第13章材料的光學(xué)性質(zhì)

Chapteroutline光與固體的宏觀相互作用固體光學(xué)現(xiàn)象的微觀本質(zhì)材料具有特定顏色的原因材料透明和不透明的原因光學(xué)應(yīng)用-luminescence-photoconductivity,

solar

cell-optical

communications

fibers第十三章材料的光學(xué)性質(zhì)13.1基本概念13.2金屬的光學(xué)性質(zhì)13.3非金屬的光學(xué)性質(zhì)13.4其它光學(xué)現(xiàn)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(dòng)量和質(zhì)量。光子無法靜止，靜止質(zhì)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(shí)間內(nèi)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(shí)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(dǎo)體材料--透明的/不透明。微觀本質(zhì)：電子極化和電子能態(tài)轉(zhuǎn)變固體材料的光學(xué)現(xiàn)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(jié)果。電磁波分量之一是交變電場(chǎng)分量。可見光頻率范圍內(nèi)，電場(chǎng)分量與遇到的每一個(gè)原子發(fā)生相互作用，引起電子極化導(dǎo)致折射。電磁波的吸收和發(fā)射是電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變。只有特定能量光子才能通過電子能態(tài)轉(zhuǎn)變而被該原子吸收。受激電子經(jīng)過一定時(shí)間后，將衰變回基態(tài)，同時(shí)發(fā)射出電磁波。2.光和固體的相互作用++金屬對(duì)可見光是不透明的。其原因在于金屬的電子能帶結(jié)構(gòu)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(jià)帶中的電子激發(fā)到費(fèi)密能級(jí)以上的空能級(jí)中去。肉眼看到的金屬顏色不是取決于吸收光的波長(zhǎng)，而是反射光的波長(zhǎng)。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(xué)性質(zhì)非金屬對(duì)可見光可透明，也可不透明。光線進(jìn)入透明材料內(nèi)部時(shí)，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(zhì)中的速度：εr和μr分別為介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率測(cè)定了透明材料的折射率就可計(jì)算出電子極化對(duì)介電系數(shù)的貢獻(xiàn)。13.3非金屬的光學(xué)性質(zhì)1.折射材料折射率比較晶體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhì)也有一部分光線被反射。當(dāng)光線垂直入射時(shí)，反射率與兩種介質(zhì)的折射率的關(guān)系為n1和n2分別為兩種介質(zhì)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(zhǎng)有關(guān)。在非垂直入射的情況下，反射率與入射角有關(guān)。2.反射ns表示固體材料的折射率非金屬材料對(duì)光吸收有3種機(jī)理:①電子極化。只有當(dāng)光的頻率與電子極化松弛時(shí)間(10~15s)的倒數(shù)處于同一數(shù)量級(jí)時(shí)，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(dǎo)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(zhì)非金屬材料的吸收介電材料中的雜質(zhì)或帶電缺陷在禁帶中引進(jìn)了能級(jí)（如施主能級(jí)或受主能級(jí)），使電子在吸收光子能量后能實(shí)現(xiàn)從禁帶向?qū)У霓D(zhuǎn)移。通過雜質(zhì)能級(jí)而發(fā)生電子的多級(jí)轉(zhuǎn)移，從而發(fā)射出兩個(gè)光子。多級(jí)轉(zhuǎn)移中也可發(fā)出一個(gè)聲子和一個(gè)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(shù)為β，mm-1均質(zhì)固體輻射能流率為ρ為反射率光程x是光線在介質(zhì)中經(jīng)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(lán)綠；Co2+-藍(lán)紫；Mn2+-黃色；Mn3+-紫色散射作用光線在材料內(nèi)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(zhì)可以被制成半透明或不透明的。---引起內(nèi)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(qiáng)。高聚物結(jié)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(jié)晶度越高，散射越強(qiáng)。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(shù)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(dǎo)纖維(光纖)光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)工作原理:從折射定律可知，當(dāng)光線從折射率較高的透明介質(zhì)入射到折射率較低的透明介質(zhì)時(shí)，折射角大于入射角。當(dāng)入射角大于某一臨界值時(shí)，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(zhì)來分，主要有玻璃纖維和聚合物纖維兩類。13.4其它光學(xué)現(xiàn)象1.發(fā)光現(xiàn)象發(fā)光（冷光）是輻射能量以可見光形式出現(xiàn)。根據(jù)材料從吸收能量到發(fā)光之間延遲時(shí)間的長(zhǎng)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(jī)物質(zhì)。曝光表是利用半導(dǎo)體的光電性測(cè)定光照下產(chǎn)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(zhuǎn)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