1、第四章材料的光學性能第四章材料的光學性能4.1 光和固體的相互作用1.光的波粒二象性 1）光電效應方程 2）光學涉及材料對電磁輻射作用的響應。 射線 原子核結構改變； 紅外輻射，微波，無線電波-原子振動或晶格結構的改變；X射線，紫外線，可見光譜-原子結構改變4.1 光和固體的相互作用1.光的波粒二象性第四章材料的光學性能(共34張)課件4.1 光和固體的相互作用 3）光的速度 真空中： 在介質中傳播：C ： 3 10-8m/s: 真空介電常數: 真空磁 導率透射，反射，折射： 光的粒子性介質中傳播、衍射： 光的波動性4.1 光和固體的相互作用 3）光的速度C ： 4.1 光和固體的相互作用2.

2、 光通過固體的現象 1）宏觀：光從一種介質進入另一種介質中，一部分透過介質，一部分被吸收，一部分在兩種介質的界面上反射，一部分被散射。光入射到材料表面的光輻射能量流率，單位：W/m2 或 J/m2s 表示單位時間內通過單位面積的能量透射系數吸收系數反射系數散射系數4.1 光和固體的相互作用2. 光通過固體的現象光入射到材料4.1 光和固體的相互作用4.1 光和固體的相互作用4.1 光和固體的相互作用 2）微觀：光與固體中的原子、離子、電子之間的相互作用。 a) 電子極化：光中電場分量與傳播過程中的每一個原子都發生作用，引起電子極化。 折射的本質：一部分能量被吸收，同時光波速度減小，導致折射。

3、b) 電子能態的改變：光子被吸收和發射，都可能涉及到固體材料中電子能態的轉變。4.1 光和固體的相互作用 2）微觀：光與固體中的原4.1 光和固體的相互作用3.材料的折射率及其影響因素 概念 折射：光遇到一種折射率不同的介質，傳播速度與波長發生變化，而且光的傳播方向也發生變化。折射率：光在真空和介質中的速度之比相對折射率:n1, 原因：光與原子作用導致電子極 化，使光速變慢。4.1 光和固體的相互作用3.材料的折射率及其影響因素概念 4.1 光和固體的相互作用 一些透明材料的折射率4.1 光和固體的相互作用 一些透明材料的折射率4.1 光和固體的相互作用2） 材料折射率的影響因素 a) 材料元

4、素的離子半徑：由于在無機材料這樣的電介質中，=1，l 材料的折射率隨介電常數增大而增大離子半徑增大時，其增大，因而n也隨之增大 4.1 光和固體的相互作用2） 材料折射率的影響因素 由于在4.1 光和固體的相互作用2） 材料折射率的影響因素 b) 材料的結構、晶型： 非晶態和立方晶體結構：一個折射率（均質介質） 其它晶型 ：兩個折射率-尋常光折射率n0和不尋常光折射率ne （非均質） 當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達最大值，此值是為材料特性。石英的n0=1.543，n e=1.552；方解石的n0=1.658，ne=1.486；剛玉的n0=1.760，ne=

5、1.768。沿著晶體密堆積程度較大的方向ne較大。 C) 材料的內應力：有內應力的透明材料，垂直于受拉主應力方向的n大，平行 于受拉主應力方向的n小。因此產生雙折射。 測定材料中內應力的大小，可采用測定雙折射的光程差的大小。 d) 同質異構體：高溫時n小，低溫時n大。 4.1 光和固體的相互作用2） 材料折射率的影響因素 4.1 光和固體的相互作用例：一束在鈉鈣玻璃中傳播的光線到達了玻璃-空氣界面：試推導用于表達折射角與入射角之間的函數關系的表達式；這個關系式是否用于所有的入射角？ 4.1 光和固體的相互作用例：一束在鈉鈣玻璃中傳播的光線到達4.1 光和固體的相互作用3） 色散 a) 定義：材

6、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，稱為折射率的色散。 在給定入射光波長的情況下，材料的色散為: 色散=dn/d b) 表示：色散系數d，也叫阿貝數，這是最常用的數值 。 nD：是指用鈉光譜中的D線（D=589.3nm，黃色）為光源測出的折射率。 nF：是指用氫光譜中的F線（F=486.1nm，藍色）為光源測出的折射率。 nC：是指用氫光譜中的C線（C=656.3nm，紅色）為光源測出的折射率。 4.1 光和固體的相互作用3） 色散 4.1 光和固體的相互作用3） 色散 c) 原理： 頻率不同導致介質極化強度不同； 極化強度不同導致折射率不同。 d) 應用： 用不同牌號

7、的光學玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡組成復合鏡頭，可以消除色差，這叫做消色差鏡頭。 注：折射率的大小與入射光波長有關。材料的折射率n 隨入射光波長的降低而減小，所以，談材料的折射率時必須指出所用的光的波長。一般常用nD來比較不同材料的折射率。 4.1 光和固體的相互作用3） 色散 X射線，紫外線，可見光譜-原子結構改變真空中：其它晶型 ：兩個折射率-尋常光折射率n0和不尋常光折射率ne （非均質） 射線 原子核結構改變；1）熒光和磷光：當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導態電子變為傳導態電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。1 光和固體的相互作用為了減小反射損失：a)

8、通過介質表面鍍增透膜；1 光和固體的相互作用對于第二種機制: 吸收光子的能量把電子從填滿的價帶激發到導帶的空能級上，導帶中出一個電子，而在價帶留下一個空穴。n1, 原因：光與原子作用導致電子極 化，使光速變慢。材料的透射系數及其影響因素介質吸收光的一般規律：a) 定義：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，稱為折射率的色散。在給定入射光波長的情況下，材料的色散為:4.1 光和固體的相互作用4. 材料的反射系數及其影響因素 當光從二種不同介質通過時，要發生反射和折射。其中反射是電子吸收光子能量，由高能級又返回低能級時發射出的的電磁波。當一束自材料1垂直入射到材料2上的光線

9、，產生反射光線的比例R為反射率：如果兩種材料折射率相差很大，則損失很大。為了減小反射損失：a)通過介質表面鍍增透膜；b)將多次透過的玻璃用折射率與之相近的膠粘起來。X射線，紫外線，可見光譜-原子結構改變4.1 光和固體的相互第四章材料的光學性能(共34張)課件4.1 光和固體的相互作用5.材料的透射系數及其影響因素 材料對入射光的吸收及其散射，是影響材料光透射比的的主要因素。4.1 光和固體的相互作用5.材料的透射系數及其影響因素 4.1 光和固體的相互作用1）金屬的光透過性質 金屬對所有的低頻電磁波（從無線電到紫外光）都是不透明的，只有對高頻電磁波X射線和 射線才是透明的。（高頻時，電子來不

10、及做出響應）導體的價帶特征是部分填滿，電子易吸收入射光子的能量后激發到空能級上。金屬材料吸收的光又從表面上以同樣波長的光波反射出來。還有一小部分以熱的形式損失了。4.1 光和固體的相互作用1）金屬的光透過性質 金屬對4.1 光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過性 介質吸收光的一般規律： 電子極化：只有光的頻率與電子極化時間的倒數處于同一數量級 電子受激吸收光子而越過禁帶 電子吸收光子受激進入位于禁帶中的雜質或缺陷能級4.1 光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過性 介質吸收對于第二種機制: 吸收光子的能量把電子從填滿的價帶激發到導帶的空能級上，導帶中出一個電子，而在價帶留下一個空穴。只有光子

11、的能量滿足下列條件才會被吸收：或可見光最短波長，電子受激后躍遷的非金屬材料的禁帶寬度最大為；若禁帶寬度大于，則這種材料不可能吸收可見光，純度很高的絕緣體材料是無色透明的。 可見光的最大波長約0.7um, 吸收光子后電子能越過的最小的禁帶寬度Egmin=1.8eV. 對于禁帶寬度小于的半導體材料，可見光被吸收，是不透明的。對于禁帶寬度處于的非金屬材料，只有部分可見光補吸收，因而是帶色透明的。對于第二種機制: 吸收光子的能量把電子從填滿的價帶激發到導帶 每一種非金屬材料對特定波長以下的的電磁波是不透明，其具體波長取決于禁帶Eg對于第三種機制: 對于禁帶較寬的介電材料可能吸收光子，借助于禁帶中引入的

12、雜質或缺陷能級，使吸收光子的電子進入其中。4.1 光和固體的相互作用 每一種非金屬材料對特定波長以下的的電磁波是不透明，其具體第四章材料的光學性能(共34張)課件吸收系數：介質吸收的光譜能量不僅與介質的電子能帶結構有關，還與光程有關。 I=I0e - x為吸收系數，取決于材料性質與波長。吸收系數：介質吸收的光譜能量不僅與介質的電子能帶結構有關，還4.1 光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過性 b) 介質對光的散射： 散射：由于光傳播的介質不同，介質中含有小粒子，晶界面相，氣孔或雜質，由這些產生的次級波與主波方向不一致，并合成產生干涉現象，引起散射。（一部分能量偏離原來的方向向四面八方彌散開來

13、）I=I0-Sx S:散射系數，或稱為內反射現象。 散射：與波長有關，也與散射顆粒的大小，分布，數量以及散射相與基體的相對折射率大小有關。 4.1 光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過性 b) 極化強度不同導致折射率不同。對于第二種機制: 吸收光子的能量把電子從填滿的價帶激發到導帶的空能級上，導帶中出一個電子，而在價帶留下一個空穴。同樣光照停止后光電流也是逐漸消失的。介質中傳播、衍射： 光的波動性利用高溫將電子激發到較高能級上去的過程，一些電子回落到空穴位置，此過程放出光子，隨溫度升高，獲得呈連續譜的發射光線。為了減小反射損失：a)通過介質表面鍍增透膜；材料的折射率及其影響因素C ： 3 1

14、0-8m/s材料的折射率n 隨入射光波長的降低而減小，所以，談材料的折射率時必須指出所用的光的波長。4.4 材料的發光1. 發光和熱輻射 1）熒光和磷光： 發光：由于受溫度之外的其它因素導致的固體向外發射可見光的現象。 如果外來能量使激發電子從價帶進入導帶，當電子返回時便發射光子，如果這種光子的波長處于可見光范圍內，有上述現象。 熒光：受激發在大約10-8s以內發射的電磁波。 其發光是被激發的電子跳回價帶時，發射的光子極化強度不同導致折射率不同。4.4 材料的發光1. 發光和第四章材料的光學性能(共34張)課件4.4 材料的發光磷光體：激發停止后的一段時間內能發光的復雜晶體無機物質 應 用:

15、電視機屏幕使用的材料；LED（發光二極管）技術4.4 材料的發光磷光體：激發停止后的一段時間內能發光的復雜4.4 材料的發光1. 發光和熱輻射 2）熱輻射： 利用高溫將電子激發到較高能級上去的過程，一些電子回落到空穴位置，此過程放出光子，隨溫度升高，獲得呈連續譜的發射光線。輻射的最短波長和強度信賴于溫度。材料的顏色隨溫度而改變。 例：700度以下，材料呈淡紅色 1500度以下，材料呈桔黃色 非常高的溫度下，材料呈白熱狀態應用：陶瓷學家用一個光學溫度計獲得正加熱的陶瓷件的溫度。 用高溫計測量輻射光的頻帶范圍，便可以估計材料的溫度4.4 材料的發光1. 發光和熱輻射 例：700度以4.4 材料的發

16、光2. 激光 激光：LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激輻射的光放大 ” 特點：用來瞄準特定區域并產生很高密度的熱能；實質是熒光材料的一個例子，一個被激發的原子簇的熒光發射光線激發其它的原子簇，使它們發射同相位的光線。定向發光 亮度極高 顏色極純 能量密度極大4.4 材料的發光2. 激光4.4 材料的發光例：紅寶石激光器 藍寶石（Al2O3單晶)+ 0.05%Cr4.4 材料的發光例：紅寶石激光器4.4 材料的發光例：紅寶石激光器 主要部分: 激光工作物質（Al2O3單晶)和激活物質Cr3+提供亞穩態能級，從基態到激發態經亞穩能級構成三能級激光器。E1E2E34.4 材料的發光例：紅寶石激光器 主要部分: 激光工作物質4.5 其它的性能1. 光電導性： 光子照到半導體的表面，能產生光誘導的導電性，光電導性。 當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使非傳導態電子變為傳導態電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電