光学材料的研究现状及应用

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发光材料已成为人们日常生活中不可缺少的材料 , 被广泛地用在各种显示、 照明与医疗等领域,如电视屏幕、电脑显示器、X射线透射仪等，显微镜、望远镜、 经纬仪、摄像机等各种光学仪器 , 核心部分都就是由光学材料制造的光学零件。 目前发光材料主要就是无机发光材料 , 从形态上分 , 有粉末状多晶、薄膜与单晶 等。 一、 引言

光充满着整个宇宙 , 各种星体都在发光 : 远红外光、红外光、可见光、紫外光 , 以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星 光。要利用光 , 就要创造工具 , 就要有制造工具的材料—光学材料。

自然中存在一些天然光学材料 : 我国的夜明珠、 发光壁; 印度的蛇眼石、 叙利 亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象 , 能在无光环境下放出各种色泽 的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有 , 被视为人间珍宝 , 成为权力与财富的象征。 春秋战国时期 ,墨子就研究光的传播规律 ,出现了最古老的光学材料—青铜反光 镜。 17 世纪,瑞士人纪南熔制出光学玻璃 ,主要用于天文望远镜 ;随后,欧洲出现 了望远镜与三色棱镜 , 人造光学玻璃成为主要光学材料。 20 世纪初 , 以望远镜、 显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体 , 建立了光学工业。

光学材料就是传输光线的材料 , 这些材料以折射、 反射与透射的方式 , 改变光 线的方向、强度与位相 ,使光线按预定要求与路径传输 ,也可吸收或透过一定波长 范围的光线而改变光线的光谱成分。

光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料与光色材料等。 二、研究现状及主要应用领域

1、发光材料 发光就是物质将某种方式吸收的能量转化为光向外辐射的过程 , 就是热辐射 外另一种能量辐射现象。光子就是电子在受激高能态返回低能态时发出的 , 当发 出光子能量在 1、 8-3 、 1eV 时, 便就是可见光。而材料发光所需能量可从较高能 量的电磁辐射 （如紫外光）中得到,也可从高能电子或热能、机械能与化学能中得 到。

发光材料就是指吸收光照 , 然后转化为光的材料。发光材料的晶格要具有结 构缺陷或杂质缺陷 , 材料才具有发光性能。结构缺陷就是晶格间的空位等晶格缺 陷,由

其引起的发光称为自激活发光 , 所以制备发光材料采用合适的基质十分重 要。如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格中形成杂质缺陷 , 由其引起 的发光叫激活发光 ,掺入的微量杂质一般都充当发光中心 , 称为激活剂。我们实际 应用的发光材料大多就是激活型发光材料。

根据发光类型 , 可以把发光材料分为光致发光材料、阴极射线发光材料、电 致发光材料、 X 射线发光材料、发光二极管等。

1、1 光致发光材料

发光就就是物质内部以某种方式吸收能量以后 , 以热辐射以外的光辐射形式 发射出多余的能量的过程。用光激发材料而产生的发光现象 , 称为光致发光。光 致发光材料一个主要的应用领域就是照明光源 , 包括低压汞灯、高压汞灯、彩色 荧光灯、三基色灯与紫外灯等。 其另一个重要的应用领域就是等离子体显示。 光 致发光粉就是制作发光油墨、发光涂料、发光塑料、发光印花浆的理想材料。光 致发光材料在安全方面上的应用就是其最为普遍的。在安全方面 , 光致发光材料 可用作安全出口指示标记、撤离标记等。其次用光致发光材料制作精美产品 料进行装饰印刷。

1、2 阴极射线发光材料 阴极射线发光就是在真空中从阴极出来的电子经加速后轰击荧光屏所发出 的光。所以发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。 又由于电子的能量在几千 电子伏以上，所以除发光以外，还产生X射线。X射线对人体有害，因而在显示屏 的玻璃中常添加一些重金属 （ 如 Pb）, 以吸收在电子轰击下荧光屏所产生的 X 射 线。阴极射线发光就是继发光二极管、 无机电致发光、 有机电致发光之后的第四 种发光形式。这就是一类在阴极射线激发下能发光的材料。用电子束激发时 ,其 电子能量通常在几千电子伏特以上甚至几万电子伏特 , 而光致发光时 ,紫外线光 子能量仅 5-6eV 甚至更低 , 而光致发光材料在电子束激发下都能发光 , 甚至有些 材料没有光致发光 , 但却有阴极射线发光。

阴极射线发光材料一般用于电子束管用荧光粉 , 它就是发光材料中产量仅次 于灯用荧光粉的一种产量较大的荧光粉。它除用于电视、雷达、示波器、计算机 终端显示的荧光屏之外 , 还用于商用机器、光学字体辨认、照相排版、医学电子 仪器、飞机驾驶舱表盘等。

1、3 电致发光材料

电致发光（电场发光,EL）就是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的 现象,也就就是电能转换为光能的现象，在消费品生产中有时被称为冷光。具有这 种性能的物质可作为一种电控发光器件。一般它们就是固体元件，具有响应速度 快、亮

, 一

些不属安全标志的产品 ,T 恤衫、宣传品、儿童玩具、小标签等可以利用光致发 光材

度高、视角广的特点，同时又具有易加工的特点，可制成薄型的、平面的、 甚至就是柔性的发光器件。目前电致发光的研究方向主要为有机材料的应用。

商业领域：主要应用在POS^与ATM叽、复印机、自动售货机、游戏机、公 用电话亭、加油站、打卡机、门禁系统、电子秤等产品与设备的显示屏。

消费类电子产品：主要应用有装饰用品（软屏）与灯具、各类音响设备、计算 器、数码相机、数码摄像机、便携式 DVD便携式电视机、电子钟表、掌上游戏 机、各种家用电器（OLED电视）等产品的显示屏。

工业应用场合：主要应用有各类仪器仪表、手持设备等的显示屏。

通信领域;主要应用有3G手机、各类可视对讲系统（可视电话）、移动网络终 端、e-book（电子图书）等产品的显示屏。

交通领域:主要应用有GPS车载音响、车载电话、飞机仪表与设备等各种 指示标志性的显示屏。如微显示器，这种技术最早用于战斗机飞行员，现在的穿戴 式电脑也用它。有了它，移动设备就不再受显示器体积大、耗电多的。

1、4发光二极管材料

发光二极管就是辐射光的半导体二极管，施加正向电压时，通过pn结分别把 n区电子注入p区,p区空穴注入n区,电子与空穴复合发光，把电能直接转换成光 能。

发光二极管与器件已实现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色的生产与应用， 并拓展到近红外与近紫外范围，如发红光的GaAsP发绿光的Gap等。发光二极管 的发光效率也提高上千倍。使用 GaN基材料的二极管，可发出高亮度的白光，在 20mA勺电流下,发光强度达到2Cd,能作为强光源使用。

发光二极管也可做成指示器与数字显示器，用于计算机、广告、家用电器、 车辆、交通信号等仪器仪表的显示中。

1、5 X射线激发发光材料

在X射线照射下，发光材料可发生康普顿效应，也可吸收X射线,它们都可产 生高速光电子。光电子又经过非弹性碰撞，产生下一代电子。当这些电子的能量 接近发光跃迁所需能量时，就可发出光。

X射线发光材料可使X光转换为可见光，并显示成像。它可将X射线透过人 体或物体后所形成的 X射线潜像转换成可见图像，既可用肉眼观察，也可用胶片 照相,还可用光电器件将它转换成电信号后再处理。主要用于 X射线远视及照相 还有由X射线像增强器与电视组成的 X射线显示系统,X射线扫描及计算机配合 组成断层分析系统也就就是常说的CT系统。

2、 红外光学材料

红外材料就是指能透过红外线，并对不同波长红外线具有不同透光率、折射 率及色散的材料。红晶体及半导体晶体。 红外材料的用途、红外光学材料主要 应用于

以下方面：

辐射测量、光谱辐射测量：如非接触温度测量、农业、渔业、地面勘察，探测 焊接缺陷，微重力下热流过程研究；

对能量辐射物的搜索与跟踪，如宇航装置导航，火箭、飞机预警，遥控引爆管 等；

制造红外成像器件，夜视仪器、红外显微镜等；用于红外光学系统中的窗口、 整流罩、透镜棱镜、滤光片等，可用于军事上的伪装识别，半导体元件与集成电路 的质量检查等；

通信与遥控：宇宙飞船之间进行视频与音频传输，海洋、陆地、空中目标的距 离与速度测量，这种红外通信比其她通信（如无线电通讯）抗干扰性好，也不干扰 其她信息，保密性好，而且在大气中传杨，波长愈长，损耗衰减愈小外材料主要包 括碱卤化合物晶体、碱土 -卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐。

3、 固体激光材料

用一个光子去激发位于高能级的电子或离子 ，使之放出光子，受激发射产生 的光就就是激光。如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于激发状 态,再用外界光感应，使所有处于激发状态的原子与离子几乎同时产生受激辐射 而回到低能态，将发出具有强大能量密度的光束。

激光材料:激光系统最重要的就是激光工作物质，分为固体、液体与气体激光 工作物质。

固体激光器就是最重要的一种，不但激活离子密度大，振荡频带宽，能产生谱 线窄的光脉冲.而且具有良好的机械性能与稳定的化学性能。

晶体激光材料：绝大部分激光晶体就是含激活离子的荧光晶体 ，按照晶体组 成可分为掺杂型激光晶体与自激活激光晶体两类 ，前者占现有激光晶体的绝大部 分。

红宝石激光器发射的波长为可见红光，很容易进行探测与定量测量，在激光 器的基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光全息技术、激光雷达与测距 方面有广泛应用。

半导体激光材料：受激辐射的激发方式主要有三种；光辐照、电子轰击与向 p-n结注入电子，其中pn结注入电子就是半导体产生激光的重要方式。

半导体激光器就是固体激光器中重要的一类 ，又称激光二级管，它就是利用 少数载流子注入产生受激发射的器件。

4、光色材料

材料受光照射着色 , 停止光照射后又可逆地褪色 , 这一特性称为材料的光色 现

象。具有光色现象的材料称为光色材料。 光学材料很重要的一个应用就就是光 学玻璃。

光色玻璃中含有卤化银的玻璃就是一种典型的光色材料。 它就是以普通的碱 金属硼硅酸盐玻璃的成分为基础，加入少量卤化银,如Agl、AgCI、AgBr或混合物 作为感光剂,再加入极微量的敏化剂（如As、Se Cu Sb的氧化物）制成。

光色玻璃的性能可根据需要进行调节。 改变光色玻璃中卤素离子的种类与含 量,可调节使光色玻璃由透明变暗所需辐照光的波长范围

，如仅含AgCI晶体的光

色玻璃的光谱灵敏范围为紫外光到紫光；如含AgCI与AgBr晶体,则其灵敏范围为 紫外光到蓝绿光区域。控制光色玻璃制备中的热处理温度与时间 , 可控制玻璃中 析出的卤化银颗粒大小 , 也可调节光色玻璃的光色性能。

三、讨论与展望 我国的发光材料经历了由进口——使用进口原料实现半国产化——研 制、生产——与国外同步发展 , 配方中普遍应用稀土的规模化生产四个阶段。 超长余辉夜光粉就是国内最先研制成功的特种发光材料 , 该材料属于蓄光性无机 颜料,可以以 1O 一 25 的比例掺人不同材质中 ,其主要特点就是每次吸收普通光 线两小时后发出强江,持续发光14小时,无毒害无放射性,而耐1200'C高温，价格 低廉。近年来 , 以超长余辉夜光粉作为原料研究与开发新产品以及利用超长余辉 夜光粉的防伪功能保护著名商标。成为众多科研单位与经营者的有力手段 , 这一 点从中国专利局的馆藏文献中可得到证明。 致力于特种发光材料的研究与开发有 着广阔的市场前景与应用前景 , 其发展历程必然将由原来的旧配方、老工艺、高 成本生产逐步转化为新配方与先进的生产工艺 ,以至投资降低 ,成本降低,且产品 性能提高销售价格合理 , 市场竞争力加强。特种发光材料生产必将成为一支 的行业新军 ,在国民经济建设中发挥积极的作用。

光色材料与热色材料作为一种色性材料 , 有着其独特的地位及广阔的应用 前景。而无机色性材料由于易于合成 , 可逆性好 , 耐侯性强 , 成本低廉 , 起着有 机色性材料不可替代的作用。其变色机理及合成的研究正在得到人们的普遍重 视。目前的几个研究趋势值得注意 : 一就是如何提高这两种色性材料的应答灵敏 度, 能够人为控制所制得的色性材料应答时间、 变色温度及其它特性。 二就是如 何开发出性能优异的无银或微银的色性材料 , 以满足大工业生产的紧迫需要 , 例如如何才能生产出市场迫切需要的低成本大平面的平板变色玻璃。 三就是如何 进一步开发出具备实用价值的新型色性材料 , 譬如热色广告板 , 儿童玩具等四 就是如何将无机色性材料与高分子材料结合起来使用 , 制造出具有特殊用途的 功能材料。

随着技术的进一步完善 , 随着人们对光学材料认识的不断深入 将在市场上开辟出一片更广阔的天地。

, 光学材料必