材料的光學(xué)性能72030課件

第四章材料的光學(xué)性能

眾所周知,材料對可見光的不同吸收和反射性能使我們周圍的世界呈現(xiàn)五光十色。

金和銀對紅外線的反射能力最強(qiáng),所以常被用來作為紅外輻射腔內(nèi)的鍍層。

玻璃、石英、金剛石是熟知的可見光透明材料

金屬、陶瓷、橡膠和塑料在一般情況下對可見光是不透明的。

橡膠、塑料、半導(dǎo)體鍺和硅卻對紅外線透明。因為鍺和硅的折射率大,故被用來制造紅外透鏡。

許多陶瓷和密胺塑料制品在可見光下完全不透明,但卻可以在微波爐中作食品容器,因為它們對微波透明。

玻璃、塑料、晶體、金屬和陶瓷都可以成為光學(xué)材料。

釹玻璃是應(yīng)用最廣泛的大功率激光發(fā)射介質(zhì)。

發(fā)光材料的進(jìn)步對于信息顯示技術(shù)有重要意義,它給人類的生活帶來了巨大的變化:1929年成功地演示了黑白電視接收機(jī);1953年出現(xiàn)了彩色電視廣播;1964年以稀土元素的化合物為基質(zhì)和以稀土離子摻雜的發(fā)光粉問世,成倍地提高了發(fā)紅光材料的發(fā)光亮度,這一成就使得“紅色”能夠與“藍(lán)色”和“綠色”的發(fā)光亮度相匹配,實現(xiàn)了如今這樣顏色逼真的彩色電視。波粒二象性

早期以牛頓為代表的一種觀點認(rèn)為,光是粒子流。

后來以惠更斯為代表的觀點,認(rèn)為光是一種波動。

麥克斯韋創(chuàng)立了電磁波理論,既能解釋光的直線行進(jìn)和反射,又能解釋光的干涉和衍射,表明光是一種電磁波。

然而在19世紀(jì)末,當(dāng)人們深入研究光的發(fā)生及其與物質(zhì)的相互作用(如黑體輻射和光電效應(yīng))時,波動說卻遇到了難題。

于是普朗克提出了光的量子假設(shè)并成功地解釋了黑體輻射。接著愛因斯坦進(jìn)一步完善了光的量子理論,不僅圓滿地解釋了光電效應(yīng),而且解釋了后來的康普頓效應(yīng)等許多實驗。

愛因斯坦理論中的光量子(光子)不同于牛頓微粒學(xué)說中的粒子。他將光子的能量、動量等表征粒子性質(zhì)的物理量與頻率、波長等表征波動性質(zhì)的物理量聯(lián)系起來,并建立了定量關(guān)系。因此光子是同時具有微粒和波動兩種屬性的特殊物質(zhì),是光的雙重本性的統(tǒng)一。這一切都說明,波動性和粒子性的統(tǒng)一不僅是光的本性,而且也是一切微觀粒子的共同屬性。光是電磁波

光是一種電磁波,它是電磁場周期性振動的傳播所形成的。在光波中,電場和磁場總是交織在一起的。麥克斯韋的電磁場理論表明,變化著的電場周圍會感生出變化的磁場,而變化著的磁場周圍又會感生出另一個變化的電場,如此循環(huán)不已,電磁場就以波的形式朝著各個方向向外擴(kuò)展。

光波中人眼能夠感受到的又只占一小部分,其波長大約在390-770nm范圍,稱為可見光。從反射率曲線(圖4-8)可以看出,當(dāng)逐漸改變?nèi)肷浣菚r,隨著入射角的增大,反射光線會越來越強(qiáng),而透射(折射)光線則越來越弱。圖表示,如果光是從光密介質(zhì)(例如玻璃)射向光疏介質(zhì)(如空氣),即時,則折射角大于入射角。因此入射角達(dá)到某一角度時,圖光的全反射折射角可等于,此時有一條很弱的折射光線沿界面?zhèn)鞑?。如果入射角大?就不再有折射光線,入射光的能量全部回到第一介質(zhì)中。這種現(xiàn)象稱為全反射,角就稱為全反射的臨界角。根據(jù)折射定律可求得臨界角的表達(dá)式

不同介質(zhì)的臨界角大小不同,例如普通玻璃對空氣的臨界角為,水對空氣的臨界角為,而鉆石因折射率很大,故臨界角很小,容易發(fā)生全反射。切割鉆石時,經(jīng)過特殊的角度選擇,可使進(jìn)入的光線全反射并經(jīng)色散后向其頂部射出,看起來就會顯得光彩奪目。

利用光的全反射原理,可以制作一種新型光學(xué)元件——光導(dǎo)纖維,簡稱光纖。光纖是由光學(xué)玻璃、光學(xué)石英或塑料制成的直徑為幾至幾十的細(xì)絲(稱為纖芯),在纖芯外面覆蓋直徑

的包層,包層的折射率比纖芯略低約,兩層之間形成良好的光學(xué)界面。當(dāng)光線從一端以適當(dāng)?shù)慕嵌壬淙肜w維內(nèi)部時,將在內(nèi)外兩層圖光在光導(dǎo)纖維中的傳播之間產(chǎn)生多次全反射而傳播到另一端,一束平行光照射均質(zhì)的材料時,除了可能發(fā)生反射和折射而改變其傳播方向之外,進(jìn)入材料之后還會發(fā)生兩種變化。一是隨著光束的深入,一部分光的能量被材料所吸收,其強(qiáng)度將被減弱;二是介質(zhì)中光的傳播速度比真空中小,且隨波長而變化,這種現(xiàn)象稱為光的色散。吸收的物理機(jī)制

光的吸收是材料中的微觀粒子與光相互作用的過程中表現(xiàn)出的能量交換過程。這一過程的進(jìn)行除了服從能量守恒定律外,還應(yīng)當(dāng)滿足必要的量子條件。眾所周知,光是能量和動量量子化的粒子流,而材料的能量狀態(tài)也是量子化的。因此,只有當(dāng)入射光子的能量與材料的某兩個能態(tài)之間的能量差值相等時,光量子才可能被吸收,與此同時,材料中的電子從較低的能態(tài)躍遷到較高的能態(tài)。由于固體材料的能量結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,不同層次的能態(tài)躍遷可以吸收不同波長的光子,因而形成了吸收光譜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。(1)正常色散

我們已經(jīng)了解光在介質(zhì)中的傳播速度低于真空中的光速,其關(guān)系為y=c/n,據(jù)此可以解釋光在通過不同介質(zhì)界面時發(fā)生的折射現(xiàn)象。若將一束白光斜射到兩種均勻介質(zhì)的分界面上,就可以看到折射光束分散成按紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的順序排列而成的彩色光帶,這是在介質(zhì)中不同波長的光有不同的速度的直接結(jié)果。所以,介質(zhì)中光速或折射率隨波長改變的現(xiàn)象稱為色散現(xiàn)象。研究色散最方便的實驗可以通過棱鏡來進(jìn)行。測量不同波長的光線經(jīng)棱鏡折射的偏轉(zhuǎn)角,就可以得到折射率隨波長變化的曲線。下圖給出了幾種常用光學(xué)材料的色散曲線,分析這些曲線可以得出如下的規(guī)律。

(a)對于同一材料而言,波長愈短則折射率愈大;

(b)折射率隨波長的變化率dn/dλ稱為“色散率”。波長愈短色散率愈大(一般不考慮負(fù)號);

(c)不同材料,對同一波長,折射率大者色散率dn/dλ也大;

(d)不同材料的色散曲間線沒有簡單的數(shù)量關(guān)系。

由于人們早期對色散現(xiàn)象的研究都是在可見光波段為透明的光學(xué)材料上進(jìn)行的,結(jié)果都符合上述規(guī)律,故稱之為“正常色散”。這里“正常”二字是相對于后來發(fā)現(xiàn)的一些“反?！爆F(xiàn)象而言的。1936年科希研究了材料的折射率,成功地將正常色散曲線表達(dá)為此式稱為科希公式。式中,為表征材料特性的常數(shù)。簡化式材料的色散率石英等透明材料在紅外區(qū)的反常色散當(dāng)光束通過平整光滑的表面入射到各向同性介質(zhì)中去時,它將按照折射定律沿某一方向折射,這是常見的折射現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)光束通過各向異性介質(zhì)表面時,折射光會分成兩束沿著不同的方向傳播,見圖,這種由一束入射光折射后分成兩束的現(xiàn)象稱為雙折射。許多晶體具有雙折射性質(zhì),但也有些晶體(例如巖鹽)不發(fā)生雙折射。雙折射的兩束光中有一束光的偏折方向符合折射定律,所以稱為尋常光(或O光)。另一束光的折射方向不符合折射定律,被稱為非常光(或e光)。一般地說,非常光的折射線不在入射面內(nèi),并且折射角以及入射面與折射面之間的夾角不但和原來光束的入射角有關(guān),還和晶體的方向有關(guān)。圖4-22雙折射現(xiàn)象通過改變?nèi)肷涔馐姆较?可以找到在晶體中存在一些特殊的方向,沿著這些方向傳播的光并不發(fā)生雙折射,這些特殊的方向稱為晶體的光軸。應(yīng)該注意,光軸所標(biāo)志的是一定的方向,而不限于某一條具體的直線。有些晶體,例如方解石、石英等,只有一個光軸,稱為單軸晶體;具有兩個光軸的晶體稱為雙軸晶體,例如云母、硫磺、黃玉等晶體。圖4-23方解石晶體的光軸利用晶體材料的雙折射性質(zhì)可以制成特殊的光學(xué)元件,在光學(xué)儀器和光學(xué)技術(shù)中有廣泛應(yīng)用。例如利用晶體的雙折射,將自然光分解成偏振方向互相垂直的兩束線偏振光的洛匈棱鏡和渥拉斯頓棱鏡;利用雙折射和全反射原理,將光束分解成兩束線偏振光后再除去其中一束,而保留另一束的起偏和檢偏元件——尼科爾棱鏡、格蘭棱鏡等;利用晶體O光和e光傳播速度不同的特性,適當(dāng)選擇晶體的切割方向和厚度,可以制成各種晶體波片,使O光和e光之間產(chǎn)生預(yù)期的位相差,從而實現(xiàn)光束偏振狀態(tài)的轉(zhuǎn)換(四分之一波片,又稱λ/4片,可實現(xiàn)線偏振光和圓偏振光之間的互相轉(zhuǎn)換;二分之一波片,又稱λ/2片,可根據(jù)需要隨意改變線偏振光的偏振方向);利用雙折射元件裝配的偏光干涉儀,可用于測量微小的相位差;偏光顯微鏡可用于檢測材料中的應(yīng)力分布;利用不同厚度的晶體組合構(gòu)成的雙折射濾光器已在激光技術(shù)中獲得應(yīng)用,它可以用于光譜濾波,實現(xiàn)從連續(xù)譜光源或?qū)拵Ч庠粗羞x出窄帶輻射。

二向色性

晶體結(jié)構(gòu)的各向異性不僅能產(chǎn)生折射率的各向異性(雙折射),而且能產(chǎn)生吸收率的各向異性(稱為“二向色性”)。電氣石是在可見光區(qū)域有明顯二向色性的晶體。一塊厚度為1mm的這種晶體,幾乎可以完全吸收尋常光,而讓非常光通過。它對非常光也有一些選擇吸收,使得白光透射后呈黃綠色。具有明顯二向色性的材料也可以用來制造偏振元件,即二向色性偏振片。

除了天然晶體之外,還可以利用特殊方法使具有明顯各向異性吸收率的微晶,在透明膠片中有規(guī)律地排列,制成人造二向色性偏振片。例如,一種由有機(jī)化合物碘化硫酸奎寧凝聚成的多晶,具有顯著的二向色性。如果將它們沉積在聚氯乙烯薄膜上,并采用機(jī)械方法將這種薄膜沿某一方向拉伸,則上述微晶就會沿著拉伸方向整齊地排列起來,表現(xiàn)出和單晶一樣的二向色性(即吸收O光而讓e光通過)。將這種薄膜固定在兩片玻璃之間就可以作為偏振片使用。由于人造偏振片工藝簡單,價格便宜,容易加工成大面積的產(chǎn)品,所以很有實用價值。材料的光發(fā)射

材料的光發(fā)射是材料以某種方式吸收能量之后,將其轉(zhuǎn)化為光能即發(fā)射光子的過程。發(fā)光是人類研究最早也應(yīng)用最廣泛的物理效應(yīng)之一。一般地說,物體發(fā)光可分為平衡輻射和非平衡輻射兩大類。平衡輻射的性質(zhì)只與輻射體的溫度和發(fā)射本領(lǐng)有關(guān),如白熾燈的發(fā)光就屬于平衡或準(zhǔn)平衡輻射;非平衡輻射是在外界激發(fā)下物體偏離了原來的熱平衡態(tài),繼而發(fā)出的輻射。本節(jié)將只討論固體材料的非平衡輻射。

固體發(fā)光的微觀過程可以分為兩個步驟:第一步,對材料進(jìn)行激勵,即以各種方式輸入能量,將固體中的電子的能量提高到一個非平衡態(tài),稱為“激發(fā)態(tài)”;

第二步,處于激發(fā)態(tài)的電子自發(fā)地向低能態(tài)躍遷,同時發(fā)射光子。如果材料存在多個低能態(tài),發(fā)光躍遷可以有多種渠道,那么材料就可能發(fā)射多種頻率的光子。材料的光吸收和光發(fā)射都是光和物質(zhì)相互作用的基本過程。年愛因斯坦在研究“黑體輻射能量分布”這一當(dāng)時物理學(xué)難題時曾提出,光與物質(zhì)的相互作用還有第三個基本過程,即受激輻射。據(jù)此他推得黑體輻射的能量分布公式,合理地解釋了實驗規(guī)律。為了與受激輻射相區(qū)別,前面所涉及的光發(fā)射應(yīng)稱為自發(fā)輻射。

以原子為例,并且只關(guān)心物質(zhì)與發(fā)光有關(guān)的兩個能級E1和E2,見圖。自發(fā)輻射是指這樣的過程,即如果原子已經(jīng)處于高能級E2,那么它就可能自發(fā)、獨立地向低能級E1躍遷并發(fā)射一個光子,其能量為

稱為自發(fā)輻射躍遷概率,也稱為自發(fā)輻射系數(shù)。如果原子處于低能級,當(dāng)有能量滿足的光子趨近它時,原子則可能吸收一個光子并躍遷到高能級E2。由于這個吸收過程只有存在適當(dāng)頻率的外來光子時才會發(fā)生,故可稱為“受激吸收”。單位體積內(nèi)單位時間發(fā)生受激吸收的原子數(shù)(等于被吸收的光子數(shù)),不但與低能級的原子密度成正比,還和輻射場的能量密度成正比,故有

其中稱為受激吸收系數(shù),而則為受激吸收概率。吸收結(jié)果導(dǎo)致高能級原子數(shù)增加,

受激輻射的過程是:當(dāng)一個能量滿足的光子趨近高能級的原子時,有可能入射的光子非但沒有被吸收,反而誘導(dǎo)高能級原子發(fā)射一個和自己性質(zhì)完全相同的光子來。換言之,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)。受激輻射是受激吸收的逆過程,它的發(fā)生使高能級的原子數(shù)減少。受激輻射既然存在,為什么人們長期沒有觀察到呢?這是因為通常人們所接觸到的體系都是熱平衡體系或者與熱平衡偏離不遠(yuǎn)的體系。按照玻耳茲曼分布公式,能量差在光頻波段的兩個能級中,高能級的原子密度總是遠(yuǎn)小于低能級的原子密度,而受激輻射產(chǎn)生的光子數(shù)與受激吸收的光子數(shù)之比等于高、低能級粒子數(shù)之比,所以受激輻射就微乎其微以至長期沒有被察覺。通過計算也可以證明,與自發(fā)輻射相比,在熱平衡條件下受激輻射也完全可以忽略。怎樣才能使受激輻射占主導(dǎo)地位呢?關(guān)鍵在于設(shè)法突破玻耳茲曼分布,使上能級的粒子數(shù)大于下能級的粒子數(shù),這個條件稱為“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”。這里的“粒子”二字泛指任何具體介質(zhì)中的微觀粒子,而不局限于原子。顯然,在高、低能級均無簡并的情況下,粒子數(shù)反轉(zhuǎn)即要求

在熱平衡條件下,光波通過物質(zhì)體系時總是或多或少地被吸收,因而越來越弱,但是實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的體系卻恰恰相反。由于受激輻射放出的光子數(shù)多于被吸收的光子數(shù),輻射場將越來越強(qiáng)。換言之,實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)具有對光的放大作用,稱為“激活介質(zhì)”。電子可以透過吸收或釋放能量從一個能階躍遷至另一個能階。例如當(dāng)電子吸收了一個光子[2]時，它便可能從一個較低的能階躍遷至一個較高的能階(圖二a)。同樣地，一個位于高能階的電子也會透過發(fā)射一個光子而躍遷至較低的能階(圖二b)。在這些過程中，電子吸收或釋放的光子能量總是與這兩能階的能量差相等。由于光子能量決定了光的波長，因此，吸收或釋放的光具有固定的顏色。

圖二原子內(nèi)電子的躍遷過程激光基本上就是由第三種躍遷機(jī)制所產(chǎn)生的。圖三顯示紅寶石激光的原理。它由一枝閃光燈，激光介質(zhì)和兩面鏡所組成。激光介質(zhì)是紅寶石晶體，當(dāng)中有微量的鉻原子。在開始時，閃光燈發(fā)出的光射入激光介質(zhì)，使激光介質(zhì)中的鉻原子受到激發(fā)，最外層的電子躍遷到受激態(tài)。此時，有些電子會透過釋放光子，回到較低的能階。而釋放出的光子會被設(shè)于激光介質(zhì)兩端的鏡子來回反射，誘發(fā)更多的電子進(jìn)行受激輻射，使激光的強(qiáng)度增加。設(shè)在兩端的其中一面鏡子會把全部光子反射，另一面鏡子則會把大