第四章材料的光學(xué)性能

第四章材料的光學(xué)性能第1頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用1.光的波粒二象性

1）光電效應(yīng)方程

2）光學(xué)涉及材料對(duì)電磁輻射作用的響應(yīng)。

γ

射線–原子核結(jié)構(gòu)改變；紅外輻射，微波，無(wú)線電波-原子振動(dòng)或晶格結(jié)構(gòu)的改變；X射線，紫外線，可見(jiàn)光譜-原子結(jié)構(gòu)改變第2頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第3頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用

3）光的速度真空中：

在介質(zhì)中傳播：C：3×10-8m/s:真空介電常數(shù):真空磁導(dǎo)率透射，反射，折射：光的粒子性介質(zhì)中傳播、衍射：光的波動(dòng)性第4頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用2.光通過(guò)固體的現(xiàn)象

1）宏觀：光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)中，一部分透過(guò)介質(zhì)，一部分被吸收，一部分在兩種介質(zhì)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(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的能量透射系數(shù)吸收系數(shù)反射系數(shù)散射系數(shù)第5頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用第6頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(chǎng)分量與傳播過(guò)程中的每一個(gè)原子都發(fā)生作用，引起電子極化。

折射的本質(zhì)：一部分能量被吸收，同時(shí)光波速度減小，導(dǎo)致折射。

b)電子能態(tài)的改變：光子被吸收和發(fā)射，都可能涉及到固體材料中電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變。第7頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(zhì)，傳播速度與波長(zhǎng)發(fā)生變化，而且光的傳播方向也發(fā)生變化。折射率：光在真空和介質(zhì)中的速度之比相對(duì)折射率:n>1,原因：光與原子作用導(dǎo)致電子極化，使光速變慢。第8頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用一些透明材料的折射率第9頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用2）材料折射率的影響因素a)材料元素的離子半徑：由于在無(wú)機(jī)材料這樣的電介質(zhì)中，μ=1，ε≠l

材料的折射率隨介電常數(shù)增大而增大離子半徑增大時(shí)，其ε增大，因而n也隨之增大

第10頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(jié)構(gòu)、晶型：

非晶態(tài)和立方晶體結(jié)構(gòu)：一個(gè)折射率（均質(zhì)介質(zhì)）其它晶型：兩個(gè)折射率-尋常光折射率n0和不尋常光折射率ne

（非均質(zhì)）

當(dāng)光沿晶體光軸方向入射時(shí)，只有n0存在，與光軸方向垂直入射時(shí)，ne達(dá)最大值，此值是為材料特性。石英的n0=1.543，ne=1.552；方解石的n0=1.658，ne=1.486；剛玉的n0=1.760，ne=1.768。沿著晶體密堆積程度較大的方向ne較大。

C)材料的內(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。因此產(chǎn)生雙折射。測(cè)定材料中內(nèi)應(yīng)力的大小，可采用測(cè)定雙折射的光程差的大小。

d)同質(zhì)異構(gòu)體：高溫時(shí)n小，低溫時(shí)n大。

第11頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月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(dá)了玻璃-空氣界面：試推導(dǎo)用于表達(dá)折射角與入射角之間的函數(shù)關(guān)系的表達(dá)式；這個(gè)關(guān)系式是否用于所有的入射角？

第12頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用3）色散a)定義：材料的折射率隨入射光的頻率的減小(或波長(zhǎng)的增加)而減小的性質(zhì)，稱(chēng)為折射率的色散。在給定入射光波長(zhǎng)的情況下，材料的色散為:

色散=dn/dλ

b)表示：色散系數(shù)νd，也叫阿貝數(shù)，這是最常用的數(shù)值。nD：是指用鈉光譜中的D線（λD=589.3nm，黃色）為光源測(cè)出的折射率。nF：是指用氫光譜中的F線（λF=486.1nm，藍(lán)色）為光源測(cè)出的折射率。nC：是指用氫光譜中的C線（λC=656.3nm，紅色）為光源測(cè)出的折射率。

第13頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用3）色散c)原理：頻率不同導(dǎo)致介質(zhì)極化強(qiáng)度不同；極化強(qiáng)度不同導(dǎo)致折射率不同。

d)應(yīng)用：用不同牌號(hào)的光學(xué)玻璃，分別磨成凸透鏡和凹透鏡組成復(fù)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(zhǎng)有關(guān)。材料的折射率n隨入射光波長(zhǎng)的降低而減小，所以，談材料的折射率時(shí)必須指出所用的光的波長(zhǎng)。一般常用nD來(lái)比較不同材料的折射率。

第14頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用4.材料的反射系數(shù)及其影響因素

當(dāng)光從二種不同介質(zhì)通過(guò)時(shí)，要發(fā)生反射和折射。其中反射是電子吸收光子能量，由高能級(jí)又返回低能級(jí)時(shí)發(fā)射出的的電磁波。當(dāng)一束自材料1垂直入射到材料2上的光線，產(chǎn)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(guò)介質(zhì)表面鍍?cè)鐾改?；b)將多次透過(guò)的玻璃用折射率與之相近的膠粘起來(lái)。第15頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用例：望遠(yuǎn)鏡的透鏡由多塊玻璃組成，若光線沿垂直入射方向通過(guò)氧化硅玻璃(n=1.5),進(jìn)入高鉛鈉氧化硅玻璃（n=2.5),計(jì)算被反射的光線。

第16頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用5.材料的透射系數(shù)及其影響因素

材料對(duì)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。第17頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用1）金屬的光透過(guò)性質(zhì)

金屬對(duì)所有的低頻電磁波（從無(wú)線電到紫外光）都是不透明的，只有對(duì)高頻電磁波X射線和γ射線才是透明的。（高頻時(shí)，電子來(lái)不及做出響應(yīng)）導(dǎo)體的價(jià)帶特征是部分填滿(mǎn)，電子易吸收入射光子的能量后激發(fā)到空能級(jí)上。金屬材料吸收的光又從表面上以同樣波長(zhǎng)的光波反射出來(lái)。還有一小部分以熱的形式損失了。第18頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過(guò)性

介質(zhì)吸收光的一般規(guī)律：

電子極化：只有光的頻率與電子極化時(shí)間的倒數(shù)處于同一數(shù)量級(jí)電子受激吸收光子而越過(guò)禁帶電子吸收光子受激進(jìn)入位于禁帶中的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)第19頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于第二種機(jī)制:吸收光子的能量把電子從填滿(mǎn)的價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶的空能級(jí)上，導(dǎo)帶中出一個(gè)電子，而在價(jià)帶留下一個(gè)空穴。只有光子的能量滿(mǎn)足下列條件才會(huì)被吸收：或可見(jiàn)光最短波長(zhǎng)0.4um，電子受激后躍遷的非金屬材料的禁帶寬度最大為3.1eV；若禁帶寬度大于3.1eV，則這種材料不可能吸收可見(jiàn)光，純度很高的絕緣體材料是無(wú)色透明的?？梢?jiàn)光的最大波長(zhǎng)約0.7um,吸收光子后電子能越過(guò)的最小的禁帶寬度Egmin=1.8eV.對(duì)于禁帶寬度小于1.8eV的半導(dǎo)體材料，可見(jiàn)光被吸收，是不透明的。對(duì)于禁帶寬度處于1.8-3.1eV的非金屬材料，只有部分可見(jiàn)光補(bǔ)吸收，因而是帶色透明的。第20頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

每一種非金屬材料對(duì)特定波長(zhǎng)以下的的電磁波是不透明，其具體波長(zhǎng)取決于禁帶Eg對(duì)于第三種機(jī)制:對(duì)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雜質(zhì)或缺陷能級(jí)，使吸收光子的電子進(jìn)入其中。4.1光和固體的相互作用第21頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月小結(jié)：材料的吸收系數(shù)與電磁波長(zhǎng)密切相關(guān)。對(duì)于電介質(zhì)材料，由于禁帶要在高頻下光子才能提供足夠的能量。但在紅外區(qū)，也顯示吸收峰，由于入射電磁波與正負(fù)離子的振動(dòng)發(fā)生共振，光子能量被吸收轉(zhuǎn)化為晶格的彈性振動(dòng)，即聲子吸收。

第22頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月吸收系數(shù)：介質(zhì)吸收的光譜能量不僅與介質(zhì)的電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，還與光程有關(guān)。I=I0e-αx為吸收系數(shù)，取決于材料性質(zhì)與波長(zhǎng)。第23頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.1光和固體的相互作用2）非金屬材料的透過(guò)性

b)介質(zhì)對(duì)光的散射：散射：由于光傳播的介質(zhì)不同，介質(zhì)中含有小粒子，晶界面相，氣孔或雜質(zhì)，由這些產(chǎn)生的次級(jí)波與主波方向不一致，并合成產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，引起散射。（一部分能量偏離原來(lái)的方向向四面八方彌散開(kāi)來(lái)）I=I0-SxS:散射系數(shù)，或稱(chēng)為內(nèi)反射現(xiàn)象。散射：與波長(zhǎng)有關(guān)，也與散射顆粒的大小，分布，數(shù)量以及散射相與基體的相對(duì)折射率大小有關(guān)。

第24頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4材料的發(fā)光1.發(fā)光和熱輻射

1）熒光和磷光：

發(fā)光：由于受溫度之外的其它因素導(dǎo)致的固體向外發(fā)射可見(jiàn)光的現(xiàn)象。如果外來(lái)能量使激發(fā)電子從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，當(dāng)電子返回時(shí)便發(fā)射光子，如果這種光子的波長(zhǎng)處于可見(jiàn)光范圍內(nèi)，有上述現(xiàn)象。

熒光：受激發(fā)在大約10-8s以?xún)?nèi)發(fā)射的電磁波。

其發(fā)光是被激發(fā)的電子跳回價(jià)帶時(shí)，發(fā)射的光子第25頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4材料的發(fā)光磷光：激發(fā)事件已經(jīng)結(jié)束之后的一段時(shí)間內(nèi)持續(xù)發(fā)生的電磁輻射。

材料往往含有雜質(zhì)，并在能隙附近建立了施主能級(jí)，激發(fā)的電子從導(dǎo)帶回價(jià)帶時(shí)，首先回到施主能級(jí)補(bǔ)被捕獲，回價(jià)帶時(shí)，電子首先從陷阱內(nèi)逸出。因此延遲了光子發(fā)射的時(shí)間。第26頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4材料的發(fā)光磷光體：激發(fā)停止后的一段時(shí)間內(nèi)能發(fā)光的復(fù)雜晶體無(wú)機(jī)物質(zhì)

應(yīng)用:電視機(jī)屏幕使用的材料；LED（發(fā)光二極管）技術(shù)第27頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4材料的發(fā)光1.發(fā)光和熱輻射

2）熱輻射：

利用高溫將電子激發(fā)到較高能級(jí)上去的過(guò)程，一些電子回落到空穴位置，此過(guò)程放出光子，隨溫度升高，獲得呈連續(xù)譜的發(fā)射光線。輻射的最短波長(zhǎng)和強(qiáng)度信賴(lài)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(tài)應(yīng)用：陶瓷學(xué)家用一個(gè)光學(xué)溫度計(jì)獲得正加熱的陶瓷件的溫度。用高溫計(jì)測(cè)量輻射光的頻帶范圍，便可以估計(jì)材料的溫度第28頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4材料的發(fā)光2.激光

激光：LASER-LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation“受激輻射的光放大”特點(diǎn)：用來(lái)瞄準(zhǔn)特定區(qū)域并產(chǎn)生很高密度的熱能；實(shí)質(zhì)是熒光材料的一個(gè)例子，一個(gè)被激發(fā)的原子簇的熒光發(fā)射光線激發(fā)其它的原子簇，使它們發(fā)射同相位的光線。定向發(fā)光亮度極高顏色極純能量密度極大

第29頁(yè)，課件共34頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4.4材料的發(fā)光例：紅寶石激光器

藍(lán)寶石（Al2O3單晶)+0.05%Cr第3