第五章-材料的光學(xué)性能

《材料物理》

第五章材料的光學(xué)性能理學(xué)院材料科學(xué)與工程系李煜璟光的現(xiàn)象光的微粒說光的波動說光的電磁說光的波粒二象性光的直線傳播光的干涉光的衍射電磁波譜光譜（牛頓）（胡克，惠更斯）（麥克斯韋）（普朗克，愛因斯坦）提綱材料的透光性激光與發(fā)光材料光的傳輸與光線材料材料的非線性光學(xué)效應(yīng)5.1材料的透光性可見光的波長和頻率范圍光色波長(nm)

頻率(Hz)中心波長(nm)

紅760~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

蘭470~455460

紫455~400430人眼最為敏感的光是黃綠光，即555nm附近。5.1.1光的波粒二象性光的粒子性愛因斯坦光子能量：光子動量：波粒二象性光子是電磁波能量和動量量子化的粒子電磁波是光子的概率波波的屬性：頻率、波長光子：能量、動量5.1.2光的干涉和衍射光的波動性主要表現(xiàn)在它有干涉、衍射及偏振等特性雙光束干涉(Interference)兩束光相遇以后，在光的疊加區(qū)，光強(qiáng)重新分布，出現(xiàn)明暗相間、穩(wěn)定的干涉條紋衍射(diffraction)(繞射)當(dāng)光波傳播遇到障礙物時，在一定程度上能繞過障礙物而進(jìn)入幾何陰影區(qū)，這種現(xiàn)象稱為衍射5.1.3光透過固體的現(xiàn)象反射（能量的變化）折射（光速的變化）吸收（能量的變化）散射（能量的變化）透過（能量）①②③④Ix①界面1反射②吸收③散射④界面2反射界面1界面2I0I1I2透射+吸收+反射+散射電子極化電磁波的分量之一是迅速變化的電場分量在可見光范圍內(nèi)，電場分量與傳播過程中遇到的每一個原子都發(fā)生相互作用引起電子極化，即造成電子云與原子核的電荷中心發(fā)生相對位移所以，當(dāng)光通過介質(zhì)時，一部分能量被吸收，同時光速減小，后者導(dǎo)致折射電子能態(tài)轉(zhuǎn)變電磁波的吸收和發(fā)射包含電子從一種能態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種能態(tài)的過程材料的原子吸收了光子的能量之后可將較低能級上的電子激發(fā)到較高能級上去，電子發(fā)生的能級變化?E與電磁波頻率有關(guān)?E=hν受激電子不可能無限長時間地保持。在激發(fā)狀態(tài)，經(jīng)過一個短時期后，它又會衰變回基態(tài)，同時發(fā)射出電磁波，即自發(fā)輻射5.1.4光的反射和折射折射當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即為材料的折射率光從材料1，通過界面?zhèn)魅氩牧?時，與界面法向所形成的入射角θi，折射角θr與兩種材料的折射率n1和n2有下述關(guān)系材料的折射率材料的折射率反映了光在該材料中的傳播速度光密介質(zhì)：在折射率大的介質(zhì)中，光的傳播速度慢光疏介質(zhì)：在折射率小的介質(zhì)中，光的傳播速度快介質(zhì)的n總是大于1的正數(shù)如，空氣n=1.0003；固體氧化物n=1.3~2.7；硅酸鹽玻璃n=1.5~1.9折射率與兩種介質(zhì)的性質(zhì)和入射光的波長有關(guān)波長越長，折射率越小材料的折射率從本質(zhì)上講，反映了材料的電磁結(jié)構(gòu)（對非鐵磁介質(zhì)主要是電結(jié)構(gòu)）在光波作用下的極化性質(zhì)或介電特性折射率的影響因素-1構(gòu)成材料元素的離子半徑Maxwell電磁波理論認(rèn)為光在介質(zhì)中的傳播速度c：真空中光速；ε：介質(zhì)介電常數(shù)；μ：介質(zhì)磁導(dǎo)率對于無機(jī)材料電介質(zhì)，μ≈1本質(zhì)：材料的電磁結(jié)構(gòu)在光波電磁場作用下的極化性質(zhì)或介電特性材料的極化介質(zhì)的極化“拖住”了電磁波的步伐，使其傳播速度變得比真空中慢材料的極化性質(zhì)與構(gòu)成材料的原子的原子量、電子分布情況、化學(xué)性質(zhì)等微觀因素有關(guān)這些微觀因素通過宏觀量介電常數(shù)影響光在材料中的傳播速度當(dāng)離子半徑增大時，其ε增大，因而n也增大可以用大離子物質(zhì)得到高n的材料，如nPbS=3.912，用小離子物質(zhì)得到低n的材料，如nSiCl4=1.412

折射率的影響因素-2材料的結(jié)構(gòu)、晶型和非晶態(tài)對非晶態(tài)和立方晶體等各向同性材料，當(dāng)光通過時，光速不因傳播方向改變而變化，材料只有一個折射率，稱為均質(zhì)介質(zhì)除立方晶體以外的其他晶型，都是非均質(zhì)介質(zhì)光進(jìn)入非均質(zhì)介質(zhì)時分為振動方向相互垂直、傳播速度不等的兩個波，它們分別構(gòu)成兩條折射光線，這個現(xiàn)象稱為雙折射雙折射是非均質(zhì)晶體的特性，這類晶體的所有光學(xué)性能都和雙折射有關(guān)方解石（CaCO3，六方晶系）雙折射現(xiàn)象兩種折射率平行于入射面的光線的折射率，稱為常光折射率n0不論入射光的入射角如何變化，n0始終為一常數(shù)，因而常光折射率嚴(yán)格服從折射定律另一條與之垂直的光線所構(gòu)成的折射率，則隨入射線方向的改變而變化，稱為非常光折射率ne不遵守折射定律，隨入射光的方向而變化當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時，ne達(dá)最大值，此值是材料的特性沿晶體密堆積程度較大的方向ne較大當(dāng)光在晶體內(nèi)沿某個方向傳播時不發(fā)生雙折射，該方向稱為晶體的光軸單軸晶體：只有一個光軸的晶體，如方解石、石英、紅寶石、冰等；雙軸晶體：有兩個光軸的晶體，如云毋、結(jié)晶硫磺、藍(lán)寶石、橄欖石等光軸氯化鈉屬于立方晶系的晶體，各向同性，不產(chǎn)生雙折射光軸僅標(biāo)志一定的方向，并不限于某一特殊的直線光軸方向上，o光和e光的傳播速度相同方解石光軸平行六面體：每個面都是鈍角102o和銳角78o的平行四邊形A、B頂點(diǎn)：鈍隅光軸方向：從一個鈍隅所作的等分角線方向（即與鈍隅的三條棱成相等角度的那個方向）n1n2iioie(各向異性媒質(zhì))自然光o光e光惠更斯：在各向異性的晶體中，子波源會同時發(fā)出o光、e光兩種子波o光的子波：各方向傳播的速度相同為v0，點(diǎn)波源波面為球面，振動方向始終垂直其主平面e光的子波,各方向傳播的速度不同在平行光軸方向上的速度與o光的速度相同，為v0；在垂直光軸方向上的速度與o光的速度相差最大，記為ve，其相應(yīng)的折射率為ne························vot光軸O光光軸vetvote光正晶體、負(fù)晶體正晶體：ne>no負(fù)晶體：

ne<no子波源votvet光軸votvet光軸

正晶體

(vo>ve)

負(fù)晶體(vo<ve)子波源折射率的影響因素-3材料所受的內(nèi)應(yīng)力有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于受拉主應(yīng)力方向的n大，平行于受拉主應(yīng)力方向的n小同質(zhì)異構(gòu)體在同質(zhì)異構(gòu)材料中，高溫時的晶型折射率n較低，低溫時存在的晶型折射率n較高石英玻璃

n=1.46；石英晶體

n=1.55高溫時，鱗石英

n=1.47；方石英

n=1.49普通鈉鈣硅酸鹽玻璃

n=1.51光子晶體？負(fù)折射率？光子晶體晶體內(nèi)部：原子周期性排列→周期勢場→運(yùn)動的電子受到周期勢場的布拉格散射，從而形成能帶結(jié)構(gòu)→帶隙→控制電子的運(yùn)動光子晶體：光的折射率指數(shù)的周期性變化→光帶隙結(jié)構(gòu)→控制光在光子晶體中的運(yùn)動負(fù)折射率超材料（Negativeindexmetamaterials）反射系數(shù)、透射系數(shù)折射和反射可多次連續(xù)發(fā)生W、W’、W’’：入射光、反射光、折射光在單位時間內(nèi)通過單位面積的能量流當(dāng)入射角和折射角都很小時其中m:反射系數(shù)；1-m:透射系數(shù)n1、n2相差很大：反射多n1≈n2：幾乎沒有反射損失介質(zhì)1介質(zhì)1介質(zhì)2入射光1次反射光2次反射光1次透射光2次透射光振幅傳播速度橫截面積假如：一塊玻璃，n=1.5，m=0.04，則透過玻璃的光能為多少？若連續(xù)透過x塊平板玻璃，則透過玻璃的光能為多少？實(shí)際應(yīng)用玻璃、陶瓷等材料折射率大：反射顯著若透鏡系統(tǒng)由多塊玻璃組成，如何降低反射率？5.1.5光的吸收吸收的一般規(guī)律光強(qiáng)為I0的單色平行光束沿x軸方向通過均勻物質(zhì)，在經(jīng)過一段距離x后光強(qiáng)已減弱到I，再通過一無限薄層dx后光強(qiáng)變?yōu)镮+dI(dI0)。實(shí)驗(yàn)表明，在相當(dāng)寬的光強(qiáng)度范圍內(nèi)，-dI相當(dāng)精確地正比于I和dxα：吸收系數(shù)（absorptioncoefficient），單位為cm-1，取決于材料的性質(zhì)和光的波長，與光強(qiáng)無關(guān)Lambert-Beer

定律光吸收與波長的關(guān)系可見光區(qū)：金屬和半導(dǎo)體的吸收紫外光區(qū)：光子能量達(dá)到禁帶寬度，電子就會吸收光子能量從滿帶躍遷到導(dǎo)帶紅外光區(qū)：離子的彈性振動與光子輻射發(fā)生諧振消耗能量要使諧振點(diǎn)波長盡可能遠(yuǎn)離可見光區(qū)，即吸收峰的頻率盡可能小，則需選擇較小的材料熱振頻率Mc和Ma：陽離子和陰離子質(zhì)量β：與力有關(guān)的常數(shù)，由離子間結(jié)合力決定均勻吸收和選擇吸收除了真空，沒有一種物質(zhì)對所有波長的電磁波都是絕對透明的均勻吸收在可見光范圍對各種波長的吸收程度相同普通玻璃對可見光是透明的，但是對紅外線、紫外線都有強(qiáng)烈的吸收，是不透明的石英對所有可見光幾乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系數(shù)不變選擇吸收對某一波長吸收系數(shù)大在3.5~5.0μm的紅外光，石英表現(xiàn)為強(qiáng)烈吸收紅外吸收光譜研究離子間的彈性振動紫外吸收光譜研究半導(dǎo)體的禁帶寬度紫外可見光譜——禁帶寬度作(ahν)1/2或(ahν)2-hν(eV)曲線，取線性部分的切線與x軸的交點(diǎn)從吸收峰起峰處算起，1240除以起峰波長（近似）5.1.6光的散射光的散射光波遇到不均勻結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的次級波，與主波方向不一致，與主波合成出現(xiàn)干涉現(xiàn)象，使光偏離原來的方向，從而引起散射對于相分布均勻的材料，由于散射而引起強(qiáng)度減弱的規(guī)律與吸收規(guī)律具有相同的形式αS：散射系數(shù)，與散射質(zhì)點(diǎn)的大小、數(shù)量以及散射質(zhì)點(diǎn)與基體的相對折射率等因素有關(guān)當(dāng)光的波長約等于散射質(zhì)點(diǎn)的直徑時，出現(xiàn)散射的峰值當(dāng)d<λ時，則隨著d的增加，αS隨之增大；當(dāng)d>λ時，則隨著d的增加，αS反而減小，當(dāng)d=λ時，αS達(dá)最大值散射系數(shù)：可以認(rèn)為散射系數(shù)正比于散射質(zhì)點(diǎn)的投影面積N：單位體積內(nèi)的散射質(zhì)點(diǎn)數(shù)；R：散射質(zhì)點(diǎn)的平均半徑；K：散射因素，取決于基體與質(zhì)點(diǎn)的相對折射率假設(shè)散射介質(zhì)為球體，且d<1/3λ，散射系數(shù)：將吸收定律與散射規(guī)律的式子統(tǒng)一起來散射質(zhì)點(diǎn)的折射率與基體的折射率相差越大，將產(chǎn)生越嚴(yán)重的散射彈性散射和非彈性散射彈性散射散射前后光的波長（或光子能量）不發(fā)生變化，只改變方向的散射非彈性散射散射前后光的波長（或光子能量）發(fā)生變化的散射，稱為非彈性散射彈性散射參量σ：與散射中心尺度大小a0有關(guān)按a0與入射光波長λ的大小比較，分為三類a0?λ：（TyndallScattering）散射光強(qiáng)與入射光波長無關(guān)，膠體、乳濁液以及含有煙、霧或灰塵的大氣中的散射a0≈λ：（MileScattering）σ=0~4，具體取值與散射中心有關(guān)a0?λ：（Rayleighscattering）散射強(qiáng)度與波長的4次方成反比，不改變原入射光的頻率彈性散射瑞利散射強(qiáng)度與波長的關(guān)系瑞利散射晴天時朝陽、午陽、夕陽的顏色不同入射波長越長，散射光強(qiáng)越小，即長波散射要小于短波散射大氣及塵埃對光譜上藍(lán)紫色光的散射比紅橙色光為甚，陽光透過大氣層越厚，其中藍(lán)紫色光成分損失越多，太陽顯得越紅Earth早晨中午太陽光非彈性散射拉曼散射（Ramanscattering）分子或點(diǎn)陣振動的光學(xué)聲子對光波的散射在光譜圖上距離瑞利線較遠(yuǎn)，它們與瑞利線的頻差可因散射介質(zhì)能級結(jié)構(gòu)不同而在100~104之間變化布里淵散射（Brillouinscattering）是點(diǎn)陣振動引起的密度起伏或超聲波對光波的非彈性散射，即點(diǎn)陣振動的聲學(xué)聲子（即聲學(xué)模）與光波之間的能量交換結(jié)果聲學(xué)聲子的能量低于光學(xué)聲子→布里淵散射的頻移比拉曼散射小→在光譜圖上它們緊靠在瑞利線旁，只能用高分辨的雙單色儀等光譜儀才能分辨出來散射光譜示意圖5.1.7光的色散色散(dispersion)材料的折射率隨入射光的頻率的減小(或波長的增加)而減小的性質(zhì)正常色散（normaldispersion）在可見光范圍內(nèi)無色透明的物質(zhì)，它們的色散曲線在形式上很相似折射率n以及色散率dn/dλ的數(shù)值都隨著波長的增加而單調(diào)下降，在波長很長時折射率趨于定值測量不同波長光線通過棱鏡的最小偏向角，就可以算出棱鏡材料的折射率n與波長λ之間的關(guān)系曲線，即色散曲線反常色散（anomalousdispersion）在發(fā)生強(qiáng)烈吸收的波段，色散曲線發(fā)生明顯的不連續(xù)，折射率n隨著波長的增加而增大，即dn/dλ>0注意：在可見光區(qū)域內(nèi)色散是正常色散曲線實(shí)質(zhì)：反映在更寬波長范圍內(nèi)的色散關(guān)系正常色散非正常色散色散的定量色散色散系數(shù)(Abbenumber)式中nD、nF和nC分別為以鈉的譜線、氫的F譜線和C譜線(589.3nm，486.1nm和656.3nm)為光源，測得的折射率通常采用固定波長下的折射率來表達(dá)經(jīng)典色散理論阻尼受迫振子模型介質(zhì)原子的電結(jié)構(gòu)：正負(fù)電荷之間由一根無形的彈簧束縛在一起的彈性振子在光波電磁場的作用下作受迫振動，振動的相位與振子的固有頻率和光波頻率有關(guān)，受迫振動的振子作為次波源向外發(fā)射散射波由于固體和液體中的這種散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原來入射光波方向前進(jìn)次波和入射波疊加，使得合成波在介質(zhì)中的傳播速度與入射光波的頻率有關(guān)，導(dǎo)致介質(zhì)對不同頻率的光有著不同的折射率材料的透光性反射損失①：經(jīng)過吸收損失②和散射損失③：經(jīng)過反射損失④：透射光強(qiáng)5.2激光和發(fā)光材料材料的發(fā)光特征發(fā)光強(qiáng)度特征強(qiáng)度：發(fā)射光的能量→客觀數(shù)值亮度：人眼的感覺→主觀判斷（色差）發(fā)光效率量子效率：發(fā)光的量子數(shù)與激發(fā)源輸入的量子數(shù)的比值能量效率（功率效率）：發(fā)光的能量與激發(fā)源輸入的能量的比值流明效率（光度效率）：發(fā)光的流明數(shù)與激發(fā)源輸入的能量的比值（lm/W）光通量：光源在單位時間內(nèi)向周圍空間輻射的能引起視覺反應(yīng)能量，即可見光的能量，描述的是光源的有效輻射值，其國際單位是lm（流明）光源光通量（lm）光發(fā)射二極管0.01白熾燈，60W730白熾燈，100W1380熒光燈管2300水銀燈，60W5400水銀燈，100W125000發(fā)光持續(xù)時間特征余輝（余輝時間）當(dāng)激發(fā)停止時，其發(fā)光亮度L衰減到初始亮度L0的10%時所經(jīng)歷的時間磷光：人眼能夠感覺到余輝的長發(fā)光期間者熒光：人眼感覺不到余輝的短發(fā)光期間者余輝時間極短余輝：余輝時間<1s的發(fā)光；短余輝：余輝時間1~10s的發(fā)光；中短余輝：余輝時間10-2～1ms的發(fā)光；中余輝：余輝時間1～100ms的發(fā)光；長余輝：余輝時間10-1～1s的發(fā)光；極長余輝：余輝時間>1s的發(fā)光發(fā)光材料分類按激發(fā)方式分光致發(fā)光材料電致發(fā)光材料射線致發(fā)光材料熱致發(fā)光材料等離子發(fā)光材料光致發(fā)光(Photoluminescence)吸收光譜光的吸收系數(shù)隨波長或頻率的變化關(guān)系曲線激發(fā)光譜表示用不同波長的光激發(fā)材料時，使材料發(fā)出某一波長光的效率發(fā)光過程基質(zhì)晶格或激活劑（或稱發(fā)光中心）吸收激發(fā)能基質(zhì)晶格將吸收的激發(fā)能傳遞給激活劑被激活的激活劑發(fā)出一定波長的光而返回基態(tài)，同時伴隨有部分非發(fā)光躍遷，能量以熱的形式散發(fā)A：激活劑S：敏化劑（能強(qiáng)烈地吸收激發(fā)能，然后將能量傳遞給激活劑）（1）導(dǎo)帶電子與俘獲的空穴復(fù)合（2）俘獲的電子與價帶的空穴復(fù)合（3）激發(fā)能傳給孤立中心，發(fā)光躍遷在分立的中心內(nèi)部（4）導(dǎo)帶中的電子直接與價帶中的空穴復(fù)合（5）俘獲的電子與俘獲的空穴復(fù)合斯托克斯規(guī)則發(fā)光波長總是大于激發(fā)波長，即發(fā)光的光子能量必然小于激發(fā)光的光子能量用紫外線激發(fā)發(fā)光材料時，可得到可見光區(qū)域的各種顏色的光。用藍(lán)光激發(fā)，只能得到紅光、橙光，至多是綠光。反斯托克斯發(fā)光發(fā)光中心得到一部分振動能升到較高的激發(fā)態(tài)。從激發(fā)態(tài)到基態(tài)的躍遷所伴隨的發(fā)光的能量就比激發(fā)能量高，發(fā)光的波長比激發(fā)光的波長短激光致冷：利用反斯托克斯現(xiàn)象不斷將物體的振動能以光的形式發(fā)射出去，使物體溫度降低熱釋發(fā)光當(dāng)激發(fā)發(fā)光體后，發(fā)光將逐漸衰減，直至發(fā)光消失。隨后，逐漸升高發(fā)光體的溫度，有的發(fā)光材料又會逐漸發(fā)光，并逐漸變強(qiáng)，在某一溫度時達(dá)到最大值后又逐漸變?nèi)酰@種變化隨著溫度的上升，可以重復(fù)幾次，直到高溫時發(fā)光才消失激發(fā)過程中，有電子掉進(jìn)了深度不同的陷阱，陷阱中的電子回到導(dǎo)帶的幾率為溫度T大，則P大，即導(dǎo)帶中的電子數(shù)目增多，復(fù)合的次數(shù)增多，發(fā)光增強(qiáng)。陷阱中的電子數(shù)目是有限的，這些電子耗盡了，即使繼續(xù)升溫，也沒有可以參與復(fù)合的電子，因此不再發(fā)光。陷阱可有不同深度，使電子釋放出來所需的溫度就有高有低上轉(zhuǎn)換發(fā)光如果一個激發(fā)光光子產(chǎn)生一個發(fā)射光光子，發(fā)射光子的能量必然不會大于激發(fā)光光子的能量上轉(zhuǎn)換發(fā)光：如果發(fā)光材料能夠吸收兩個或多個光子而產(chǎn)生一個光子，可能發(fā)射出波長短的光上轉(zhuǎn)換發(fā)光可以由激發(fā)態(tài)吸收或連續(xù)能量傳遞產(chǎn)生Tm（銩）第1個光子激發(fā)到3F2能級可能弛豫到3H4第2個光子躍遷至1D2交叉弛豫（吸收雪崩）易發(fā)生在基態(tài)對激發(fā)光的吸收比