻璃制品可以显示出各种各样的颜色1113第一节基本概论第二节折射和色散第三节反射和散射第四节吸收与颜色第五节其它光学现象、光学材料及其应用本章主要内容讨论与电磁辐射及其与固态材料相互作用相关的一些基本概念与原理从光折射、反射、吸收、透射、辐射等性质来探讨金属和非金属材料的光学性能，并从导体、半导体和绝缘体的电子能带结构出发，揭示它们在光的作用下表现出不同光学特性的本质对固体的发光、激光、非线性光学、光电转换等各种光学材料及其应用作一简要介绍第一节基本概念一、电磁辐射光的本质是什么？历史上有过很多争论。

材料研究方法第1章绪论

一、材料结构层次
按设备的分辨率划分宏观结构显微结构亚微观结构微观结构
以人眼的分辨率为界以光学显微镜的分辨率为界
以扫描电子显微镜的分辨率为界
材料结构层次划分及所用设备
结构层次宏观结构显微结构亚微观结构物体尺寸 > 100 m 0.2-100 m 10-200 nm 研究对象观测设备
材料研究方法
主讲人：于美燕
课程性质
本课程是一门实验方法课。
光学显微分析、 X 射线衍射分析、电子显微分析、热分析、光谱分析、核磁共振分析和质谱分析是现代材料研究的常用方法，是材料工作者的眼睛，对材料进行宏观上的性能测试和微观上的成分、结构、组织的表征。
教学目的
Why：了解研究材料结构、性能的重要性 What：掌握材料结构、性能的测试方法 How：了解影响材料测试、分析结果的仪器因素
料、信息、能源誉为现代文明的三大支柱，
同时把信息技术、生物技术和新型材料作为
新技术革命的重要标志。
材料科学的任务
使用、研究和制造材料
材料是人类文明的物质基础，每一种新材料的出现和使用，都伴随着生产力和科学技术的发展，标志着人类文明的进步。
石器时代
青铜器时代
铁器时代
蒸汽机时代
材料的种类
按化学状态分：金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料等。按使用用途分：建筑材料、包装材料、信息材料、生物医用材料等。
课程要求

掌握基本原理
了解常用的实验方法，能设计具体课题的检测方案，并制备样品

能分析各种照片和图谱，看懂文献中的相关内容
主要参考书

本课程以王培铭等主编的《材料研究方法》为基本教材，其它可参考下列教材：

材料性能学光学性能..

(W1 / W ) ( A1s / As ) 2 sin 2 (i r ) / sin 2 (i r ) (W1 / W ) // ( A1 p / A p ) 2 tan2 (i r ) / tan2 (i r )
自然光在各个方向振动机会均等，可以认为一半能量属于入射面平行的振动，另一半属于同入射面，所以总能流之比为： W1/W=1/2[sin2(i-r)/sin2(i+r)+tan2(i-r)/tan2(i+r)]
W1/W=[(n21-1)/(n21+1)]2=R 1－R为透射系数。光透过的界面越多，且材料的折射率相差越大，界面反射就越严重。
5、全反射当光从光密介质进入光疏介质时，折射角 r大于入射角I。当Байду номын сангаас为某值时，r可达到90,相当于光线平行于表面传播。；对于更大的I值，光线全部反射回光密介质。全反射的临界角为 sini临界＝1/n1 大于临界角，光线全反射，无折射能量损失。光纤通讯正是利用这个特性。
I=I0e-βx
光强度随介质厚度变化而不断衰减，这一规律称为 Lambert 定律。I0未初始光强，I未透射后的强度；x为材料厚度；β为吸收系数，单位为cm-1. 透射率为T=I/I0=e-βx,一般表示为T=(1-R)2 e-βx 不同材料的吸收系数有很大不同，空气一般为 10-5cm-1；玻璃为10-2cm-1；而金属达到几十万，所以金属实际上是不透明的。材料对可见光的吸收强弱取决于电磁波的波长。金属对可见光吸收强烈是因为金属中价电子处于未满带，吸收光子后为激活态，而不用跃迁到导带，在电磁波谱的可见光区内，金属和半导体的吸收系数都很大；对于电介质材料，吸收系数很小，这是因为电介质中的价电子是填满的，不能吸收可见光的能量而自由运动，而光子的能量不足以使价电子跃迁到导带，所以这一波谱吸收系数很小。吸收分为选择性吸收和均匀吸收。

功能材料概论9(光学材料)

红宝石激光器
• Nd：YAG激光器阈值比红宝石低，增益系数大，重复率可达每秒几百次，每次输出功率可达百兆瓦以上，用于军用激光测距和制导用激光照明等领域。
• 这种激光器是唯一能在常温下连续工作，且具有较大功率的激光器。
Nd：YAG激光器
4. 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p-n结注入电子是半导体产生激光的重要方式。
GaAs
半导体激光器的基本结构
8.2 光纤材料
• 8.2.1 光纤材料发展历程简介
从1876年发明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨/公里，有色金属的消耗实在是太大。 1929年和1930年，美国的哈纳尔和德国的拉姆先后拉制出石英光纤且用于光线和图像的短距离传输。此时的光纤波导的理论和应用技术进展相当缓慢，主要原因是当时光纤损耗太大，达到几百甚至一千多分贝/公里，这种光纤对通信是毫无用处的。
14
全息摄影亦称：“全息照相”，一种利用波的干涉记录被摄物体反射（或透射）光波中信息（振幅、相位）的照相技术。全息摄影是通过一束参考光和被摄物体上反射的光叠加在感光片上产生干涉条纹而成。全息摄影不仅记录被摄物体反射光波的振幅（强度），而且还记录反射光波的相对相位，因此得到的照片显得更加立体。
• 中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。
• 世界上第一台激光器的诞生，使激光技术成为一门新兴科学发展起来，在光学发展史上翻开了崭新的一页。激光的出现极大地促进了光学材料的发展，目前已有数百种新型激光工作物质。
• 1.自发辐射与受激辐射

非线性光学第一章

1965年，Bloembergen等人出版《Nonlinear Optical phenomena》一书，基本建立了以非线性介质极化和耦合波方程组为基础的非线性光学理论
2）非线性光学研究全面深入的20年（1971-1990）
发现新的非线性光学效应：四波混频、光克尔
展开各种非线性光学效应的应用研究：
线性光学
非线性光学
单束光在介质中传播，通过干涉、衍某一频率的入射光，可通过与介质的相
射、折射可以改变空间能量的分布和互作用转换成其它频率的光（如倍频），
传播方向，但与介质不发生能量的交还可以产生一系列在光谱上周期分布的
换，不改变光的频率
不同频率和光强（受激拉曼散射）
多束光在介质中交叉传播，不发生能量相互交换，不改变各自的频率
非线性科学（量子力学、相对论）
线性和非线性 (数学和物理上) 非线性科学，目前有六个主要研究领域，即：混沌 (Chaos) 孤子波（Soliton）分形（Fractal）模式形成（Pattern formation）元胞自动机（Cellular automata）复杂系统 (Complex system)
Stanford University Stanford, CA, USA
Collège de France; École Normale Supérieure Paris, France
National Institute of Standards and Technology Gaithersburg, MD, USA
4）非线性光学研究的未来发展趋势
非线性光学规律研究的发展
趋势
研究对象从稳态过程转向动态；所用光源从连续、宽脉冲转向纳秒、皮秒、飞秒甚至阿秒超短脉冲；从强光非线性研究到弱光非线性研究；从基态－激发态跃迁非线性光学研究转向激发态－更高激发态跃迁非线性光学研究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象；从二能级模型研究转向多能级模型；研究物质的尺度从宏观尺度（衍射光学），到介观（纳米）尺度（近场光学），再到微观尺度（量子光学）。