新型功能材料

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1、新型功能材料Advancedfunctionalmaterials序能源、信息和材料是现代文明的三大支柱，而材料又是一切技术发展的物质基础。功能材料就是在这一前提下发展起来的。而新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。本章我们主要介绍三种新型功能材料。即光学功能材料；电学功能材料：半导体、超导及热电、压电和铁电材料；功能转换材料。7.1光学功能材料7.1.1激光材料自第一台激光器诞生后，激光技术便成为一门新兴科学发展起来，并且激光的出现又大大促进了光学材料的发展。1.激光的产生及特点

2、激光的产生过程;当激光工作物质的粒子(原子或分子)吸收了外来能量后，就要从基态跃迁到不稳定的高能态，很快无辐射跃迁到一个亚稳态能级。粒子在亚稳态的寿命较长，所以粒子数目不断积累增加，这就是泵浦过程。当亚稳态粒子数大于基态粒子数，即实现粒子数反转分布，粒子就要跌落到基态并放出同一性质的光子，光子又激发其他粒子也跌落到基态，释放出新的光子，这样便起到了放大作用。如果光的放大在一个光谐振腔里反复作用，便构成光振荡，并发出强大的激光。激光的特点相干性好，所有发射的光具有相同的相位；单色性纯，因为光学共振腔被调谐到某一特定频率后，其他频率的光受到相消干涉；方向性好，光腔中不调制的偏离

3、轴向的辐射经过几次反射后被逸散掉；亮度高，激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点处的辐射亮度比普通光高108~1010倍。2.常用激光材料激光工作物质分为固体、液体和气体激光工作物质。它们构成的激光器中固体激光器是最重要的一种，它不但激活离子密度大，振荡频带宽并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。固体激光工作物质又分为晶体和玻璃两种。(1)激光晶体材料大多数激光晶体是含有激活离子的荧光晶体，按晶体的组成分类，它们可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类。然而，前者占了现有激光晶体的绝大部分。掺杂型激光晶体由激活离子+基质晶体两部分组成。一、激活离子主要有：

4、过渡族金属离子三价稀土离子二价稀土离子锕系离子常用的主要为前两类。近来，已开始进一步研究其他金属离子作为激活离子的可能性。二、基质晶体是指那些阳离子与激活离子半径、电负性接近、价态尽可能相同、物理化学性能稳定和能方便地生长出光学均匀性好的大尺寸晶体，主要有氧化物和复合氧化物、含氧金属酸化物、氟化物和复合氟化物三大类。自激活晶体当激活离子成为基质的一种组分时，就形成了所谓的自激活晶体。一般说提高效率的途径之一是提高激活离子浓度。但是激活离子浓度增加到一定程度时，会产生浓度猝灭效应。考虑能级间能量的电偶极交叉弛豫，高浓度自激活激光晶体的基本物理要求是，不存在通过共振交叉弛豫使亚

5、稳能级退激发的通道和激活离子间具有较大的间距。主要的自激活晶体材料晶体空间群最邻近的阳离子数波长/μm寿命/μs寿命比最大浓度/1021cm-3x=0.01x=1.0NdxLa1-xP5O14P21/c81.0513201152.783.9LiNdxLa1-xP4O12C2/c81.0483251352.414.4KNdxGd1-xP4O12P2181.0522751002.754.1NdxGd1-xAl3(BO3)4R3261.06450192.635.4NdxLa1-xNa5(WO4)4141/a8220852.592.6NdxLa1-xP3O9C22218375575

6、5.8CsNdxY1-xNaCl5Fm3m6410012303.333.2(2)激光玻璃尽管玻璃中激活离子的发光性能不如在晶体中好，但激光玻璃储能大，基质玻璃的性质可按要求在很大范围内变化，制造工艺成熟，容易获得光学均匀的、从直径为几微米的光纤到长达几微米的玻璃棒和几十厘米的玻璃板，以及价格便宜等特点，使激光玻璃在高功率光系统、纤维激光器和光放大器，以及其他重复频率不高的中小激光器中得到了广泛的应用，与激光晶体一起构成了固体激光材料的两大类，并得到了迅速的发展。激光玻璃中的激活离子和基质激活离子：由于配位场的作用，使基质玻璃中极大部分3d过渡金属离子实现激光的可能性较少，而

7、稀土离子由于5s和5p外层电子对4f电子的屏蔽作用，使它在玻璃中仍保持与自由离子相似的光谱特性，容易获得较窄的荧光，因此在激光玻璃中激活离子是以Nd3+离子为代表的三价稀土离子。基质：作为基质玻璃，最早的激光输出是在掺钕钡冕玻璃中实现的。表7.1-2列出了若干掺钕玻璃的荧光性质，在此基础上，并根据各种激光器对激光玻璃物理化学性质的要求以及制造工艺的可行性，研制出许多品种钕激光玻璃。若干掺钕玻璃的荧光性质基质玻璃荧光中心波长/μm荧光线宽/cm-1受激发射截面/10-21cm2辐射跃迁几率/s-1荧光分支比折射率nd