第4-1讲 光学性质.ppt

1、1. 光的基本性质,引言 ：,（1）微粒学说 ( corpuscular theory ),（2）波动学说 ( undulatory theory ),（3）光 具有波粒二象性的物质 粒子性：光子(Photon ) ：E = h= h c / ,无线电波波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。 微波波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。 红外线（IR）分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释

2、温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的红外辐射。,1. 光的基本性质 1.2 电磁波谱,光与固体相互作用的本质有两种方式： 电子极化 电子能态转变,1. 光的基本性质 1.3 光与固体的相互作用,电子极化 电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量； 在可见光范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用引起电子极化，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移； 所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射。,1. 光的基本性质 1.3 光与固体的

3、相互作用,1. 光的基本性质 1.3 光与固体的相互作用,电子能态转变 电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一种能态的过程； 材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化E与电磁波频率有关： E=h 受激电子不可能无限长时间地保持.在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。,2. 光的反射与折射2.1 反射定律与折射定律,光的反射和折射 反射定律 三线共面； 反射角等于入射角 折射定律 三线共面；,一、惠更斯原理：为了说明光的传播定律，惠更斯提出了一个普遍原理 媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波

4、源，而在其后的任意时刻，这些子波的包络面就是新的波面。 也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源，每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播，经过时间t之后形成球面半径为vt的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是t时间后的新波前。 该原理适用于机械波和电磁波,2. 光的反射与折射2.2 折射率与传播速度的关系,2. 光的反射与折射2.2 折射率与传播速度的关系,二、折射定律： 材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。 光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢； 光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快。 材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁

5、磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性。, 介质对光的吸收,在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。 其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。 这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于对现象及其唯象规律的描述，并用经典电子论对

6、这些现象作进一步的解释。,定义 由于光是一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电子跃迁或使原子振动，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这种现象称为介质对光的吸收。 吸收系数, 介质对光的吸收3.1 基本性质,光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。 这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体发热。 光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为光的吸收（absorption）。, 介质对光的

7、吸收3.2 吸收定律,一 吸收定律 - 布格定律,材料对光的吸收机理： 电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要； 电子受激吸收光子而越过禁带； 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光； 所以，只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时，光量子才可能被吸收。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。 光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。, 介质对光的吸收3.3 吸收的物理机制,禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能

8、级，使电子能够吸收光子后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。, 介质对光的吸收3.3 吸收的物理机制,除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。 任何一种物质，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。 例如，在光学材料中，石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变，这种现象为一般吸收；但是对于波长范围为3.55.0m的红外光却是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化，这种现象为选择吸收。换言之，石英对可见光和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈的吸收。, 介质对光的吸收3.4 一般吸收和选择吸收,4 介

9、质对光的散射 4.1 光散射现象,当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的结果，这种现象称为光的散射。 例如，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射的缘故。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性散射与非弹性散射 弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射。 非弹性散射：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属

10、于弹性散射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这些频率发生改变的光散射是入射光子与介质发生非弹性碰撞的结果，称为非弹性散射。,一、弹性散射分类 按照散射中心尺度a0与入射光波长是大小，分为三类： 1. 廷德尔散射 Tyndall Scattering (J.Tyndall，1820-1893) 当a0时，0 即散射中心的尺度远大于光波波长时，散射光强与入射光波长无关 如粉笔灰、白云呈白色 例如在胶体、乳浊液以及含有烟、雾 或灰尘的大气中的散射。,4 介质对光的散射 4.2 光散射

11、分类,2. 米氏散射 Mile Scattering 当a0与相近时，=04 即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时， 在04之间,具体取值与散射中心有关. 米氏散射性质比较复杂。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,3. 瑞利散射 Rayleigh scattering 当a0时，=4 即当散射中心的线度远小于入射光的波长时，散射强度与波长的4次方成反比 通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光的散射，称为瑞利散射（Rayleigh scattering）。 瑞利散射不改变原入射光的频率。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,3. 瑞利散射 按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午

12、阳的颜色不同。 入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射。 因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,Global,早晨,中午,太阳光,二、非弹性散射分类 1. 拉曼散射 （Raman scattering） 是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波的散射。 在光谱图上距离瑞利线较远，它们与瑞利线的频差可因散射介质能级结构不同而在100104之间变化。 2. 布里渊散射 （Brillouin scattering） 是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，

13、即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之间的能量交换结果。 由于声学声子的能量低于光学声子，所以布里渊散射的频移比拉曼散射小，在光谱图上它们紧靠在瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪等光谱仪才能分辨出来。,4 介质对光的散射 4.2 光散射分类,测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出棱镜材料的折射率n与波长之间的关系曲线，即色散曲线。 实验表明，凡在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线在形式上很相似，这些曲线的共同特点是，折射率n以及色散率dn/d的数值都随着波长的增加而单调下降，在波长很长时折射率趋于定值，这种色散称为正常色散（normal dispersion）。,6-5,5

14、介质对光的色散 5.2 正常色散,一、定义,实验表明，在发生强烈吸收的波段，色散曲线发生力量明显的不连续，折射率n随着波长的增加而增大，即dn/d 0，这种在吸收带附近不符合科希公式，与正常色散曲线大不相同的特征称之为反常色散（anomalous dispersion） 尽管通常把这种色散称为反常色散，但实际上它反映了物质在吸收区域内所普遍遵从的色散规律。 大多数材料在遇到吸收带时，色散曲线都有这种不连续的性质。在吸收区域以外，物质的色散曲线仍属于正常曲线。,6-6,5 介质对光的色散 5.3 反常色散,6 材料的光发射 6.1 光发射的定义,一、定义 材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光

15、能即发射光子的过程，这就是光发射。 自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大的绝缘体，其次的半导体它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶的形式被应用。 从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、发光强度及延续时间等。,6 材料的光发射 6.1 光发射的定义,二、平衡辐射和非平衡辐射 1. 平衡辐射 只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。 2. 非平衡辐射 在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。,（1）热辐射,（2）电致发光,（3）光致发光,（4）化学发光,自发 辐射,（5）同步辐射光源,（6）激光光源,

16、受激 辐射,激发态原子或分子的自发辐射, = (E2-E1) / h,E1,E2,激发态原子或分子的受激辐射,6 材料的光发射 6.2 激励方式,材料发光前可以有多种方式向其注入能量,一、分立中心发光 RE3+发光，杂质、缺陷发光 其发光通常是掺杂在透明基质材料中的离子，或基质材料自身结构的某一个基团。 选择不同的发光中心和不同的基质组合，可以改变发光体的发光波长，调节其光色。 发光中心分布在晶体点阵中，受晶体点阵作用，使其能量状态发生变化进而影响材料饿发光性能。,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为两种情况： 发光中心基本上是孤立的它的发光

17、光谱与自由离子相似； 发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光特性与自由离子不同必须把中心和基质作为一个整体来分析。,6 材料的光发射 6.4 发光的物理机制,激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好,亮度高、相干性强、方向性好的相干光束。 激光技术是20世纪60年代后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、光学信息处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展，形成了现代光学。 仅就全息照相和傅里叶光学中的一些最基础的内容作扼要的介绍。,7-1,激光（Laser）,7 其它光学性质 7.1 激光,全息照相,全息术（holography）是利用光的干涉和衍

18、射原理，将携带物质信息的光波以干涉图的形式记录下来，并且在一定的条件下使其再现，形成原物体逼真的立体象。由于记录了物体的全部信息，包括振幅和相位因此称为全息术。,7 其它光学性质 7.2 全息照相,1、光电效应的基本概念 当光照射到金属表面时，金属中有电子逸出的现象叫光电效应，所逸出的电子叫光电子，由光电子形成的电流叫光电流，使电子逸出某种金属表面所需的功称为该种金属的逸出功。,8 光电效应8.1 光电效应的实验规律,2、实验装置,单色光通过石英窗照射金属板 阴极上有光电子产生。,如将K接正极、A接负极，则光电子离开K后，将受到电场的阻碍作用。当K、A之间的反向电势差等于U0时，从K逸出的动能最大的电子刚好不能到达A，电路中没有电流， U0叫遏止电压。,8 光电效应8.1 光电效应的实验规律,1、爱