1、第六章材料光學性能分析一、教學目的理解并掌握各光學性能、光譜的概念，掌握各光譜儀的測試方法和光譜分析方法。了解光譜儀的結構和測試原理。二、重點、難點重點：固體發光原理、熒光光譜測試技術。難點：熒光光譜測試技術。三、教學手段多媒體教學四、學時分配6學時第一節透射光譜和吸收光譜材料的光學性能主要包括對光的折射、反射、吸收、透射以及發光等諸多方面，光學性能與材料的某些應用領域密切相關，比如用作反射鏡、光導纖維窗口、透鏡、棱鏡、濾光鏡、激光探測器件等。鑒于篇幅，本章著重介紹折射率、色散、透過、吸收以及激發、發射、亮度、效率等發光性能的測試。一、基本概念光作為一種能量流，在穿過介質時，能引起介質的價電子

2、躍遷或影響原子的振動而消耗能量。即使在對光不發生散射的透明介質如玻璃或水溶液中，光也會有能量的損失，即光的吸收。1.吸收光譜設有一厚度為x平板材料，入射光強度設為I0，通過此材料后光強度為I。選取其中一薄層，并認為光通過此薄層的吸收損失-dI正比于此處光強度I 和薄層厚度dx，即:則可得到光強度隨厚度呈指數衰減規律，即朗伯特定律：為物質對光的吸收系數，單位為cm-1。的大小取決于材料的性質和光的波長。對于相同波長的光波，越大，光被吸收得越多，能透過的光強度就越小。隨入射光波長(或頻率)變化的曲線，叫作吸收光譜。2.透射光譜透光性是表征材料被光穿透能力的高低，透光性的好壞可用透過率指標T來衡量。

3、透過率T是指光通過材料后，透過光強度占入射光強度的百分比。剩余光強度應是從初始入射光強度I0中扣除造成光能衰減的表面上的反射損失、試樣中的散射損失和吸收損失等。一般地，反射、吸收和透過的關系可用下式表示：T透過率；R反射系數；吸收系數；d試樣厚度，單位cm。透過率T隨波長變化的曲線即稱為透射光譜曲線。Ø 透射光譜曲線可用分光光度計來測定。Ø 光強的大小用光透過試樣照到光電管上產生的電流的大小來表示。Ø 某個波長的光通過空氣（作為空白樣）后的光強設為I0，再通過一定厚度的試樣后的光強設為I，即可通過I/ I0得到針對該波長的透過率T，如此依次測得其他各波長的透過率就

4、可得到透過率T隨波長變化的透射光譜。二、光譜測試1.測試儀器：分光光度計圖6-1 721型分光光度計的光學系統示意圖1光源 2, 8聚光透鏡 3反射鏡 4狹縫 5, 12保護玻璃 6準直鏡 7色散棱鏡 9比色皿 10玻璃試樣 11光門 13光電管2.透射光譜測試由光源發出的連續輻射光線，經過聚光透鏡匯聚到反射鏡，轉角90°反射至狹縫內。由此入射到單色器內準直鏡的焦面上，被反射后，以一束平行光射向色散棱鏡（棱鏡背面鍍鋁），光在棱鏡中色散，入射角在最小偏角時，入射光在鋁面上反射后按原路返回至準直鏡，再反射回狹縫，經聚光透鏡再次聚光后進入比色皿中，透過試樣到光電管。光電管所產生的電流大小表

5、示試樣的透過率，直接從微安表讀出，從而可得T曲線，即透射光譜。圖6-2 ZnSe晶體的透過率曲線3吸收光譜測試若試樣為粉末狀，精確測量粉末試樣的吸收光譜存在很大困難，由于粉末層足夠厚時，透射很少，可以忽略，光在粉末中通過無數次折射和反射，最后不是被吸收就是折回到入射那一側，因此通常通過測試其反射光譜來粗略地估計他們對光的吸收。R為被測材料的反射系數，可以認為散射、透射很小，則吸收系數近似等于（1-R），這樣，就可以通過測量材料表面對各波長入射光的反射率來確定其吸收光譜。圖6-3 Cr3+: Al2O3透明陶瓷的室溫吸收光譜第二節 熒光材料的光譜特性一、激發光譜與發射光譜1.激發光譜與發射光譜概

6、念發光材料的發射光譜（也稱發光光譜）是指發光的能量按波長或頻率的分布。由于發光的絕對能量不易測量，通常實驗測量的都是發光的相對能量，因此在發光光譜圖中，橫坐標為波長（或頻率），縱坐標為單位波長間隔（或單位頻率間隔）里的相對能量（相對強度）。激發光譜是指發光的某一譜線或譜帶的強度隨激發光波長（或頻率）變化的曲線，橫軸代表激發光波長，縱軸代表發光的強弱。發光材料在指定方向的單位立體角內所發出的光通量稱為發光材料在該方向的發光強度，簡稱光強，單位為坎德拉（cd）。2.激發光譜與發射光譜測試發光光譜和激發光譜通常使用熒光分光光度計測量。光源多選用氙燈。激發單色儀用于選擇激發光源的波長和調節激發光源的發

7、射能量。發射單色儀用來測量材料發光的波長，精度比激發單色儀高。所使用的光電倍增管要求其波長響應范圍寬、靈敏度高。由光源發出的光，通過激發單色儀后變成單色光，而后照在熒光池中的被測樣品上，由此激發出的熒光被發射單色儀收集后，經單色器色散成單色光而照射在光電倍增管上轉換成相應的電信號，再經放大器放大反饋進入A/D轉換單元，將模擬電信號轉換成相應的數字信號，并通過顯示器或打印機顯示記錄下被測樣品的譜圖。以上就是熒光分光光度計的基本工作原理。熒光分光光度計的工作原理如所示：激發單色器熒 光 池發射單色器光電倍增管放 大 器A / D計算機控制和數據處理系統光源 打 印 機 顯 示 器圖6-4熒光分光光

8、度計工作原理圖二、亮度1.概念亮度：發光材料在指定方向上的單位投影面、單位立體角中發射的光通量稱為發光材料在該方向的亮度。單位：cd/m2。光通量：發光材料的輻射通量對人眼引起的視覺強度稱為光通量，單位為流明（lm）。光通量實質上就是用眼睛來衡量光的輻射通量。輻射通量：光材料在單位時間內所輻射的能量。單位：W2.亮度測量圖6-5亮度計原理示意圖圖中，O物鏡，P帶孔反射板，H小孔，F濾光片，D探測器，FD的組合使D的光譜靈敏度和人眼視覺函數V（）一致。I/V交換器，A放大器，R顯示器。圖的上部由反射鏡P和目鏡系統E組成，用于觀察和對準被測目標。表6-1國內外幾種亮度計的主要性能指標三、余輝特性（

9、1）光致發光材料在激發光停止后，仍可持續發光，但發光強度逐漸減弱，直到完全消失，這一過程就是發光衰減。激發停止后所持續發出的光稱為余輝。（2）余輝持續的時間稱為余輝時間。習慣上，把激發停止后發光亮度降至人眼可辨認最小值（0.32mcd/m2）的這段時間稱為余輝時間。（3）光致發光材料都具有余輝特性，只不過是衰減快慢、余輝長短不同而已，甚至差別很大。發光衰減特性可以用余輝衰減曲線表示。余輝衰減曲線是指激發停止后發光強度（或相對強度）隨時間變化的曲線。發光衰減特性若發光衰減是指數式，表示：式中B是激發停止后t時間的發光亮度；B0是t=0時的發光亮度；a是一常數。若發光是雙曲線式的衰減，表示：其中a

10、、b是常數，a2。余輝衰減曲線表示：橫軸為時間，縱軸為相對發光亮度。激發作用剛停止時的時間為零、亮度最大，隨時間延長亮度逐漸降為零。直觀，較為常用。目前文獻中所給出的余輝時間數據，多是指激發停止后發光亮度下降到起始發光亮度10所經過的時間。激發停止后發光強度隨時間變化的曲線。橫坐標為時間，縱坐標為發光強度(或相對發光強度)。圖6-6綠色長余輝材料SrAl2O4:Eu2+,Dy3+ 的余輝衰減曲線根據余輝時間的長短，可對發光材料進行以下分類：極長余輝余輝時間大于1秒；長余輝余輝時間小于1秒大于10-1秒；中余輝余輝時間小于10-1秒大于10-3秒；短余輝余輝時間小于10-3秒大于10-6秒；超短

11、余輝余輝時間小于10-6秒。長余輝發光材料余輝時間的測量比起短余輝材料要簡單、容易得多，其測試裝置由激發光源、樣品盤、亮度計、數據處理系統等組成。圖6-18是藍色長余輝材料CaAl2Si2O8:Eu2+的余輝衰減曲線。由圖可知：衰減曲線由三個衰減壽命組成，并且它們之間相差較大，可能來自三個不同能級之間的躍遷，從而證明材料中至少存在三個不同Eu2+的發光中心12。圖6-18 CaAl2Si2O8:Eu2+的余輝衰減及擬合曲線四、發光效率發光材料的發光效率通常有三種表示方法：即量子效率，能量效率（或功率效率）和流明效率（或光度效率）。量子效率是指發光材料發射的光子數N發光與激發時吸收的光子數N吸收

12、之比，即：（6-20）但我們知道，一般總有能量損失，激發光光子的能量通常大于發射光光子的能量，尤其是當激發光波長比發光波長短很多時，這種能量損失（斯托克斯損失）會很大。然而量子效率不能反映發光材料在被激發和發光過程中的能量損失，比如用254nm紫外光激發某一發光材料產生550nm的綠色可見光發射，該過程的量子效率可高達90%以上，但是激發能量卻相應損失50%以上。為此要引入能量效率定義。能量效率是指發光材料發光的能量與吸收的能量之比，即：（6-21）作為發光材料或發光器件發出的光來說，總是作用于人眼的。人的眼睛只能感覺到可見光，而且在可見光范圍內，對于不同波長的光的敏感程度也是差別極大的。人眼

13、對不同波長的光的反應可用光譜光效能K()表征，K()表示在某一波長的單位功率可產生多少流明的光通量。在可見光光譜范圍內，K()隨波長變化而變化。人眼在幾個尼特（cd/m2）以上的強光環境下的亮適應所形成的視覺稱為明視覺，在百分之幾尼特的弱光環境下的暗適應所形成的視覺稱為暗視覺。在明視覺條件下，經過實驗測試人眼對波長為555nm的黃綠光最敏感，即=555nm時K()達到最大值，可用Km表示。對Km值進行歸一化，其他波長的K()與Km之比值V()就稱為視見函數。在暗視覺條件下，人眼對波長為507nm的綠光最敏感。不同波長光波的視覺顏色對人眼的視見函數的明視曲線和暗視曲線如圖6-19所示。圖6-19

14、人眼視見函數的明視曲線和暗視曲線（A明視曲線；B暗視曲線）顯然，能量效率很高的發光材料發出的光，人眼看起來不見得很亮。因此，用人眼來衡量某一發光材料的發光效果時，就必須引進另一個發光效率定義，即流明效率。流明效率是指發光材料發射的光通量L（以流明為單位）與吸收的總功率之比，即：（6-22）對于光致發光來說，如果激發光是單色或接近單色的，波長為吸收，發射光也是單色或接近單色的, 波長為發射, 則能量效率和量子效率之間的關系可推導如下：對于大多數光致發光材料（上轉換發光材料除外）來說，吸收發射，由上式可知，能量效率要比量子效率低。下面介紹一種發光材料能量效率的測試方法。直接測量粉末發光材料的吸收能

15、量，在實驗技術上是無法做到的，通常是通過測量反射能量的方法，來得到吸收能量值。圖6-20是測量能量效率的實驗裝置示意圖13。圖6-20 測量能量效率的實驗裝置示意圖由激發光源發出的光經單色儀分光后，分出所需要的激發光，照射到樣品盤位置的 MgO標準白板，由MgO標準白板反射的激發光到光電倍增管和檢流計，可測出光電流I0值。I0與激發光能量E激發成正比。給定波長激發光照射光電倍增管對應的光譜靈敏度用K表示，給定波長的MgO反射值用RMgO表示, 則激發光能量E激發為：（6-23）以材料的吸收系數K吸收乘上激發光能量E激發，就可得出吸收的激發光能量E吸收，即（6-24）為了測量發光能量，將樣品盤位

16、置上的MgO白板，換上待測發光材料，經同一波長激發光照射后，測出檢流計上的讀數I1，I1包括兩部分光電流：由材料發光所引起的I1和沒有被發光材料吸收的那部分激發光（即反射的激發光）的光電流I1"，即I1= I1+ I1"（6-25）I1= I1- I1"（6-26） I1"可用發光材料的反射系數R反射乘上I0表示，于是：I1= I1 - I0·R反射（6-27）以系數A乘上發光材料的發光所引起的光電流值I1，就是材料的發光能量E發光，即E發光=A·I1（6-28）上式中的A值由發光材料的發射光譜分布和光電倍增管的光譜靈敏度確定：（6-

17、29）式中，I為給定波長的發光強度；K為光電倍增管的光譜靈敏度系數。上述各參數測出后，即可求得待測發光材料的能量效率：（6-30）如前所述，量子效率與能量效率的關系式為：則由測得的即可求出量子效率。由或的公式可知，影響能量效率或量子效率精度的主要因素是對各參數的準確測量，另外與測試方法、測試技術也有密切關系。由此可知，測試材料的發光效率比較復雜，對于已開發應用的發光材料來說，可采用與具有同一組分的標樣進行對比測試的方法，來測定其發光效率。這里所指的標樣不僅要和待測材料樣品具有相同組分、相同發光光譜，而且其發光效率（能量或量子）已經過標準計量單位進行標定。所用的測量裝置和相對發光亮度測試儀相同，

18、在相同的測試條件下（光源的激發條件及材料位置不變），分別測出標樣和待測樣的光電流值I0、I1，則待測樣的量子效率應等于：（6-31）五、光通量前面已提過，發光材料在單位時間內所輻射的能量稱為輻射通量，單位為W。發光材料的輻射通量對人眼引起的視覺強度稱為光通量，單位為流明（lm）。光通量實質上就是用眼睛來衡量光的輻射通量。隨著稀土三基色熒光粉的產業化和電子鎮流器的完善，一種電子一體化緊湊型照明在市場上開始顯示優越性。因此，關于這類燈的總光通量測量技術和方法就顯得特別重要，下面介紹照度計法測緊湊型熒光燈總光通量的測試方法14。自緊湊型熒光燈（CFL）問世以來，出現了諸多類型的CFL，目的不外是提高

19、緊湊程度和增大功率，以便在更大范圍內更多地取代白熾燈。因此，CFL的線度和體積都應接近白熾燈。正是基于這種考慮，CFL總光通量的測量就沿用了白熾燈總光通量測量的設備和方法，即利用球形光度計測量其總光通量。實際使用的積分球應滿足如下要求：（1）球體。球體應采用不易變形、不易受環境影響的材料制成；球的內表面應圓滑，力求各處曲率半徑都相等；球的密閉性要好，不允許有漏光現象。（2）窗口。為了便于測量照度，常常在球的赤道上開一小圓孔作為窗口，其直徑不宜過大，以2040mm為宜。圓孔上鑲一片雙面毛玻璃，毛玻璃向球內的一面應與球內壁一致，不得突出或縮進。（3）燈的安裝。為了減少測量誤差，標準燈（白熾燈）和待

20、測燈（CFL）都分別裝在球心位置。燈的供電線和支架應盡量減少體積和件數。（4）擋屏。為了能測得球壁多次反射光建立的照度，必須在球心和窗口之間加一擋屏，擋住燈射向窗口的直射光。擋屏的中心在球心與窗口中心的連線上，離球心1/31/2球半徑的位置均可。擋屏面與連線垂直。擋屏的大小以能擋住燈的直射光為宜，不能過大。（5）球的內壁涂料。積分球內壁的表面狀態對其漫反射特性和光譜選擇性有很大影響，因此內壁涂料的選擇十分重要。其中以硫酸鋇配成的涂料較常用，它的優點是化學穩定性好，不易變色和玷污，使用時間較長。其光譜選擇性也較小。涂料的配比見表6-5。表6-5 積分球內壁涂層配方藥品名稱質量比底層中層表層硫酸鋇

21、100100100聚乙烯醇421蒸餾水200200200為了檢驗內壁涂層的漫反射特性，在與窗口相對的球壁上開一小口，安裝涂料樣板，與整個球內壁一起噴涂。噴涂層厚度約0.51mm。（6）測光系統。測光系統裝在窗口外側，通常由快門、可變光闌、中性減光片、V()修正濾光片、光電探測器及示數儀表等組成。可變光闌用于讀數的微調。中性減光片用于大范圍調節讀數。近年來，多采用硅光電池作探測器，粗調和微調都可在光電流的測量線路上實現，因此簡化了測光系統的結構，測量操作更為方便。由于測光系統裝在積分球之外，實際測量的是窗口毛玻璃的亮度，而它的亮度與向球內的一面上的照度成正比，因此所測得的讀數也與球壁的反射照度成比例了。圖6-21是球形光度計的示意圖。圖6-21球形光度計示意圖（7）用球形光度計測CFL總光通量測量前，球內點燃一支適當功率的白熾燈烘烤球內壁，除去潮氣，使球壁的反射比穩定，同