无机非金属类功能材料简介

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1、第三章无机非金属类功能材料简介3.1.1概述材料的光学性质是光与材料的相互作用而使材料所表现出的特性。如果光与材料相互作用的光强较弱，场强的线性项起作用，光与材料的相互作用就产生各种线性光学效应。如吸收、反射、全反射、透射、折射、色散、散射以及各种现象中有关光偏振态改变的效应等。这种利用线性光学效应传输光线的材料为光学介质材料(opticalmediummaterials)。3.1光学材料简介★光学介质材料可以以折射、反射和透射的方式改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定的要求传输；也可以吸收或透过一定波长范围的光线而

2、改变光线的光谱成分。其主要性能参数有两个：光谱通过率和光学色散，即不同波长下的透过率和折射率。光学介质材料从形态及组成上可分为5类：光学玻璃、光学晶体、光学塑料、光学薄膜和光学纤维。3.1.2激光材料激光，又名镭射(LASER)，来源于经受激辐射引起光频放大的英文（LightAmplificationbyStimulatedRadiation的缩写。原意表示光的放大及其放大的方式，现在用作由特殊振荡器发出的品质好、具有特定频率的光波之意。光的产生总是和原子中电子的跃迁有关。假如原子处于高能态，然后跃迁到低能态，则它以辐射

3、形式发生能量。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作用，使原子转变到低能态同时产生第二个光子，这一过程称为受激发射。受激发射产生的光就是激光。*当光入射到由大量粒子所组成的系统时，光的吸收、自发辐射和受激辐射三个基本过程是同时存在的。在热平衡状态，高能级上的粒子数总是小于低能级上的粒子数，产生激光作用的必要条件是使原子或分子系统的两个能级之间实现粒子数反转。★固体激光器材料1．激活离子固体激光工作物质要在基质晶体中掺入适量的激活离子。激活离子的作用是在固体中提供亚稳态能级，由光泵作用激发振荡出一定波长的

4、激光。目前激活离子来自三价和二价的铁系、镧系和锕系元素。激光的波长是由激活离子的种类决定的。2．基质晶体基质晶体基本上有三类：1)氟化物晶体这类晶体熔点较低，易于生长单晶，是早期研究的激光晶体材料，如CaF2，BaF2，SrF2，LaF3，MgF2等。但是，它们大多要在低温下才能工作。所以现在较少应用。2)含氧金属酸化物晶体这类材料是较早研究的激光晶体材料之一，均以三价稀土离子为激活离子，如CaWO4，CaMnO4，LiNbO4，Ca(PO4)3F等。3)金属氧化物晶体这类晶体如Al2O3，Y3Al5O12，Er2O3，

5、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，应用较广，研制最多。掺杂时不需电荷补尝，但它们的熔点均高，制取优质单晶都较困难。红宝石是世界上第一台固体激光器的工作物质，它是由刚玉单晶(α-Al2O3)为基质，掺入Cr3+激活离子所组成的。红宝石的激光发射波长为可见光—红光的波。这一波长的光，不但为人眼可见，而且对于绝大多数的各种光敏材料和光电探测元件来说，都是易于进行探测和定量测量的。因此红宝石激光器在激光器基础研究、强光(非线性)光学研究、激光光谱学研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等方面都有

6、广泛的应用。3．红宝石激光晶体(Al2O3:Cr3+)4．钕钇铝石榴石激光晶体(YAG:Nd3+)激光工作物质是Y3Al5O12作为基质，Nd3+作为激发离子。具有良好的力学、热学和光学性能。军用激光测距仪和制导用激光照明器都采用钕钇铝石榴石激光器。这种激光器也是唯一能在常温下连续工作，且有较大功率的固体激光器。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。半导体激光器的基本结构极为简单，是半导体器件p—n结二极管，在电流正向流动时会引起激光振荡。5．半导体激光材料3.1.3光纤

7、材料1）结构和原理光导纤维由纤芯和包层两部分组成。芯子一般由高折射率的石英玻璃或多组分光学玻璃制成，包层由低折射率的玻璃或塑料制成。光在光导纤维中传播的基本原理是全反射。即创造条件使光通过两种不同媒质界面时没有折射只有反射。2）光导纤维的种类形成波导传输的纤维结构有阶跃型和梯度型两类。阶跃型光导纤维的芯子与包层间折射率是阶梯状的改变，入射光线在纤芯和包层的界面产生全反射，呈锯齿状曲折前进。梯度型光导纤维的纤芯折射率从中心轴线开始向径向逐渐减小(约以半径的二次方的反比例递减)，因此入射光线进入光纤后，偏离中心轴线的光将呈曲

8、线路径向中心集束传输。由于光束在梯度型光纤中传播对，形成周期性的会聚和发散，呈波浪式曲线前进，故梯度型光纤又称聚焦型光纤。*光导纤维种类繁多，按化学组成分为：石英玻璃光纤、卤化物光学纤维、硫系玻璃光纤和塑料光纤。按应用分为通信光纤和功能光纤。通信光纤是光导纤维最主要的应用领域，而功能光纤则是有开发前途的领域。在功能光