第5章 材料的光學(xué)性能

1、第5章 材料的光學(xué)性能5.1 光和固體的相互作用 5.1.1 光的波粒二象性 5.1.2 光通過固體現(xiàn)象5.2 材料的發(fā)光 5.2.1 發(fā)光和熱輻射 5.2.2 激光光學(xué)材料的發(fā)展進程：光學(xué)玻璃的生產(chǎn)已有200多年的歷史。（光學(xué)透鏡：望遠鏡、顯微鏡、照相機、眼鏡、攝影機等。）高純、高透明的光通信纖維玻璃。（對工作頻率僅為普通玻璃的萬分之一，實現(xiàn)了遠距離光通信。）激光領(lǐng)域：釹玻璃應(yīng)用最廣泛的大功率激光發(fā)射介質(zhì)（Nd： 稀土金屬）。陶瓷、橡膠、塑料對可見光不透明；陶瓷、橡膠、鍺和硅對紅外線透明（折射率大，做紅外透鏡）；許多陶瓷和塑料制品在可見光下不透明，但對微波透明（微波爐中的食品容器）；金和鋁對

2、紅外線反射能力最強（用作紅外輻射腔內(nèi)的鍍層）光學(xué)塑料被普遍用在隱形眼鏡上。光學(xué)材料已被人們廣泛利用，受到青睞2.光子與固體材料相互作用的微觀機制實際上是光子與固體材料中的原子、離子、電子等的相互作用。本質(zhì)有兩種方式 （1）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。 正是因為介質(zhì)的極化“拖住”了電磁波的步伐，使其傳播速度比真空中慢，導(dǎo)致折射產(chǎn)生。 （2）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)

3、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=h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。圖1 固體吸收和發(fā)光的三種機制受激吸收過程前過程后。b) 自發(fā)輻射。2c) 受激輻射過程前過程前過程后過程后-補充：固體吸收和發(fā)光的三種機制考慮最簡單的二能級系統(tǒng)，即與光相互作用的物質(zhì)原子只有兩個能級：高能級和低能級。如圖1所示，即E2 E1；處于E2能級上的粒子數(shù)目為N2，位于E1能級上的粒子數(shù)目為N1.實質(zhì)是電子能級的躍遷 材料的光吸收和光發(fā)射（

4、自發(fā)輻射）都是光和物質(zhì)相互做用的基本過程。1917年愛因斯坦研究“黑體輻射能量分布”時提出了光和物質(zhì)相互作用的第三個基本過程受激輻射。受激吸收：固體吸收一個光子的過程，光子能量固體中粒子（價電子）的能級由 遷移到 自發(fā)輻射：固體發(fā)射一個光子的過程，光子能量固體中粒子由能級 遷移到 。受激輻射：當(dāng)一個能量滿足的光子趨近高能級 的原子時，有可能誘導(dǎo)高能級原子發(fā)射一個和自己性質(zhì)完全相同的光子，此受激輻射的光子和入射光子具有相同的頻率、方向和偏振狀態(tài)。即受激輻射光是相干光。受激輻射光加上原來的外來光，使光在傳播方向上光強得到放大。（逆過程）3. 研究材料光吸收和光發(fā)射的意義：研究固體中的光吸收和光發(fā)射，可直接地獲得有關(guān)固體中的電子狀態(tài)，即電子的能帶結(jié)構(gòu)及其它各種激發(fā)態(tài)的信息。例如：對于半導(dǎo)體材料光吸收和光發(fā)射的研究，可以得出： 帶隙 功函數(shù) 雜質(zhì)能級 相干光：兩束滿足相干條件的光稱為相干光，相干條件：這兩束光在相遇區(qū)域：振動方向相同；振動頻率相同；相位相同或相位