第5章-光学陶瓷

第五章光学陶瓷主要内容5.1透明陶瓷5.2激光材料5.3光纤材料5.4发光材料5.5光色材料5.6非线性光学材料5.5液晶材料前言利用材料的光学性能和各种不同的用途有关。其中比较重要的是那些用作窗口、透镜、棱镜、滤光镜、激光器、光导纤维等的以光学性能为主要功能的光学玻璃、晶体等。有些特殊用途的光学零件，例如高温窗口、高温透镜等，不宜采用玻璃材料，需采用透明陶瓷材料，例如成功地应用在高压钠灯灯管上的透明陶瓷。因为它需要能承受上千度的高温，以及钠蒸气的腐蚀，对它的主要光学性能要求是透光性。光的吸收与透过当物质的电子吸收光子全部的能量，从价带跃迁至导带时，光子将被吸收，该物质对所照射的光是不透明的；当物质的电子不能实现从价带向导带的跃迁，即电子被束缚而不能被光子激发，则光子可以透过，该物质对所照射的光是透明的βαI0透射束反射束吸收If=I0-I吸收-I反射在金属中，由于价带与导带是重叠的，它们之间没有能隙，因此，无论入射光子的能量hv多小，电子都可以吸收它而跃迁到一个新的能态上去。金属能吸收各种波长的光，因而是不透明的。对于多数绝缘体，由于在价带和导带间有大的能隙，电子不能获得足够的能量逃逸出价带，因此也就不发生吸收。如果光子不与材料中的缺陷有交互作用，则绝缘体就是透明的，如玻璃、高纯度的结晶陶瓷和无定形聚合物等。对半导体而言，因其能隙小于绝缘体，因此，在不同波长的光照射下，半导体可能允许某种光透过，也可能对某种光是不透明的5.1透明陶瓷1.透明陶瓷简介2.透明陶瓷的性质及应用3.透明陶瓷的种类4.影响透明陶瓷性能的主要因素1.简介所谓透明陶瓷就是能透过光线的陶瓷。通常陶瓷是不透明的，其原因是陶瓷材料内部含有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，使得光线几乎无法透过陶瓷体。选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。为了达到陶瓷的透光性，必须具备以下条件：致密度高(为理论密度的99.5%以上)晶界上不存在微气孔，或微气孔大小比光的波长小得多晶界没有杂质及玻璃相，或晶界的光学性质与微晶体之间差别很小；晶粒较小（0.4~0.8um）而且均匀，其中没有空隙；晶体对入射光的选择吸收很小；无光学各向异性，晶体的结构最好是立方晶系；表面光洁度高。获得高致密度和具有小而均匀的晶相2透明陶瓷的性质及应用透明陶瓷具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度等特性，又具有玻璃的光学性能。在光学、照明技术、高温技术、激光技术及特种仪器制造等领域具有特殊的用途。3.透明陶瓷的种类氧化物氧化铝氧化钇钇铝石榴石：（Y3Al5O12）氧氮化铝PLZT电光陶瓷MgO，CaO透明陶瓷非氧化物AlNZnSZnSeMgF2CaF2a氧化铝透明陶瓷氧化铝透明陶瓷是最早投入生产的透明陶瓷材料。这种透明陶瓷不仅能有效透过可见光和红外线，而且具有较高的热导率、较大的高温强度、良好的热稳定性和耐腐蚀性。主要应用于高压钠灯灯管、高温红外探测窗、高频绝缘材料及集成电路基片材料等。高压钠灯——“人造小太阳”1、钠蒸气放电会产生超过1000°的高温2、钠蒸气有强烈的腐蚀作用高压钠灯是一种高压钠蒸气放电灯，在钠蒸气放电过程中，由于钠原子极不稳定，在很短的时间(约为10-8秒)内把获得的动能以光的形式释放出来，而恢复到稳定的基态，这就是钠灯的发光原理。b氧化钇透明陶瓷由于氧化钇是立方晶系晶体，具有光学各向同性的性质，使得其具有优越的透光性能。氧化钇透明陶瓷在宽广的频率范围内，特别是在红外区中，具有很高的透光率。由于高的耐火度，可用作高温炉的观察窗以及作高温条件应用的透镜。此外，氧化钇透明陶瓷还可用于微波基板、红外发生器管、天线罩等。c钇铝石榴石透明陶瓷钇铝石榴石化学式Y3Al5O12（YAG），是一种优良的激光基质。主要应用于医学和高能物理领域。提高透明性和光输出率仍是研究的关键技术问题。唯一能在常温下连续工作、且有较大功率的激光器YAG：Nd3＋透明陶瓷YAG：Y3＋透明陶瓷获得了波长为1030nm、最大功率为268mW的连续激光输出。荧光信号的接收采用HAMAMATSUR5509272型(200～900nm)探测器,测量荧光光谱所用的激发光源是连续半导体激光器,激发波长为808nm。测量荧光寿命的激发光源为超短脉冲半导体激光器。d透明铁电陶瓷PLZT电光陶瓷是一种典型的透明铁电陶瓷，是掺镧的锆钛酸铅。这种材料具有较高的光透过率和电光效应，人工极化后还具有压电、光学双折射等特性。主要用于制作光调制器、光衰减器、光隔离器、光开关等光电器件，也可制成PLZT薄膜，在电光和光学方面具有较多的应用。e氮氧化铝陶瓷ALON是一种多晶体，并且完全是透明的，其晶粒大小为80～250微米。从外表看ALON板就像蓝宝石，可用于防弹衣中。在最近的试验中由几层ALON、玻璃和聚合物组成的双层中空玻璃出色地经受了从7.62毫米口径手枪连续射出的穿甲弹，同时双层中空玻璃的重量比普通防弹玻璃轻一半。特别耐磨损的超市条码扫描器窗口。价格贵ALON的低重量与高强度比产品的价格更为重要，它已经显示出其不可替代的优点。F其它Dy：CaF2CaF2陶瓷的透明度、折射率几乎和单晶CaF2的一致，并且首次在陶瓷介质中实现了激光震荡。目前，Dy2+：CaF2激光陶瓷技术已经很成熟。ZnSZnS是从20世纪60年代发展起来的红外窗口材料，目前已经相当成熟。从光学、热学和机械性能来看，ZnS是8～12um红外波段飞行器窗口非常合适的材料，但是ZnS的硬度低、抗雨蚀能力较差。另外，ZnS还具有良好的微波透过性能，它的介电常数为5.1，介质损耗为5x10-4，适合于红外与微波的复合材料4.陶瓷材料的透光性的主要影响因素：1.气孔率2.晶界结构3.原料与添加剂4.烧成气氛5.表面加工光洁度1）气孔率对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率。普通陶瓷即使具有很高的致密度，往往也不是透明的，这是因为其中有很多封闭的气孔。文献指出,总气孔率超过1%的氧化物陶瓷基本是不透明的，因为气孔的折射率非常低(约为1.0)，这些气孔在光线传播的过程中会使光线发生多次反射，从而大大降低材料的透明度。因此要从每一个工艺阶段：原料粉体的制备、预烧、烧成。来防止气孔的产生。2）晶界结构首先，晶界是破坏陶瓷体光学均匀性、从而引起光的散射、致使材料的透光率下降的重要因素之一。当单位体积晶界数量较多，晶体配置杂乱无序，入射光透过晶界时，必然引起光的连续反射、折射，这样其透光率也就降低。因此晶界应微薄、光匹配性好、无气孔及夹杂物、位错等缺陷。其次，陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相或更多相，这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。材料的组成差异越大，折射率相差越大，整个陶瓷的透光率越低。3）原料与添加剂原料的粉体粒径应小于1um以外，尺寸要均匀，不产生团聚。所以有时需加入添加剂。一方面是使烧结过程中出现液相，降低烧结温度，另一方面是抑制晶粒的长大，缩短晶内气孔的扩散路程，从而有利于得到致密的透光性好的透明陶瓷。添加剂用量一般很少，应能均匀分布于材料中，完全溶于主晶相，不生成第二相物质，也就是不破坏系统的单相性。4）烧成气氛透明陶瓷和普通陶瓷不同，最后须经真空、氢气氛或其他气氛中烧成。对于阳离子和阴离子挥发性小的陶瓷，当尺寸差异不大时可以采用在真空气氛下烧成。在氢气氛中烧成透明氧化物陶瓷时，一般使用一定量的水蒸汽，具有水蒸气的气氛能给予氧化物还原反应，因为气体在固体中的扩散系数较小。5）表面加工光洁度透明陶瓷的透光度还受表面加工光洁度的制约。烧结后未处理面具有较大的粗糙度，即呈现微小的凹凸状，光线入射到这种面上会发生漫反射。其表面的粗糙度越大，其透明度就越低。陶瓷表面的粗糙度与原料的细散度有关。除选用高细散度原料外，还应对陶瓷表面进行研磨和抛光。最终表面光洁度达到11～13级。§5.2激光材料5.2.1激光简介5.2.2激光的产生5.2.3激光工作物质5.2.4典型固体激光材料5.2.5应用5.2.1激光简介LASER——–LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation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”。激光的特点–激光是一种颜色最单纯的光–激光的方向性好–激光相干性强–激光亮度高,具有很大的能量5.2.2激光的产生光的产生总是和原子中电子的跃迁有关处于高能级E2上的粒子，向低能级E1跃迁，则它以辐射形式发出能量，其辐射频率为hEEv12能量发射有两种途径：自发发射:无规则转变受激发射：处在高能级E2上的粒子，在发射前受到频率为hv=E2-E1的光子作用下，受激跃迁到低能级E1上并发出频率为v的光子的过程，称为受激辐射hv=E2-E1E2E1E2hv=E2-E1E1hv=E2-E1hv=E2-E1产生激光5.2.2激光的产生必要条件——粒子数反转粒子在个能级上的分布Ni=Nee-Ei/kTNi——为处在能级Ei的粒子数Ne——为总粒子数k——为波尔兹曼常数T——为体系的绝对温度激光器的结构工作物质激励源谐振腔5.2.3激光工作物质气体：氦氖、氩离子、CO2、N2、O2液体：稀土元素的二元酮有机溶液，有机燃料固体–晶体:–非晶体：玻璃(硅酸盐、硼酸盐、磷酸盐、氟化物)固体激光材料组成激活粒子——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光——希望是四能级的——二价和三价的铁系、镧系、锕系元素基质晶体——良好的机械强度、导热性，光弹性小，吸光小–氟化物晶体：CaF2,BaF2,SrF2,MgF2,LaF3–含氧金属酸化物晶体:CaWO4,CaMnO4,LiNbO4–金属氧化物晶体:Al2O3,Y3Al5O12,Er2O3,Y2O3基质晶体氟化物晶体：CaF2,BaF2,SrF2,MgF2,LaF3–最早期，熔点低，易于长单晶–大多要在低温下才能工作含氧金属酸化物晶体:CaWO4,CaMoO4,LiNbO4，Ca（PO4）3F–Nd3+：CaWO4激光阈值低，能连续运转金属氧化物晶体:Al2O3,Y3Al5O12,Er2O3,Y2O3–研究最多，应用最广5.2.4典型的固体激光材料1）红宝石激光晶体（Al2O3：Cr3＋）优点：–材料坚硬、稳定、导热性好、抗破坏能力高–可发可见光～红光–对绝大多数光敏材料和光电探测元件都是敏感的缺点：–产生激光的阈值较高5.2.4典型的固体激光材料2）钕钇铝石榴石（YAG：Nd3＋）基质：Y3Al5O12激活粒子：Nd3＋缺点：荧光受命短，激光储能较低优点：阈值低、增益大，适于重复脉冲唯一能在常温下连续工作、且有较大功率的激光器YAG：Nd3＋透明陶瓷YAG：Y3＋透明陶瓷获得了波长为1030nm、最大功率为268mW的连续激光输出。荧光信号的接收采用HAMAMATSUR5509252型(200～900nm)探测器,测量荧光光谱所用的激发光源是连续半导体激光器,激发波长为808nm。测量荧光寿命的激发光源为超短脉冲半导体激光器。典型的固体激光材料3）半导体激光器——是光纤通讯中的重要光源典型尺寸：长L=250～500m宽ｗ=5～10m厚d=0.1～0.2m它的激励能源是外加电压(电泵)．在正向偏压下工作。解理面P-N结P-N结P-Ｎ结本身就形成一个光学谐振腔，它的两个端面就相当于两个反射镜，形成激光振荡，适当镀膜后可达到所要求的很高的反射系数，并利于选频。工作原理实用的LD——“双异质结”结构半导体激光器的特点：功率可达102mW效率高制造方便成本低所需电压低(只需1.5V)体积小极易与光纤接合半导体激光器的条件结两边的p区和n区要进行高掺杂，使之达到简并化的程度，即费米能级分别进入导带和价带（或至少一个区简并化）加正偏压V(EFn-EFp)/q5.2.5激光的特性及其应用★方向性极好的强光束--------准直、测距、切削、武器等。★