材料的光学性能

1、2021/3/10讲解：XX1 2021/3/10讲解：XX2 5.1 5.1 光传播的基本理论光传播的基本理论 一、光的波粒二象性一、光的波粒二象性 hc hvE 根据电磁场的麦克斯韦方程组，可得出电磁波在介质中的根据电磁场的麦克斯韦方程组，可得出电磁波在介质中的 速度速度 rr c V C为电磁波在真空中的传播速度，为电磁波在真空中的传播速度， r为介质相对介电常数，为介质相对介电常数， r为介质的相对磁导率，且为介质的相对磁导率，且 00 1 c 0，0为真空介电常数、磁导率 2021/3/10讲解：XX3 光在真空中的速度与介质中的速度之比光在真空中的速度与介质中的速度之比 n V c

2、 n称为介质常数，这个介质常数决定了材料的光折射性质，称为介质常数，这个介质常数决定了材料的光折射性质， 称为介质的折射率称为介质的折射率 2021/3/10讲解：XX4 二、光和物质的相互作用二、光和物质的相互作用 光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是电磁辐射的载体。光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是电磁辐射的载体。 光子还具有分立的动量：光子还具有分立的动量： h P hv 2021/3/10讲解：XX5 5.2.光的折射光的折射 、反射、吸收和散射特性、反射、吸收和散射特性 5.2.1折射率折射率 1）定义）定义 光是具有一定波长的电磁波，光的折射可理解为光光是具有一定波长的电磁波，光

3、的折射可理解为光 在介质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光在介质中传播速度的降低而产生的（以真空中的光 速为基础）。速为基础）。 当光从真空进入较致密的材料时当光从真空进入较致密的材料时,其速度是降低的。其速度是降低的。 折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。折射率定义为：光在真空和材料中的速度之比。 即：即： n=v真空 真空/v材料材料=c/v材料材料 (5.1) 6 2021/3/10讲解：XX6 2）绝对折射率与相对折射率）绝对折射率与相对折射率 （1）绝对折射率）绝对折射率 材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率。材料相对于真空中的折射率称为绝对折射率。 一般将真空中的折射率

4、定为一般将真空中的折射率定为1。 （2）相对折射率）相对折射率 材料相对于空气的折射率称为相对折射率：材料相对于空气的折射率称为相对折射率： n=va/v材料 材料 （3）绝对折射率与相对折射率的关系）绝对折射率与相对折射率的关系 n= c/v材料 材料 则 则 v材料 材料= c/ n 又又空气的绝对折射率为：空气的绝对折射率为：na= c/va ，则，则va= c/ na 因此，因此，n=nan=1.00023 n 2 a aa n n n/c n/c v v n 材料 2021/3/10讲解：XX7 2两种材料间的相对折射率两种材料间的相对折射率 如果光从材料如果光从材料1，通过界面传入

5、材料，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成时，与界面法向所形成 的入射角的入射角i1、折射角、折射角i2与两种材料的折射率与两种材料的折射率n1和和n2现有下述关系：现有下述关系： 式中：式中：v1及及v2分别表示光在材料分别表示光在材料l及及2中的传播速度，中的传播速度，n21为材料为材料2 相对于材料相对于材料l的相对折射率。的相对折射率。 3影响折射率的因素影响折射率的因素 1）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径 （1）折射率）折射率n与极化率的关系与极化率的关系 由于光是一种电磁波，所以根据马克斯威尔电磁波理论，光在由于光是一种电磁波，所以根据马克斯威尔电磁波理论，光在

6、介质中的传播速度应为：介质中的传播速度应为： 式中：式中：c为真空中的光速，为真空中的光速，为介质的介电常数，为介质的介电常数，为介质的导磁为介质的导磁 率。率。 3 2 1 21 1 2 2 1 v v n n n isin isin c v (5.2) (5.3) 2021/3/10讲解：XX8 根据根据(51)式和式和(53)式可得式可得: 由于在无机材料这样的电介质中，由于在无机材料这样的电介质中，=1，l （5.5） （2）极化率与离子半径的关系）极化率与离子半径的关系 当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变形），在可见当光通过材料时，必然引起内部质点的极化（变形），在可见 光范

7、围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且，光范围内，这种变化表现为离子或核外电子云的变形，而且， 随着光波电场的交变，电子云也反复来回变形。如下图随着光波电场的交变，电子云也反复来回变形。如下图: 4 c c v c n 材料 (5.4) n 当离子半径增大时，其当离子半径增大时，其增大，因而增大，因而n也随之增大也随之增大 2021/3/10讲解：XX9 2）材料的结构、晶型和晶态）材料的结构、晶型和晶态 （1）均质介质）均质介质 如非晶态如非晶态(无定型体无定型体)和立方晶体材料，当光通过时，光速不因传播和立方晶体材料，当光通过时，光速不因传播 方向改变而变化，材料只有一个折射率。

8、方向改变而变化，材料只有一个折射率。 （2）非均匀介质）非均匀介质 光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。光进入非均质介质时，一般会产生双折射现象。 双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动方向相互垂直、传双折射：当一束光通过一个介质时，分为振动方向相互垂直、传 播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线的现象。播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线的现象。 常光折射率常光折射率n0 上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折上述两条折射光线中，平行于入射面的光线的折射率称为常光折 射率。射率。 特性：不论入射光的入射角如何变化，特性：不论入射光的入射角如何变化，n0

9、始终为一常数，因而常始终为一常数，因而常 光折射率严格服从折射定律。光折射率严格服从折射定律。 非常光折射率非常光折射率ne 与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。与入射面垂直的光线的折射率，称为非常光折射率。 非常光折射率的特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变非常光折射率的特性：它不遵守折射定律，随入射光的方向而变 化。化。 5 2021/3/10讲解：XX10 3）同质异构体）同质异构体 一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低，一般情况下，同质异构材料的高温晶型原子的密堆积程度低， 因此折射率较低；低温晶型原子的密堆积程度高，因此折射率因此折射率较低；低温晶型原

10、子的密堆积程度高，因此折射率 较高。以较高。以SiO2为例为例 石英晶体石英晶体 常温下的石英晶体，常温下的石英晶体，n =1.55，数值最大；高温时的鳞石英，数值最大；高温时的鳞石英，n =1.47；方石英，；方石英，n =l.49。 石英玻璃石英玻璃 常温下的石英玻璃，常温下的石英玻璃，n =1.46，数值最小。，数值最小。 至于普通钠钙硅酸盐玻璃，至于普通钠钙硅酸盐玻璃，n =1.51，比石英的折射率小。，比石英的折射率小。 提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如含提高玻璃折射率的有效措施是掺入铅和钡的氧化物。例如含 Pb090(体积体积)的铅玻璃的铅玻璃 n=2.1。 4）

11、外界因素）外界因素 有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于大，平行于 受拉主应力方向的受拉主应力方向的n小。因此产生双折射。小。因此产生双折射。 测定材料中内应力的大小，常采用测定双折射的光程差的大小。测定材料中内应力的大小，常采用测定双折射的光程差的大小。 6 2021/3/10讲解：XX11 5.3.2反射率和透射率反射率和透射率 1反射系数（反射率）反射系数（反射率） 当光投射到材料表面时一般产生反射、透过和吸收。当光投射到材料表面时一般产生反射、透过和吸收。 这三种基本性质都与折射率有关。这三种基本性质都与折射率有关。 m（%）

12、+A（%）+T（%）=100% 1）反射系数的定义）反射系数的定义 10 设光的总能量流设光的总能量流w为为 W=W+W （5.8） W，W，W分别为单位时间通过分别为单位时间通过 位面积的入射光、反射光和折射光位面积的入射光、反射光和折射光 的能量流。的能量流。 则，反射系数为则，反射系数为 m=W/W 。 或：或：m=被反射的光强度被反射的光强度/入射光强入射光强 度度=L/I0 2021/3/10讲解：XX12 2）反射系数与折射率的关系）反射系数与折射率的关系 根据波动理论根据波动理论 WA2vS (5.9) 式中，式中，A为入射波的振幅，为入射波的振幅，v为入射波的传播速度，为入射波

13、的传播速度，S为界面面积。为界面面积。 由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以：由于反射波的传播速度及横截面积都与入射波相同，所以： A，A分别为反射波和入射波的振幅。分别为反射波和入射波的振幅。 把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动，把光波振动分为垂直于入射面的振动和平行于入射面的振动， Fresnel推导出推导出 ： 11 2 ) A A ( W W （5.10） ) ri (sin ) ri (sin A A W W 2 2 2 S S ) ri (tg ) ri (tg A A W W 2 2 2 r r / （5.11） （5.12） 2021/3/10讲

14、解：XX13 自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于自然光在各方向振动的机会均等，可以认为一半能量属于 同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以同入射面平行的振动，另一半属于同入射面垂直的振动，所以 总的能量流之比为总的能量流之比为: 当角度很小时，即垂直入射时：当角度很小时，即垂直入射时： 因为介质因为介质2对于介质对于介质l的相对折射率为：的相对折射率为： 故：故： n21 = i / r m 称为反射系数。称为反射系数。 12 ) ri (tg ) ri (tg ) ri (sin ) ri (sin 2 1 W W 2 2 2 2 (5.13) 2 2 2 2

15、 2 2 2 2 1 r i 1 r i ) ri ( ) ri ( ) ri (tg ) ri (tg ) ri (sin ) ri (sin rsin isin n 21 m) 1n 1n ( W W 2 21 21 （5.14） 2021/3/10讲解：XX14 2透射系数透射系数 根据能量守恒定律（光在界面上的现象）根据能量守恒定律（光在界面上的现象） ， W=W+W (5.15) (1m)称为透射系数。由称为透射系数。由(4.14)式可知式可知,在垂直入射的情况下在垂直入射的情况下,光光 在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率在界面上的反射的多少取决于两种介质的相对折射率n2

16、1 3界面的反射损失界面的反射损失 （1）基本现象）基本现象 如果介质如果介质l为空气，可以认为，为空气，可以认为，n1=1，则，则n21=n2； 如果如果n1和和n2相差很大，那么界面反射损失就严重；相差很大，那么界面反射损失就严重； 如果如果n1= n2，则，则 m =0； 根据，因此在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。根据，因此在垂直入射的情况下，几乎没有反射损失。 13 m1 W W 1 W W 2021/3/10讲解：XX15 （2）光线通过）光线通过x块、块、2块玻璃板的透射块玻璃板的透射 设一块折射率设一块折射率n=1.5的玻璃，光反射损失为的玻璃，光反射损失为m=0.04，透

17、过部，透过部 分为分为1m=0.96。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过。如果透射光又从另一界面射入空气，即透过 两个界面，此时透过部分为两个界面，此时透过部分为(1m)2=0.922。 如果连续透过如果连续透过x块平板玻璃，则透过部分应为块平板玻璃，则透过部分应为(1m)2x。 减少反射损失的实例减少反射损失的实例 由于陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以反射损失由于陶瓷、玻璃等材料的折射率较空气的大，所以反射损失 严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。严重。如果透镜系统由许多块玻璃组成，则反射损失更可观。 为了减小这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它为了减

18、小这种界面损失，常常采用折射率和玻璃相近的胶将它 们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对们粘起来，这样，除了最外和最内的表面是玻璃和空气的相对 折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从折射率外，内部各界面都是玻璃和胶的较小的相对折射率，从 而大大减小了界面的反射损失。而大大减小了界面的反射损失。 增加反射损失的实例增加反射损失的实例 为了调节玻璃的为了调节玻璃的n，常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃，常在玻璃表面涂以一定厚度的和玻璃n不不 同的透明薄膜，使玻璃表面的同的透明薄膜，使玻璃表面的m增加或减少增加或减少。 14 2021/3/10讲解：XX16 5.3.3

19、.5.3.3.光的吸收光的吸收 一介质对光的吸收一介质对光的吸收 1吸收的一般规律吸收的一般规律 1）光吸收的原因）光吸收的原因 光作为一种能量流，在穿过介质时，光作为一种能量流，在穿过介质时，使介质的价电子受到使介质的价电子受到 光能而激发，在电子壳能态间跃迁，或使电子振动能转变为分光能而激发，在电子壳能态间跃迁，或使电子振动能转变为分 子运动的能量，即材料将吸收光能转变为或热能放出；子运动的能量，即材料将吸收光能转变为或热能放出；介质介质 中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时，中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激而发出光子时， 在运动中与其它分子碰撞，使电子的能量转变成

20、分子的动能亦在运动中与其它分子碰撞，使电子的能量转变成分子的动能亦 即热能。从而构成了光能的衰减。这就是光的吸收。即热能。从而构成了光能的衰减。这就是光的吸收。 2）朗伯特定律）朗伯特定律 设有一块厚度为设有一块厚度为x的平板材料，入射光的强度为的平板材料，入射光的强度为I0，通过此材，通过此材 料后光强度为料后光强度为I。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸。选取其中一薄层，并认为光通过此薄层的吸 收损失收损失 dI，它正比于在此处的光强度和薄层的厚度，它正比于在此处的光强度和薄层的厚度dx，即，即: 15 2021/3/10讲解：XX17 -dI = aIdx , , (5.16)式表明

21、，光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。此式称式表明，光强度随厚度的变化符合指数衰减规律。此式称 为朗伯特定律。为朗伯特定律。 式中式中 a为物质对光的吸收系数，其单位为为物质对光的吸收系数，其单位为cm-1。a取决于材料取决于材料 的性质和光的波长。的性质和光的波长。a越大材料越厚，光就被吸收得越多，因越大材料越厚，光就被吸收得越多，因 而透过后的光强度就越小。而透过后的光强度就越小。 2光吸收与光波长的关系光吸收与光波长的关系 根据光的波长，可将光进行如下划分：根据光的波长，可将光进行如下划分： 射线射线X射线射线紫外光（紫外光（10400nm）可见光可见光(400 760nm)红外光红外光

22、(760106nm)无线电波无线电波 1)可见光区（可见光区（400760nm） 如果材料对光谱内各波长的光吸收不等，有选择性，则由玻璃如果材料对光谱内各波长的光吸收不等，有选择性，则由玻璃 出来的光线必定改变了原来的光谱组成，就获得了有颜色的光。出来的光线必定改变了原来的光谱组成，就获得了有颜色的光。 16 x a I I dx I dI 0 0 x I I a 0 lnx a eII 0 （5.16） 2021/3/10讲解：XX18 材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光材料对光的吸收是基于原子中电子（主要是价电子）接受光 能后，由代能级（能后，由代能级（E1）向高能级（）

23、向高能级（E2）跃迁。当两个能级的能）跃迁。当两个能级的能 量差（量差（E2-E1=h=Eg，h为普照朗克常数，为普照朗克常数，v为频率）等于可见光为频率）等于可见光 的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。的能量时，相应的波长的光就被吸收，从而呈现颜色。Eg越小，越小， 吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深；反之，能级差吸收的光的波长愈长，呈现的颜色愈深；反之，能级差Eg愈大，愈大， 吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。吸收光的波长愈短，则呈现的颜色愈浅。 例例1，金属，金属 金属对光能吸收很强烈。金属对光能吸收很强烈。 例例2，玻璃，玻璃 17 玻璃有良好的透光性，吸收玻璃有良好的透

24、光性，吸收 系数很小（系数很小（Eg大）。大）。 从图中可见，在电磁波谱的可从图中可见，在电磁波谱的可 见光区，金属和半导体的吸收见光区，金属和半导体的吸收 系数都是很大的。系数都是很大的。 但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这但是电介质材料，包括玻璃、陶瓷等无机材料的大部分在这 个波谱区内都有良好的透个波谱区内都有良好的透 过性。也就是说吸收系数很小。过性。也就是说吸收系数很小。 2021/3/10讲解：XX19 2）紫外区（）紫外区（10400nm） 对于一般无色透明的材料（如玻璃）的紫外吸收现象比较特殊，对于一般无色透明的材料（如玻璃）的紫外吸收现象比较特殊， 不同于离子

25、着色，并不出现吸收峰，而是一个连续的吸收区。透不同于离子着色，并不出现吸收峰，而是一个连续的吸收区。透 光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线，通常称为吸收极限，光区与吸收区之间有一条坡度很陡的分界线，通常称为吸收极限， 小于吸收极限的波长完全吸收，大于吸收极限的波长则全部透过。小于吸收极限的波长完全吸收，大于吸收极限的波长则全部透过。 这是因为波长愈短，光子能量越来越大。当光子能量达到禁带宽这是因为波长愈短，光子能量越来越大。当光子能量达到禁带宽 度时，电子就会吸收光子能量从满带（基态）跃迁到导带（激发度时，电子就会吸收光子能量从满带（基态）跃迁到导带（激发 态），此时吸收系数将骤然增大。态

26、），此时吸收系数将骤然增大。 此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度此紫外吸收端相应的波长可根据材料的禁带宽度Eg求得求得: （5.17） (5.18) 式中：式中：h为普朗克常数，为普朗克常数，h=6.63l0-34Js。c为光速。为光速。 从式中可见，禁带宽度（从式中可见，禁带宽度（Eg）大的材料，紫外吸收端的波长比较）大的材料，紫外吸收端的波长比较 小。小。 18 c hhE g g E hc 2021/3/10讲解：XX20 3）红外区（）红外区（760106nm） 一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱。吸收主要是由于一般认为在红外区的吸收是属于分子光谱。吸收主要是由于 红外光（电

27、磁波）的频率与材料中分子振子（或相当于分子大红外光（电磁波）的频率与材料中分子振子（或相当于分子大 小的原子团）的本征频率相近或相同引起共振消耗能量所致。小的原子团）的本征频率相近或相同引起共振消耗能量所致。 即在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐即在红外区的吸收峰是因为离子的弹性振动与光子辐射发生谐 振消耗能量所致。振消耗能量所致。 要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰处的频率要使谐振点的波长尽可能远离可见光区，即吸收峰处的频率 尽可能小（波长尽可能长），则需选择较小的材料热振频率尽可能小（波长尽可能长），则需选择较小的材料热振频率。 此频率此频率与材料其它常数呈下列

28、关系：与材料其它常数呈下列关系： (5.19) 式中式中是与力有关的常数，由离子间结合力决定。是与力有关的常数，由离子间结合力决定。Mc和和Ma分别分别 为阳离子和阴离子质量。为阳离子和阴离子质量。 19 ac 2 M 1 M 1 2 2021/3/10讲解：XX21 3、半导体材料中的光吸收、半导体材料中的光吸收 （1）激子吸收）激子吸收 在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带在光跃迁过程中，被激发到导带中的电子和在价带 中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为中的空穴由于库仑相互作用，将形成一个束缚态，称为 激子。导带的电子和价带的空穴分别处于由库仑引力相激子。导带的电子和价

29、带的空穴分别处于由库仑引力相 互约束的状态，在各自的原子周围自由地旋转。其轨道互约束的状态，在各自的原子周围自由地旋转。其轨道 半径远远大于原子间隔。可以认为它们的结合是比较弱半径远远大于原子间隔。可以认为它们的结合是比较弱 的。这样的激子也称为莫特的。这样的激子也称为莫特-万尼尔激子。万尼尔激子。能产生激子能产生激子 的光吸收称为激子吸收。的光吸收称为激子吸收。激子吸收的能量比从价带到导激子吸收的能量比从价带到导 带的本征吸收边要小一些带的本征吸收边要小一些 不同材料的激子结合能相差很大。不同材料的激子结合能相差很大。 离子晶体和分子晶体的电子和空穴只是局域在原子离子晶体和分子晶体的电子和空

30、穴只是局域在原子 周围，所以被称为强束缚激子或弗伦克尔激子周围，所以被称为强束缚激子或弗伦克尔激子 2021/3/10讲解：XX22 （2）本征吸收）本征吸收 能量小于禁带宽度能量小于禁带宽度Eg的光子没有本征吸收；当光的光子没有本征吸收；当光 子能量达到子能量达到Eg时，本征吸收开始，称为本征吸收边。时，本征吸收开始，称为本征吸收边。 直接带隙半导体：直接带隙半导体：电子跃迁只需要吸收能量电子跃迁只需要吸收能量 间接带隙半导体：间接带隙半导体：电子的跃迁不只需要吸收能量，电子的跃迁不只需要吸收能量， 还要改变动量还要改变动量 2021/3/10讲解：XX23 5.3.4材料的光散射材料的光散

31、射 1散射的一般规律散射的一般规律 光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，使光偏光波遇到不均匀结构产生次级波，与主波方向不一致，使光偏 离原来的方向从而引起散射，从而减弱光束强度。离原来的方向从而引起散射，从而减弱光束强度。 散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而引起的。散射现象也是由于介质中密度的均匀性的破坏而引起的。 由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的由于散射，光在前进方向上的强度减弱了，对于相分布均匀的 材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式材料，其减弱的规律与吸收规律具有相同的形式: (5.20) 式中，式中，I为在光前进方向上的剩余强度。为在光前

32、进方向上的剩余强度。 S为散射系数其单位为为散射系数其单位为 cm-1，与散射，与散射(质点质点)的大小、数量以及散射质点与基体的相对折的大小、数量以及散射质点与基体的相对折 射率等因素有关。射率等因素有关。 如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则可得到：如果将吸收定律与散射规律的式子统一起来，则可得到： (5.21) 20 x s eII 0 x sa eII )( 0 2021/3/10讲解：XX24 2、弹性散射和非弹性散射、弹性散射和非弹性散射 根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否， 可以分为可以分为弹性散射和非弹性散射弹性散射和非

33、弹性散射两大类。两大类。 （1）弹性散射）弹性散射 散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的散射前后，光的波长（或光子能量）不发生变化的 散射称为弹性散射。根据经典力学的观点，这个过散射称为弹性散射。根据经典力学的观点，这个过 程被看成光子和散射中心的弹性碰撞。散射结果只程被看成光子和散射中心的弹性碰撞。散射结果只 是把光子弹射到不同的方向上去，并没有改变光子是把光子弹射到不同的方向上去，并没有改变光子 的能量。弹性散射的规律除了波长（或频率）不变的能量。弹性散射的规律除了波长（或频率）不变 外，散射光的强度与波长的关系可因散射中心尺度外，散射光的强度与波长的关系可因散射中心尺度 的大小而

34、具有不同的规律：的大小而具有不同的规律： S I 2021/3/10讲解：XX25 参量参量 与散射中心尺度大小与散射中心尺度大小d有关。按有关。按 与与d的大小比的大小比 较，弹性散射又可分为三种情况：较，弹性散射又可分为三种情况： （一）廷德尔（一）廷德尔（Tyndall）散射）散射 当散射中心的尺度当散射中心的尺度d远大于光波的波长时，远大于光波的波长时， 00，散，散 射光强于入射光波长无关。如粉笔灰颗粒的尺寸对射光强于入射光波长无关。如粉笔灰颗粒的尺寸对 所有可见光波长均满足这一条件，所以，粉笔灰对所有可见光波长均满足这一条件，所以，粉笔灰对 白光中所有单色成分都有相同的散射能力，看

35、起来白光中所有单色成分都有相同的散射能力，看起来 是白色的。天上的白云，是由水蒸气凝成比较大的是白色的。天上的白云，是由水蒸气凝成比较大的 水滴所组成，线度也在此范围，所以散射光也呈白水滴所组成，线度也在此范围，所以散射光也呈白 色色 2021/3/10讲解：XX26 （二）米氏（二）米氏（Mie）散射）散射 当散射中心尺度当散射中心尺度d与入射光波长相当时，与入射光波长相当时， 在在0-4之间，之间， 具体数值与散射中心尺度有关。这个尺度范围的粒具体数值与散射中心尺度有关。这个尺度范围的粒 子散射光性质比较复杂，如存在散射光强度随子散射光性质比较复杂，如存在散射光强度随d/ 值值 得变化而波

36、动和在空间分布不均匀等问题。得变化而波动和在空间分布不均匀等问题。 （三）瑞利（三）瑞利（Rayleidl）散射）散射 当散射中心的线度当散射中心的线度d远小于入射光的波长远小于入射光的波长 时，时， =4， 即散射光强度与波长的即散射光强度与波长的4次方成反比（次方成反比（Is= 4）。这一）。这一 关系称为瑞利散射定律。关系称为瑞利散射定律。 2021/3/10讲解：XX27 按照瑞利，微小粒子（按照瑞利，微小粒子（d ）对长波的散射不如短）对长波的散射不如短 波有效。波有效。 理解晴天早晨的太阳呈鲜红色而中午却变成白色：理解晴天早晨的太阳呈鲜红色而中午却变成白色： 大气及尘埃对光谱上蓝紫

37、色的散射比红橙色强，一大气及尘埃对光谱上蓝紫色的散射比红橙色强，一 天内不同时刻阳光到达观察者所通过的大气层厚度天内不同时刻阳光到达观察者所通过的大气层厚度 不同，阳光透过大气层越厚，蓝紫色成分损失越多，不同，阳光透过大气层越厚，蓝紫色成分损失越多， 因此达到观察者的阳光中蓝紫色的比例就越少。因此达到观察者的阳光中蓝紫色的比例就越少。 瑞利散射并非气体介质所特有。固体光学材料在制瑞利散射并非气体介质所特有。固体光学材料在制 备过程中形成的气泡、条纹、杂质颗粒、位错等都备过程中形成的气泡、条纹、杂质颗粒、位错等都 可成为散射中心，在许多情况下，当线度满足可成为散射中心，在许多情况下，当线度满足d

38、 的条件时，就可引起瑞利散射。的条件时，就可引起瑞利散射。 2021/3/10讲解：XX28 （2）非弹性散射）非弹性散射 除了瑞利散射外，用高灵敏度和高除了瑞利散射外，用高灵敏度和高 分辨率的光谱仪分辨率的光谱仪 器，可以发现散射光中还有其他光谱成分，它们在器，可以发现散射光中还有其他光谱成分，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，强度比弹性散射弱得多。侧，强度比弹性散射弱得多。 布里渊散射线：布里渊散射线：瑞利散射线两侧的两条谱线，与瑞瑞利散射线两侧的两条谱线，与瑞 利线的频差一般在利线的频差一般在10-1-1cm-1。 拉曼

39、散射线：拉曼散射线：距离瑞利散射线较远的谱线，与瑞利距离瑞利散射线较远的谱线，与瑞利 线的频差一般在线的频差一般在1-104cm-1。 出现在瑞利线低频侧的散射线统称为出现在瑞利线低频侧的散射线统称为斯托克斯斯托克斯 （stokes）线，在瑞利线高频侧的散射线统称为）线，在瑞利线高频侧的散射线统称为反斯反斯 托克斯托克斯（anti-stokes）线。）线。 2021/3/10讲解：XX29 拉曼散射：拉曼散射：光通过材料时由于入射光与分子运动相互光通过材料时由于入射光与分子运动相互 作用而引起的频率发生变化的散射，又称作用而引起的频率发生变化的散射，又称拉曼效应拉曼效应。 共振拉曼散射：共振拉

40、曼散射：当一个化合物被入射光激发，激发线当一个化合物被入射光激发，激发线 的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电的频率处于该化合物的电子吸收谱带以内时，由于电 子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡子跃迁和分子振动的耦合，使某些拉曼谱线的强度陡 然增加然增加 表面增强拉曼散射：表面增强拉曼散射：当一些分子被吸附到某些粗糙的当一些分子被吸附到某些粗糙的 金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度金属，如金、银或铜的表面时，它们的拉曼谱线强度 会得到极大的增强会得到极大的增强 2021/3/10讲解：XX30 5.4 5.4 材料的光发射材料的光发射 材料的发光性质与它们的能量

41、结构紧密相关。固体的基本材料的发光性质与它们的能量结构紧密相关。固体的基本 能量结构是能带。固体中常常通过人为的方法掺杂一些与能量结构是能带。固体中常常通过人为的方法掺杂一些与 基质不同的成分，以改善固体的发光性能。杂质离子具有基质不同的成分，以改善固体的发光性能。杂质离子具有 分立的能级，它们常常出现在禁带中。固体发光的微观过分立的能级，它们常常出现在禁带中。固体发光的微观过 程可以分为两个步骤：程可以分为两个步骤： （1）对材料进行激励对材料进行激励，即以各种方式输入能量，将固体，即以各种方式输入能量，将固体 中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为中的电子的能量提高到一个非平衡态，称为“激

42、发态激发态”。 （2）处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射 光子光子。如果材料存在多个低能态，发光跃迁可以有多种渠。如果材料存在多个低能态，发光跃迁可以有多种渠 道，那么材料就可能发射多种频率的光子。当然向下跃迁道，那么材料就可能发射多种频率的光子。当然向下跃迁 未必都发光，也可能存在把激发的能量转变为热能的无辐未必都发光，也可能存在把激发的能量转变为热能的无辐 射跃迁过程射跃迁过程 2021/3/10讲解：XX31 5.4.1、激励方式、激励方式 如前所述，当某种物质受到诸如光的照射、外加电场或电如前所述，当某种物质受到诸如光的照射、外加电

43、场或电 子束的轰击等激发后，只要该物质不会因此而发生化学变子束的轰击等激发后，只要该物质不会因此而发生化学变 化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部化，它总要回复到原来的平衡状态。在这个过程中，一部 分多余的能量会通过光或热的形式释放出来。分多余的能量会通过光或热的形式释放出来。 历史上人们曾以发光持续时间的长短分为两个过程，把物质历史上人们曾以发光持续时间的长短分为两个过程，把物质 在受激发时的发光称为在受激发时的发光称为荧光荧光，而把激发停止后的发光称为，而把激发停止后的发光称为磷磷 光光。一般以持续时间。一般以持续时间1010-8 -8s s为界，持续时间 为界，持续时间短于

44、短于1010-8 -8s s的发光 的发光 称为称为荧光荧光，持续时间，持续时间长于长于1010-8 -8s s的发光称为 的发光称为磷光磷光。现在除了习。现在除了习 惯上还保留和沿用这两个名词外，已不再用荧光和磷光来区惯上还保留和沿用这两个名词外，已不再用荧光和磷光来区 分发光过程，因为任何形式的发光都以余辉的形式来体现其分发光过程，因为任何形式的发光都以余辉的形式来体现其 衰减过程。衰减过程。 2021/3/10讲解：XX32 荧光荧光：被激发的电子跳回价带时，同时发射光子：被激发的电子跳回价带时，同时发射光子 磷光磷光：含有杂质，并在能隙中建立施主能级，当激发的电：含有杂质，并在能隙中建

45、立施主能级，当激发的电 子从导带跳回价带时，首先跳到施主能级并被捕获。在它子从导带跳回价带时，首先跳到施主能级并被捕获。在它 跳回价带时，电子必须先从捕获陷阱内逸出，因此延迟了跳回价带时，电子必须先从捕获陷阱内逸出，因此延迟了 光子发射时间。光子发射时间。 2021/3/10讲解：XX33 按被激发的方式分类：按被激发的方式分类： （1 1）光致发光光致发光：是用光激发发光体引起的发光现象：是用光激发发光体引起的发光现象 （2 2）电致发光（场致发光）电致发光（场致发光）：将电能直接转换成光能的：将电能直接转换成光能的 现象。本征型电致发光，注入式电致发光现象。本征型电致发光，注入式电致发光

46、（3 3）阴极射线致发光阴极射线致发光：发光物质在电子束的激发下产生：发光物质在电子束的激发下产生 的发光的发光 （4 4）x x射线及高能粒子发光射线及高能粒子发光: :在在X X射线、射线、 射线，射线， 粒子和粒子和 粒子等高能粒子激发下，发光物质产生的发光粒子等高能粒子激发下，发光物质产生的发光 （5 5）化学发光化学发光：由化学反应过程中释放出来的能量激发：由化学反应过程中释放出来的能量激发 发光物质产生的发光发光物质产生的发光 （6 6）生物发光生物发光：在生物体内，由于生命过程的变化，其：在生物体内，由于生命过程的变化，其 相应的生化反应释放的能量激发发光物质所产生的发光相应的生

47、化反应释放的能量激发发光物质所产生的发光 2021/3/10讲解：XX34 5.4.2、材料发光的基本性质、材料发光的基本性质 发光材料除了要有合适的基质为主体外，还要选择掺入微发光材料除了要有合适的基质为主体外，还要选择掺入微 量杂质作为激活剂，这些微量杂质一般被用来充当发光中量杂质作为激活剂，这些微量杂质一般被用来充当发光中 心，有些也被用来改变发光体的导电类型。在很多情况下心，有些也被用来改变发光体的导电类型。在很多情况下 还加入另一种称为还加入另一种称为“助熔剂助熔剂”的杂质，以促进材料饿结晶的杂质，以促进材料饿结晶 或激活剂匹配。从应用的角度看，对材料感兴趣的光学性或激活剂匹配。从应

48、用的角度看，对材料感兴趣的光学性 能通常是发光的颜色、强度和持续时间。所有，材料的发能通常是发光的颜色、强度和持续时间。所有，材料的发 光特性主要从光特性主要从发射光谱、激发光谱、发光寿命和发光效率发射光谱、激发光谱、发光寿命和发光效率 进行评价。进行评价。 （1 1）发射光谱发射光谱：在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。：在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。 发射光谱的形状与材料的能量结构有关，有些材料的发射光发射光谱的形状与材料的能量结构有关，有些材料的发射光 谱呈现宽谱带，甚至由宽谱带交叠而形成连续谱带，有些材谱呈现宽谱带，甚至由宽谱带交叠而形成连续谱带，有些材 料的发生光谱则是

49、线状光谱。料的发生光谱则是线状光谱。 2021/3/10讲解：XX35 400450500550600650700 -1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 intensity (a.u) wavelength (nm) YAG:Tb 400450500550600650 0 100 200 300 400 intensity (a,u) wavelength (nm) YBO3:Tb 2021/3/10讲解：XX36 （2 2）激发光谱激发光谱：材料发射某一种特定谱线（或谱带）的发光：材料发射某一种特定谱线（或谱带）的发光 强度随激发光的波长而变化

50、的曲线。能够引起材料发光的激强度随激发光的波长而变化的曲线。能够引起材料发光的激 发波长也一定是材料可以吸收的波长。就这一点而言，激发发波长也一定是材料可以吸收的波长。就这一点而言，激发 光谱与吸收光谱有类似之处。但是有的材料吸收光之后不一光谱与吸收光谱有类似之处。但是有的材料吸收光之后不一 定会发光，就是说它能把吸收的能量转化成热能而消耗掉。定会发光，就是说它能把吸收的能量转化成热能而消耗掉。 对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上得到反映的。因对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上得到反映的。因 此激发光谱又不同于吸收光谱。此激发光谱又不同于吸收光谱。 200250300350400450

51、500 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 Intensity(a.u) Wavelength(nm) YAG:Tb em=546nm 2021/3/10讲解：XX37 （3 3）发光寿命（荧光寿命或余辉时间）发光寿命（荧光寿命或余辉时间）：发光体在停止激发：发光体在停止激发 后持续发光的时间。后持续发光的时间。 设某时刻共有设某时刻共有n n个电子处于激发态，则在个电子处于激发态，则在dtdt时间内跃迁到时间内跃迁到 基态的电子数基态的电子数dndn正比于正比于ndtndt，即，即 ndtdn 式中式中 表示在单位时间内跃迁到基态的概率。从上式得到表示在单位时间内

52、跃迁到基态的概率。从上式得到 电子数衰减的规律为电子数衰减的规律为 t enn 0 式中式中n n0 0表示初始激发态的电子数。与此相应，发光强度也表示初始激发态的电子数。与此相应，发光强度也 以同样的指数规律衰减以同样的指数规律衰减 t eII 0 定义光强衰减到初始值定义光强衰减到初始值I I0 0的的1/e1/e所经历的时间为发光寿命所经历的时间为发光寿命 ， 则则 =1/=1/ ，即，即 2021/3/10讲解：XX38 t eII 0 0200000040000006000000800000010000000 0 20000 40000 60000 80000 100000 Inte

53、nsity (a.u) Time (ns) 2021/3/10讲解：XX39 某些材料的发光涉及比较复杂的中间过程，其光强衰减规律某些材料的发光涉及比较复杂的中间过程，其光强衰减规律 呈双指数或双曲线形式，难以用一个反映衰减规律的参数来呈双指数或双曲线形式，难以用一个反映衰减规律的参数来 表示。在应用中往往规定，从激发停止时的发光强度表示。在应用中往往规定，从激发停止时的发光强度I0I0衰减衰减 到到I0/10I0/10的时间称为余辉时间，根据余辉时间的长短可以把发的时间称为余辉时间，根据余辉时间的长短可以把发 光材料分为：光材料分为：超短余辉（超短余辉（11s)1s)六个范围。六个范围。 （

54、4 4）发光效率发光效率 发光效率通常有三种表示方法，即发光效率通常有三种表示方法，即量子效率，功率效率量子效率，功率效率 和光度效率和光度效率。 量子效率是指发射光子数与吸收光子数之比，即量子效率是指发射光子数与吸收光子数之比，即 in out q n n 2021/3/10讲解：XX40 功率效率表示发光功率功率效率表示发光功率P Pout out与吸收光的功率 与吸收光的功率P Pin in之比，即 之比，即 in out P P P 光度效率定义为发射的光通量光度效率定义为发射的光通量L L（以流明（以流明lmlm为单位）与输入的为单位）与输入的 光功率光功率P Pin in之比，即

55、之比，即 in L P L 2021/3/10讲解：XX41 工程上应用的发光材料要求具有下列性能：工程上应用的发光材料要求具有下列性能： （1 1）高的发光效率）高的发光效率 （2 2）希望的发光色彩）希望的发光色彩 （3 3）适当的余辉时间）适当的余辉时间 （4 4）材料与基体结合力强）材料与基体结合力强 2021/3/10讲解：XX42 三、发光的物理机制三、发光的物理机制 （1 1）分立中心发光）分立中心发光 这类材料的发光中心通常是掺杂在透明基质中的离子，有时这类材料的发光中心通常是掺杂在透明基质中的离子，有时 也可以是基质材料自身结构的某一个基团。选择不同的发光也可以是基质材料自身

56、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。不同的组合会影响到发光效率和余辉长短。发光中其光色。不同的组合会影响到发光效率和余辉长短。发光中 心分布在晶体点阵中，或多或少会受到点阵上离子的影响，心分布在晶体点阵中，或多或少会受到点阵上离子的影响， 使其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。发光中使其能量状态发生变化，进而影响材料的发光性能。发光中 心与晶体点阵之间相互作用的强弱又可以分成两种情况：心与晶体点阵之间相互作用的强弱又可以分成两种情况：1 1） 发光中心基本上是孤立的发光中心基

57、本上是孤立的。它的发光光谱与自由离子很相似。它的发光光谱与自由离子很相似。 2 2）发光中心受基质点阵电场（或称晶格场）的影响很大发光中心受基质点阵电场（或称晶格场）的影响很大。 这种情况下的发光性能与自由离子很不相同，必须把中心和这种情况下的发光性能与自由离子很不相同，必须把中心和 基质作为一个整体来分析。基质作为一个整体来分析。 2021/3/10讲解：XX43 晶格场对发光离子的影响：晶格场对发光离子的影响： （1 1）影响光谱结构）影响光谱结构 （2 2）影响光谱的相对强度）影响光谱的相对强度 （3 3）影响发光寿命）影响发光寿命 （2 2）复合发光）复合发光 复合发光与分立中心发光最

58、根本的区别在于，复合发光时电复合发光与分立中心发光最根本的区别在于，复合发光时电 子的跃迁涉及固体的能带。由于电子被激发到导带时在价带子的跃迁涉及固体的能带。由于电子被激发到导带时在价带 上留下了一个空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合上留下了一个空穴，因此当导带的电子回到价带与空穴复合 时，便以光的形式放出能量。复合发光所发射的光子能量等时，便以光的形式放出能量。复合发光所发射的光子能量等 于禁带宽度（于禁带宽度（E Eg g=hv=hv）。通常复合发光采用半导体材料，并且）。通常复合发光采用半导体材料，并且 以掺杂的方式提高发光效率。以掺杂的方式提高发光效率。 2021/3/10讲解：

59、XX44 5.5、材料的受激辐射和激光、材料的受激辐射和激光 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser) 激光具有激光具有:相干性极好相干性极好(单色性、空间相干性单色性、空间相干性)； 方向方向 性极好性极好,亮度极高；脉冲瞬时功率大亮度极高；脉冲瞬时功率大,. 激光的波长从激光的波长从: 远紫外远紫外可见光可见光亚毫米亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ） 它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。 ( Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation ) 2021/3/10讲解：XX45

60、（一）、一）、 激光简史和我国的激光技术激光简史和我国的激光技术 19171917年，爱因斯坦提出受激辐射年，爱因斯坦提出受激辐射 19581958年，汤斯和肖洛发表年，汤斯和肖洛发表红外与光学激射器红外与光学激射器， 巴索夫和普罗霍罗夫发表巴索夫和普罗霍罗夫发表实现三能级粒子数反转和半导体激实现三能级粒子数反转和半导体激 光器建议光器建议，奠定了激光发展的基础。奠定了激光发展的基础。 19591959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议 19601960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器 19641