第13章材料的光學性質

Chapteroutline光與固體的宏觀相互作用固體光學現象的微觀本質材料具有特定顏色的原因材料透明和不透明的原因光學應用-luminescence-photoconductivity,

solar

cell-optical

communications

fibers第十三章材料的光學性質13.1基本概念13.2金屬的光學性質13.3非金屬的光學性質13.4其它光學現象光—一種電磁波,真空中傳播速度3×108

m/s電磁輻射可看作一系列能量量子（光子）組成。光子photon能量h為普朗克常量（6.63×10-34J?s）光子不帶荷電，具有能量，動量和質量。光子無法靜止，靜止質量為零。13.1基本概念1.電磁輻射光與固體的宏觀相互作用光輻射能流率表示單位時間內通過單位面積（與光線傳播方向垂直）的能量。入射到固體表面的光輻射能流率為φ0，透射、吸收和反射光的輻射能流率分別為φT，φA和φR

，單位W/m22.光和固體的相互作用透明材料:透射率較高而吸收率和反射率較小的材料。半透明材料:光線透過它時能發(fā)生漫散射的材料。不透明材料:透射率極小的材料。金屬--不透明。電絕緣材料--可制成透明材料。半導體材料--透明的/不透明。微觀本質：電子極化和電子能態(tài)轉變固體材料的光學現象是電磁輻射與固體材料中原子、離子或電子之間相互作用的結果。電磁波分量之一是交變電場分量?？梢姽忸l率范圍內，電場分量與遇到的每一個原子發(fā)生相互作用，引起電子極化導致折射。電磁波的吸收和發(fā)射是電子能態(tài)的轉變。只有特定能量光子才能通過電子能態(tài)轉變而被該原子吸收。受激電子經過一定時間后，將衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波。2.光和固體的相互作用++金屬對可見光是不透明的。其原因在于金屬的電子能帶結構的特殊性。(厚度≥0.1μm)容易吸收不同頻率入射光線的光子能量(不同能量△E)，將價帶中的電子激發(fā)到費密能級以上的空能級中去。肉眼看到的金屬顏色不是取決于吸收光的波長，而是反射光的波長。銀色的金屬（如銀和鋁），銅為桔紅色，金為黃色。13.2金屬的光學性質非金屬對可見光可透明，也可不透明。光線進入透明材料內部時，因電子極化消耗部分能量而使光速減小，光線在界面上拐彎，叫折射。材料的折射率：c和v分別是光線在真空和材料中的傳播速度光線在介質中的速度：εr和μr分別為介質的相對介電系數和相對磁導率測定了透明材料的折射率就可計算出電子極化對介電系數的貢獻。13.3非金屬的光學性質1.折射材料折射率比較晶體結構為立方晶型的陶瓷材料和無定形玻璃的折射率是各向同性的；晶體結構為非立方晶型的，折射率呈各向異性。在離子密度最大的方向上，折射率最高。即使透明介質也有一部分光線被反射。當光線垂直入射時，反射率與兩種介質的折射率的關系為n1和n2分別為兩種介質的折射率從真空(或空氣)入射:折射率越高，反射率也越高。反射率也與波長有關。在非垂直入射的情況下，反射率與入射角有關。2.反射ns表示固體材料的折射率非金屬材料對光吸收有3種機理:①電子極化。只有當光的頻率與電子極化松弛時間(10~15s)的倒數處于同一數量級時，由此引起的吸收才變得比較重要。②電子吸收光子能量而受激越過禁帶。條件：Eg＜1.8eV半導體材料(Si,

Ge)，是不透明的。Eg=1.8～3.1eV

的非金屬材料(CdS,

GaP)，為帶色透明。3.吸收③含雜質非金屬材料的吸收介電材料中的雜質或帶電缺陷在禁帶中引進了能級（如施主能級或受主能級），使電子在吸收光子能量后能實現從禁帶向導帶的轉移。通過雜質能級而發(fā)生電子的多級轉移，從而發(fā)射出兩個光子。多級轉移中也可發(fā)出一個聲子和一個光子。透射率4.透射率和透明材料的顏色τ為透射率（τ=φT

/

φ0）吸收系數為β，mm-1均質固體輻射能流率為ρ為反射率光程x是光線在介質中經過的距離透明材料的顏色透明材料的顏色取決于透射光中的光波分布。玻璃上色：Cu2+-藍綠；Co2+-藍紫；Mn2+-黃色；Mn3+-紫色散射作用光線在材料內部發(fā)生多次反射和折射，使透射光線彌散，因此透明的電介質可以被制成半透明或不透明的。---引起內部散射的原因(1)存在折射率各向異性的微晶組成的多晶材料,將發(fā)生反射與折射,變得十分彌散。它是半透明或不透明的。(2)存在折射率不同的兩相而發(fā)生散射。折射率之差越大,散射作用越強。高聚物結晶型包括折射率不同的晶區(qū)與非晶區(qū)兩相；包含晶粒無序取向的多晶體系；半透明或不透明結晶度越高，散射越強。如聚乙烯、尼龍和聚甲醛等。非晶態(tài)均相高聚物是透明的。陶瓷單晶陶瓷一般是透明的。大多數陶瓷材料是多晶體，而且包括晶相、玻璃相和氣相的多相體系，往往是半透明或不透明的。5.絕緣體的半透明和不透明性6.光導纖維(光纖)光導纖維(簡稱光纖)工作原理:從折射定律可知，當光線從折射率較高的透明介質入射到折射率較低的透明介質時，折射角大于入射角。當入射角大于某一臨界值時，折射角將大于/等于90°，從而發(fā)生全反射。光纖的種類很多，按材料的性質來分，主要有玻璃纖維和聚合物纖維兩類。13.4其它光學現象1.發(fā)光現象發(fā)光（冷光）是輻射能量以可見光形式出現。根據材料從吸收能量到發(fā)光之間延遲時間的長短，冷光可分為熒光和磷光兩類。t<10-8s為熒光，t＞10-8s為磷光。熒光和磷光材料:

硫化物、氧化物、鎢酸鹽和一些有機物質。曝光表是利用半導體的光電性測定光照下產生的電流。曝光表最常用的材料是硫化鎘。2.光電性3.激光激光是在外來光子的刺激下誘發(fā)電子能態(tài)的轉變，從而發(fā)射出的與外來光子的頻率、相位、傳輸方向和偏振態(tài)等均相同的相于光波。紅寶石激光柱中電子的受激