[PPT模板]第四章材料的光学性能

1、光的现象光的微粒说光的波动说光的电磁说光的波粒二象性光的直线传播光的传播速度光的反射光的折射光的干涉光的衍射电磁波谱光谱? ?4.2.1 4.2.1 波粒二象性波粒二象性（1 1）光是一种电磁波）光是一种电磁波（2 2）光波是一种横波）光波是一种横波( (偏振性偏振性) )（3 3）偏振性是横波的特有性质）偏振性是横波的特有性质4.2.2 4.2.2 光的电磁性光的电磁性电磁辐射电磁辐射 由于人的视觉、植物的光合作用，以及绝大多由于人的视觉、植物的光合作用，以及绝大多数测量光波的仪器对光的反应主要是光波中的电场数测量光波的仪器对光的反应主要是光波中的电场所引起，磁场对介质的作用远比电场弱，因此

2、讨论所引起，磁场对介质的作用远比电场弱，因此讨论光波时往往只考虑电场的作用，所以电场强度矢量光波时往往只考虑电场的作用，所以电场强度矢量被直接作为光矢量。被直接作为光矢量。 光波的电矢量的振动只确定在某个确定方向称光波的电矢量的振动只确定在某个确定方向称为平面偏振光，亦称线偏振光。为平面偏振光，亦称线偏振光。 光波的电矢量在垂直光传播方向的平面内随时光波的电矢量在垂直光传播方向的平面内随时间规则变化的轨迹呈椭圆或圆，被分别称为椭圆偏间规则变化的轨迹呈椭圆或圆，被分别称为椭圆偏振光、圆偏振光。振光、圆偏振光。 光波在垂直光传播方向的平面内电矢量振动取光波在垂直光传播方向的平面内电矢量振动取向机会

3、均等，称为自然光。向机会均等，称为自然光。光波振动的数学表达式：光波振动的数学表达式：ee cos(t)002电电磁磁波波光光谱谱 可见光可见光 (visible light) (visible light) 能够引起人的视觉的电磁波。能够引起人的视觉的电磁波。nm 390760 光的光的波动性波动性主要表现在它有干涉和衍射及偏振主要表现在它有干涉和衍射及偏振等特性。等特性。双光束双光束干涉干涉就是指两束光（就是指两束光（同频率、同振动方向同频率、同振动方向）相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹。暗相间、稳定的干涉条纹。

4、4.2.3 4.2.3 光的干涉和衍射光的干涉和衍射 当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上绕过当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上绕过障碍物（障碍物（尺寸与波长相近尺寸与波长相近）而进入几何阴影区，这）而进入几何阴影区，这种现象称为种现象称为衍射衍射。爱因斯坦提出电磁场（或光场）的能量是不连续的，其数爱因斯坦提出电磁场（或光场）的能量是不连续的，其数值为：值为：式中，式中，为光波电磁场的频率；为光波电磁场的频率；h h为数值很小的普适常数，为数值很小的普适常数，称为普朗克常数。称为普朗克常数。 总之，光既可看成为光波又可看成光子流。光子是电总之，光既可看成为光波又可看成光子流。光子是电磁场能量

5、和动量量子化的粒子，而电磁波是光子的概率波。磁场能量和动量量子化的粒子，而电磁波是光子的概率波。光作为波的属性可以用频率和波长来描述，而作为光子的光作为波的属性可以用频率和波长来描述，而作为光子的属性则可以用能量和动量来表征。波动性和粒子性的统一属性则可以用能量和动量来表征。波动性和粒子性的统一就定量地反应在爱因斯坦两个等式之中就定量地反应在爱因斯坦两个等式之中4.2.4 4.2.4 光子的能量和动量光子的能量和动量hv/hp 光波入射到两种媒质的分界面以后，如果光波入射到两种媒质的分界面以后，如果不考虑吸收、散射等其它形式的能量损耗，则不考虑吸收、散射等其它形式的能量损耗，则入射光的能量只在

6、两种介质的界面上会发生反入射光的能量只在两种介质的界面上会发生反射、折射。射、折射。4.3 4.3 光的反射和折射光的反射和折射（1 1）光在均匀介质中直线传播，在不同的介质）光在均匀介质中直线传播，在不同的介质中具有不同的传播速度。中具有不同的传播速度。（2 2）光在两种介质的分界面时遵守反射、折射）光在两种介质的分界面时遵守反射、折射定律。定律。（3 3）光路可逆）光路可逆4.3.1 4.3.1 反射定律和折射定律及其影响因素反射定律和折射定律及其影响因素4.3 4.3 光的反射和折射光的反射和折射 1. 1. 光通过固体现象光通过固体现象 光从一个介质进入到另一个介质时，将发生光从一个介

7、质进入到另一个介质时，将发生透射、反射、吸收和散射现象。入射光的能流透射、反射、吸收和散射现象。入射光的能流率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。率等于透射、反射、吸收和散射能流率之和。0 = + + m+ s 透射、反射、吸收和散射能流率相对于入射透射、反射、吸收和散射能流率相对于入射光所占的比率分别被称为透射系数光所占的比率分别被称为透射系数、反射系数、反射系数、吸收系数、吸收系数m和散射系数和散射系数s。 + + +m+ +s=1。2. 2. 反射定律和折射定律反射定律和折射定律4.3 4.3 光的反射和折射光的反射和折射（1 1）构成材料元素的离子半径）构成材料元素的离子半径 当离子

8、半径增大时，其当离子半径增大时，其增大，因而增大，因而n也增大。也增大。陶瓷陶瓷等无机材料的相对磁导率约等于等无机材料的相对磁导率约等于13. 3. 材料折射率的影响因素材料折射率的影响因素rrnrn （3 3）材料所受的内应力）材料所受的内应力 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 n大，平行于受拉主应力方向的大，平行于受拉主应力方向的n n小。小。 （4 4）同质异构体）同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n n较低，较低，低温时存在的晶型折射率低温时存在的晶型折射率n n较高。较高。（2）材

9、料的结构、晶型和非晶态）材料的结构、晶型和非晶态 非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过非晶态和立方晶体这些各向同性材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为率，称为均质介质均质介质。但是除立方晶体以外的其他晶型，。但是除立方晶体以外的其他晶型，都都是非均质介质（双折射现象）是非均质介质（双折射现象）。惠更斯原理：惠更斯原理： 光波波前（最前沿的光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可以波面）上的每一点都可以看做球面次波源。看做球面次波源。 tt时时间后，无数个次波的包络间后，无数个次波的包络就是新的波前。就是新的波

10、前。4.3.2 4.3.2 折射率与传播速度的关系折射率与传播速度的关系 导出反射定律和折导出反射定律和折射定律。射定律。折射定律：折射定律：光速与折射率成反比。光速与折射率成反比。v tvnsinnsinv tvn 112212214.3.2 4.3.2 折射率与传播速度的关系折射率与传播速度的关系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。vnsinansinvn 122121ncv 4.3.

11、3 4.3.3 反射率和透射率反射率和透射率反射率：反射光的功率与入射光的功率之比。反射率：反射光的功率与入射光的功率之比。透射率：透射光的功率与入射光的功率之比。透射率：透射光的功率与入射光的功率之比。www 光的反射率和透射率与光的偏振方向有关，并光的反射率和透射率与光的偏振方向有关，并随入射角度而变化。随入射角度而变化。 光是横波，在垂直于传播方向上，电矢量可光是横波，在垂直于传播方向上，电矢量可以取任何方向。因此，可以分解成两个相互垂直以取任何方向。因此，可以分解成两个相互垂直的线偏振分量。即振动方向垂直于入射平面的的线偏振分量。即振动方向垂直于入射平面的s s分分量量和振动方向平行于

12、入射平面的和振动方向平行于入射平面的p p分量分量。 当入射角和反射角之和为当入射角和反射角之和为/2/2时，反射光时，反射光没有平行入射面的矢量。没有平行入射面的矢量。此时的入射角称为布此时的入射角称为布儒斯特角。儒斯特角。利用布儒斯特角可以产生偏光。利用布儒斯特角可以产生偏光。反射率：反射率：swsin ()rwsin () 22p/wtan ()rwtan ( 22）垂直入射时：垂直入射时：4.3.4 4.3.4 光的全反射和光导纤维光的全反射和光导纤维 当光从光密介质进入到光疏介质，当入射角达到某一角度时，不再有折射光线，光线被全部反射的现象，称为全反射。全反射临界角：21cnsinn

13、 光纤结构示意图4.3.5 4.3.5 棱镜、透镜和反射镜棱镜、透镜和反射镜棱镜棱镜主要用于分光和偏转光的方向；透镜透镜主要是两个球面或曲面包围而成的透明光学材料，主要用于聚光和成像；反射反射是指材料表面洁度非常高的情况下的反射，反射光线具有明确的方向性，一般称之为镜反射。漫反射漫反射是由于材料表面粗糙，在局部的入射角不同。 一束平行光照射各向同性均质的材料时，一束平行光照射各向同性均质的材料时，除了可能发生除了可能发生反射和折射反射和折射而变其传播方向之而变其传播方向之外，进入材料之后还会发生两种变化。外，进入材料之后还会发生两种变化。 一是光吸收一是光吸收 二是光的色散二是光的色散4.4

14、4.4 材料对光的吸收和色散材料对光的吸收和色散diadli 4.4.1 光的吸收1. 吸收系数与吸收率aleii0朗伯特（朗伯特（lambertlambert）定律：）定律： 在价质中光强随传播距离呈指数衰减。当光的传在价质中光强随传播距离呈指数衰减。当光的传播距离达到播距离达到1/a1/a时，强度衰减到入射时的时，强度衰减到入射时的1/e1/e。a a越大越大材料越厚，光就被吸收得越多，透过光的强度越小。材料越厚，光就被吸收得越多，透过光的强度越小。产生光吸收的原因：产生光吸收的原因： 光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的光作为一种能量流，在穿过介质时，引起介质的价电子跃迁，或使原子

15、振动而消耗能量。此外介质中价电子跃迁，或使原子振动而消耗能量。此外介质中的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运的价电子吸收光子能量而激发，当尚未退激时，在运动中与其它分子碰撞，电子的能量转变为分子的热动动中与其它分子碰撞，电子的能量转变为分子的热动能，从而造成光能的衰减。能，从而造成光能的衰减。 任何物质都只对特定的波长范围表现为透明，而对另一任何物质都只对特定的波长范围表现为透明，而对另一些波长范围则不透明。些波长范围则不透明。一：金属对光吸收较强一：金属对光吸收较强-金属的价电子处于未满带，吸收光金属的价电子处于未满带，吸收光子后即呈激发态，无需跃迁到导带即能产生碰撞而发热。子后即

16、呈激发态，无需跃迁到导带即能产生碰撞而发热。二：电介质材料，如玻璃、陶瓷等具有较好的透过性二：电介质材料，如玻璃、陶瓷等具有较好的透过性-电子电子质材料的价电子所处的能带是满带。它不能吸收光子而自由运质材料的价电子所处的能带是满带。它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定动，而光子的能量又不足以使价电子跃迁到导带，所以在一定波长内，吸收率数小。波长内，吸收率数小。三：紫外光，能量大，半导体电子就会吸收能量从满带跃迁到三：紫外光，能量大，半导体电子就会吸收能量从满带跃迁到导带，此时吸收系数大，禁带宽度导带，此时吸收系数大，禁带宽度egeg为为: :2 2 光吸

17、收与波长的关系光吸收与波长的关系chhveg 除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的。都是绝对透明的。 在光学材料中，石英对所有可见光几乎都在光学材料中，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，这种现象为吸收系数不变，这种现象为；但在；但在3.55.0m3.55.0m的红外光，石英表现为强烈吸收，的红外光，石英表现为强烈吸收，且吸收率随波长的变化剧烈变化，这种同一物且吸收率随波长的变化剧烈变化，这种同一物质对不同波长的吸收系数变化的现象为质对不同波长的吸收系数变化

18、的现象为。均匀吸收和选择吸收均匀吸收和选择吸收 普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线、紫外线都普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线、紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。有强烈的吸收，是不透明的。 在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。明的石英制作。 实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。极限。任何物质都有这两种形式的吸收（一般吸收和选择吸任何物质都有这

19、两种形式的吸收（一般吸收和选择吸收）只是出现的波长范围不同而已。收）只是出现的波长范围不同而已。 红外吸收光谱：研究离子间的弹性振动。红外吸收光谱：研究离子间的弹性振动。 紫外吸收光谱：研究半导体的禁带宽度。紫外吸收光谱：研究半导体的禁带宽度。吸收光谱吸收光谱2112cs()mm4.4.2 4.4.2 光的色散光的色散 材料的折射率随入射光的频率减小（或波长的材料的折射率随入射光的频率减小（或波长的增加）而减小的性质，称为折射率的色散。增加）而减小的性质，称为折射率的色散。在给定入射波长下，材料的色散：在给定入射波长下，材料的色散：ddn色散cfdnnn1最常用的数值是倒数相对色散，即最常用的

20、数值是倒数相对色散，即色散系数：色散系数：描述光学玻璃的色散常用，描述光学玻璃的色散常用，平均色散：平均色散：cfdnnn1fcnn d,fcn n ,n 分别为以钠的分别为以钠的d d谱线、氢的谱线、氢的f f谱线和谱线和c c谱线为光源测得的折射率。谱线为光源测得的折射率。经典色散理论：（阻尼受迫振子模型）经典色散理论：（阻尼受迫振子模型） 介质原子的电结构被看成是正负电荷之间由一介质原子的电结构被看成是正负电荷之间由一根无形的弹簧束缚在一起的弹性振子。在光波电磁根无形的弹簧束缚在一起的弹性振子。在光波电磁场的作用下作受迫振动，振动的相位与振子的固有场的作用下作受迫振动，振动的相位与振子的

21、固有频率和光波频率有关。频率和光波频率有关。 受迫振动的振子作为次波源向外发射散射波，受迫振动的振子作为次波源向外发射散射波，由于固体和液体中的这种散射中心密度很高，振子由于固体和液体中的这种散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原来入射光波方散射波的相互干涉，使得次波只沿原来入射光波方向前进。次波和入射波叠加，使得合成波的在介质向前进。次波和入射波叠加，使得合成波的在介质中的传播速度与入射光波的频率有关，导致介质对中的传播速度与入射光波的频率有关，导致介质对不同频率的光有着不同的折射率。不同频率的光有着不同的折射率。 由于折射率与原子紧密堆积有关，所以对于各向由于折射率与原子紧

22、密堆积有关，所以对于各向异性材料，在不同的方向上表现出不同的折射率值，异性材料，在不同的方向上表现出不同的折射率值，因此，因此，当单色光束通过各向异性介质的表面时，由当单色光束通过各向异性介质的表面时，由于在各方向上的折射程度不同，折射光会分成两束于在各方向上的折射程度不同，折射光会分成两束沿着不同的方向传播。这种现象称为双折射。沿着不同的方向传播。这种现象称为双折射。 4.5 晶体的双折射和二向色性4.5.1 4.5.1 双折射双折射 通过改变入射光线的通过改变入射光线的方向，可以找到在晶体方向，可以找到在晶体中存在一些特殊方向，中存在一些特殊方向，沿这些方向传播的光并沿这些方向传播的光并不

23、发生双折射，这些特不发生双折射，这些特殊方向称为殊方向称为晶体的光轴晶体的光轴。 主截面：主截面： 光轴和光的传播方向光轴和光的传播方向构成的平面。构成的平面。 上述两条折射光线，光矢量垂直于主截面的光线的上述两条折射光线，光矢量垂直于主截面的光线的折射率，称为折射率，称为寻常光折射率寻常光折射率n0，不论入射光的入射角如，不论入射光的入射角如何变化，何变化，n0始终为一常数，因而始终为一常数，因而寻常光折射率严格服从寻常光折射率严格服从折射定律。折射定律。 另一条另一条光矢量平行于主截面的光矢量平行于主截面的光线所构成的折射率，光线所构成的折射率，则随入射线方向的改变而变化，称为则随入射线方

24、向的改变而变化，称为非常光折射率非常光折射率ne，它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。它不遵守折射定律，随入射光的方向而变化。 当光沿晶体光轴方向入射时，只有当光沿晶体光轴方向入射时，只有n n0 0存在，与光轴存在，与光轴方向垂直入射时，方向垂直入射时，n ne e达最大值，此值是材料的特性。达最大值，此值是材料的特性。 寻常光和非常光都是线偏振光，不过它们的寻常光和非常光都是线偏振光，不过它们的电矢量振动方向不同。寻常光的振动方向垂直于电矢量振动方向不同。寻常光的振动方向垂直于主截面主截面( (光轴和传播方向构成的平面光轴和传播方向构成的平面) )，而非常光，而非常光的振动方向平行于主

25、截面的振动方向平行于主截面( (不一定都平行于光轴不一定都平行于光轴) )。4.5.2 4.5.2 双折射现象的解释双折射现象的解释 4.5.3 4.5.3 折射率椭球折射率椭球4.5.4 4.5.4 偏振元件偏振元件 偏振片，四分之一波片，二分之一波片等实现偏振片，四分之一波片，二分之一波片等实现光束偏振状态的改变。光束偏振状态的改变。4.5.5 4.5.5 二向色性偏振片二向色性偏振片 晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性，异性（双折射），而且能产生吸收率的各向异性，这一性质被称为二向色性。这一性质被称为

26、二向色性。 1、光吸收的物理机制？、光吸收的物理机制？ 2、光色散的物理机制？、光色散的物理机制？ 3、双折射的物理机制？、双折射的物理机制？4.6.1 4.6.1 散射与其他光学现象的关系散射与其他光学现象的关系 光通过含有烟尘、微粒、悬浮液滴或成分不均匀的介光通过含有烟尘、微粒、悬浮液滴或成分不均匀的介质时，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方质时，都会有一部分能量偏离原来的传播方向而向四面八方弥散，这种现象为光的散射。弥散，这种现象为光的散射。这比单一吸收衰减（朗伯特定律）更快。这比单一吸收衰减（朗伯特定律）更快。 4. 6 4. 6 介质的光散射介质的光散射 光衰减规律：光衰

27、减规律： 光散射强度：光散射强度： as()llii ei e 00slii e 0 散射系数与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相散射系数与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率有关。对折射率有关。 根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性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。非弹性散射要比弹性散射低几个数量级散射与非弹性散射。非弹性散射要比弹性散射低几个数量级 弹性散射：散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，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。只改变方向的散射。 非弹性散射：当光通过介质时，

28、从侧向接受到的散射光主非弹性散射：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，属于弹性散要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散射。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，

29、称为非弹性散射。的结果，称为非弹性散射。4.6.1 4.6.1 散射与其他光学现象的关系散射与其他光学现象的关系一、弹性散射分类一、弹性散射分类按照散射中心尺度按照散射中心尺度a a0 0与入射光波长与入射光波长是大小，分为三类：是大小，分为三类：tyndall scatteringtyndall scattering (j.tyndall (j.tyndall，1820-1893)1820-1893)si 1当当a a0 0与与相近时，相近时，=0=04 4即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时，即散射中心的尺度与光波波长可以比拟时， 在在0 04 4之间之间, ,具体取值与散射中心有关具体取

30、值与散射中心有关. .米氏散射性质比较复杂。米氏散射性质比较复杂。si 1 通常我们把线度小于光的波长的微粒对入射光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（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。瑞利散射不改变原入射光的频率。si 1按照瑞利散射定律，我们不按照瑞利散射定律，我们不难理解晴天时晨阳与午阳的难理解晴天时晨阳与午阳的颜色不同。颜色不同。入射波长越长，散射光强越入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波小，即长波散射要小于短波散射。散射。因为大气及尘埃对光谱上蓝因为大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射

31、比红橙色光为紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红。太阳显得越红。global早晨中午太阳光弹性散射的原因：弹性散射的原因： 均匀介质中存在分布不均、且与其折射率相差较均匀介质中存在分布不均、且与其折射率相差较大的杂质微粒。大的杂质微粒。 物质中具有电结构的原子、分子等微观粒子在光物质中具有电结构的原子、分子等微观粒子在光波电磁场的作用下受迫振动，这些受迫振动的粒子成波电磁场的作用下受迫振动，这些受迫振动的粒子成为发光中心向各个方向发射球面次波，由于固态和液为发光中心向各个方向发射球面次波，由于固

32、态和液态粒子的结构致密，微粒中每个分子发出的次波相位态粒子的结构致密，微粒中每个分子发出的次波相位相关联，合成发射一个大的次波。由于各个杂质微粒相关联，合成发射一个大的次波。由于各个杂质微粒之间空间位置排列毫无规律，这些大次波不会因为相之间空间位置排列毫无规律，这些大次波不会因为相位关系而相互干涉，因此微粒向各个方向散射光波。位关系而相互干涉，因此微粒向各个方向散射光波。归一散射：归一散射：发生在光波前进方向的散射。发生在光波前进方向的散射。 二、非弹性散射分类二、非弹性散射分类1. 1. 拉曼散射拉曼散射 （raman scatteringraman scattering）是分子或点阵振动的

33、光学声子（即光学模）对光波的是分子或点阵振动的光学声子（即光学模）对光波的散射。散射。在光谱图上距离瑞利线较远，它们与瑞利线的频差可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因散射介质能级结构不同而在10100 0 10104 4cmcm-1-1之间变化。之间变化。2. 2. 布里渊散射布里渊散射 （brillouinbrillouin scattering scattering）是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性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，即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之散射，即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之间

34、的能量交换结果。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。旁，只能用高分辨的双单色仪等光谱仪才能分辨出来。波动观点波动观点：光的非弹性散射机制，是光波电磁场与：光的非弹性散射机制，是光波电磁场与介质内微观粒子固有振动之间的耦合，可激发介质介质内微观粒子固有振动之间的耦合，可激发介质微观结构的振动或导致振动的淬灭，以至于散射光微观结构的振动或导致振动的淬灭，以至于散射光波频率相应出现波频率相

35、应出现“红移红移”（频率降低）或（频率降低）或“蓝移蓝移”（频率增高）。（频率增高）。 通常产生拉曼振动的的介质多由相互约束的正通常产生拉曼振动的的介质多由相互约束的正负离子所组成。正负离子的周期性振动导致偶极矩负离子所组成。正负离子的周期性振动导致偶极矩的周期性变化，这种振动偶极矩与光波电磁场的相的周期性变化，这种振动偶极矩与光波电磁场的相互作用引起的能量交换，发生光波的非弹性散射。互作用引起的能量交换，发生光波的非弹性散射。一般认为拉曼散射是分子或点阵振动的光学声子一般认为拉曼散射是分子或点阵振动的光学声子（光学模）对光波的散射。（光学模）对光波的散射。量子力学观点量子力学观点：能级与虚能

36、级之间的跃迁与回落。：能级与虚能级之间的跃迁与回落。虚能级虚能级：电磁场和介质相互作用过程中形成的符合：电磁场和介质相互作用过程中形成的符合态。态。共振拉曼散射共振拉曼散射：当入射光的频率选择到使虚能级正：当入射光的频率选择到使虚能级正好与介质的某个能级重合时，拉曼散射强度会大大好与介质的某个能级重合时，拉曼散射强度会大大加强。加强。拉曼（拉曼（raman）光谱）光谱:主要研究点阵振动（分子的转主要研究点阵振动（分子的转动和振动）动和振动）4.7 4.7 材料的光发射材料的光发射平衡辐射和非平衡辐射平衡辐射和非平衡辐射1. 1. 平衡辐射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。

37、只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。2. 2. 非平衡辐射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。在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。光发射的定义光发射的定义材料以某种方式吸收能量之后，将其转化为光能即发射光子的过程。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发光颜色、发光强度及延续时间等。液晶液晶显示显示超薄超薄电视电视等离子显示等离子显示器器

38、精密探头精密探头发光材发光材料料液晶液晶相机相机光源光源能够发光的物体称为光源能够发光的物体称为光源 = (e2-e1) / he1e2 原子光波列原子光波列 (wave train) (wave train) cl c（1）热辐射）热辐射 （2）电致发光）电致发光 （3）光致发光）光致发光 （4）化学发光）化学发光 自发自发辐射辐射（5）同步辐射光源）同步辐射光源 （6）激光光源）激光光源 受激受激辐射辐射激发态原子或分子的自发辐射激发态原子或分子的自发辐射 = (e2-e1) / he1e2激发态原子或分子的受激辐射激发态原子或分子的受激辐射 材料发光前可以有多种方式向其注入能量材料发光前

39、可以有多种方式向其注入能量4.7.1 激励方式激励方式 光激励（光致发光）光激励（光致发光） 通过光的辐照将材料中的电子激发到高能态从而导致发光。 激励光源可以采用光频波段、x-射线波段、-射线波段。 如荧光灯：通过紫外线激发涂布于灯管内壁的荧光粉而发光。电激励（电致发光）电激励（电致发光） 通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，通过对绝缘发光体施加强电场而导致发光，或者从外电路将电子（或空穴）注入到半导或者从外电路将电子（或空穴）注入到半导体的导带（或价带），导致载流子复合而发体的导带（或价带），导致载流子复合而发光。光。 如仪器指示灯的发光二极管：半导体复合如仪器指示灯的发光二极管：半导体

40、复合发光。发光。阴极射线发光阴极射线发光 利用高能量的电子来轰击材料，通过电子利用高能量的电子来轰击材料，通过电子在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种在材料内部的多次散射碰撞，使材料中多种发光中心被激发或电离而发光的过程。发光中心被激发或电离而发光的过程。 如彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显如彩电的颜色：采用电子束扫描，激发显象管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发象管内表面上不同成分的荧光粉，使它们发射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。射红、绿、蓝三种基本光波而实现发光。所用材料：所用材料：主要是透明的无机化合物，包括禁带宽度比主要是透明的无机化合物，包括禁带宽度比较大的较大的 绝缘体和半

41、导体材料。有机发光材料进来也得绝缘体和半导体材料。有机发光材料进来也得到了较快发展。到了较快发展。发光材料的构成：发光材料的构成：基体（基质）基体（基质）激活剂激活剂发光中心。发光中心。助溶剂助溶剂促进材料的结晶或与激活剂匹配。促进材料的结晶或与激活剂匹配。4.7.2 材料发光的基本性质材料发光的基本性质一、发射光谱：一、发射光谱：发射光强 发射光波长指在一定的激发条件下发射光强按波长的分布。其形状与材料的能量结构有关。反映材料中从高能级始发的向下跃迁过程。发射光谱发射光谱二、激发光谱：二、激发光谱：发光强度 激发光波长指材料发射某一特定谱线（或谱带）的发光强度随激发光的波长而变化的曲线能够引

42、起材料发光的激发波长也一定是材料可以吸收的波长，但激发光谱吸收光谱（因为有的材料吸收光后不一定会发射光，其可能把吸收的光能转化为热能而耗散掉对发光没有贡献的吸收是不会在激发光谱上反映的）。反映材料中从基态始发的向上跃迁过程。激发光谱激发光谱三、发光寿命：三、发光寿命：发光寿命指发光体在激发停止之后持续发光时间的长短。发光强度也以指数规律衰减：余辉时间：从激发停止时的发光强度i0衰减到i0 /10的时间，按余辉时间长短分为：超长余辉（超长余辉（1 1s s）、长余辉（）、长余辉（0.10.1 1s1s）、中余辉（）、中余辉（1 1 100ms100ms） 、中短余辉、中短余辉（1010-2-2

43、1ms1ms） 、短余辉（、短余辉（1 1 1010s s）、超短余辉（）、超短余辉（11s s）ttiienn00n - 初始激发态的电子数- 电子在单位时间内跃迁到基态的概率=1/ 发光寿命四、发光效率四、发光效率量子效率q：指发射光子数nout与吸收光子数（或输入的电子数） nin之比。功率效率p：表示发光功率pout与吸收光功率（或输入的电功率）pin之比。光度效率l：表示发射的光通量l与输入的光功率（或电功率）pin之比。功率效率与光度效率的关系： （）-人眼的视见函数 i （）-发光功率的光谱分布函数 d 光功当量inoutqnninoutqppinlpl ddidiql002.

44、2. 复合发光复合发光 源于固体本征态的辐射跃迁源于固体本征态的辐射跃迁 固体能带模型描述（限于最高能隙固体能带模型描述（限于最高能隙e eg g内）内）如如ii-viii-vi、iii-viii-v族半导体发光族半导体发光1. 1. 分立中心发光分立中心发光3. 3. 特殊的复合发光特殊的复合发光bafbaf2 2型型 固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁固体中局域中心内部电子态间的辐射跃迁 位形坐标描述位形坐标描述如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）如稀土离子发光（宽禁带绝缘体材料）发光分类发光分类4.7.3 发光的物理机制发光的物理机制一、分立中心发光一、分立中心发光 re re3+3+发

45、光，杂质、缺陷发光发光，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发光性能。根据发光中心与晶体点阵之间相互作用的强弱可分为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：两种情况：1.1.发光中心基本上是孤立的它的发光光谱与自由离子相发光中心基本上是孤立的它的发光光谱与自由离子相似；似；2.2.发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光中心受基质点阵电场（或晶体场）影响较大，其发光特

46、性与自由离子不同必须把中心和基质作为一个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。整体来分析。eu3+离子离子在不同基在不同基质材料中质材料中的发射光的发射光谱谱二、二、 复合发光复合发光 复合发光与分立中心发光最根本的区别在于，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上留下一个空穴，因此当导被激发到导带时在价带上留下一个空穴，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。复合发光的所发射光子的能量等于禁带宽出能量

47、。复合发光的所发射光子的能量等于禁带宽度。通常采用半导体材料，以掺杂的方式提高度。通常采用半导体材料，以掺杂的方式提高 发光发光效率。效率。 如果在如果在p-n结上加正向电压，结上加正向电压，内电场势垒的高度降低，势垒内电场势垒的高度降低，势垒区的宽度变窄。由于势垒减弱，区的宽度变窄。由于势垒减弱，电子就源源不断从电子就源源不断从n区流向区流向p区，空穴反之，大量的电子和区，空穴反之，大量的电子和空穴相遇复合，并以光的形式空穴相遇复合，并以光的形式释放能量。释放能量。4.8 材料的受激辐射和激光材料的受激辐射和激光 20世纪60年代出现了激光； 辐射能量在空间空间和时间时间上高度集中，其亮度比

48、太阳强1010倍； 用途：信息、医学、工业、能源和国防领域。 1917年爱因斯坦在研究“黑体辐射能量分布”问题时，提出-光与物质的相互作用除了光吸收、光发射着两个基本过程之外，还存在第三个基本过程-受激辐射。 问题：光与物理相作用的三种过程以及它们之间的关系？4.8.1 受激辐射受激辐射光与物质相互作用的三个基本过程：光与物质相互作用的三个基本过程：光的吸收、光发射、受激辐射光的吸收、光发射、受激辐射自发辐射过程自发辐射过程12eeh2e1e21e21a12b 注：从高能e2向低能e1自发、独立地发射一个光子，除了能量（频率）受上式制约之外，其发射方向和发射方向和偏振态偏振态都是随机和无规则的随机和无规则的。 单位体积、单位时间发生自发辐射原子数： n2代表高能e2的原子密度； a21代表自发辐射跃迁概率-自发辐射系数。与原子的性质有关，与辐射场无关。负号表明自发辐射导致n2随时间减少。自发辐射的光子数自发辐射的光子数2212nadtdnsp 如果原子处于低能级，当有能量满足hv=e2-e1的光子时，原子则可能吸收一个光子并跃迁到高能级e2。由于这个吸收过程只有存在适当频率的外来光子时才会发生，故称为“受激吸收受激吸收”。 单位体积、单位时间发生受激吸收的原子数：1121),(ntbdtdnsp其中系数b12称为受激吸收系数，