多媒体教案-材料物理性能学-03-材料的光学性能-2016au

1、材料物理性能学-03材料的光学性能材料科学与工程学院：马永昌 第三章 材料的光学性能 3.1 光和固体的相互作用 3.2 材料的发光 3.3 激光原理 3.4 固体材料的红外光学性能 3.5 磁光效应左上：海底光缆左上：海底光缆右上：石英光纤右上：石英光纤右下：激光图示右下：激光图示 光在高科技中的地位正在不断提高。 电集成光电子集成光学集成。* 对于光合作用的研究。 要想做更为深入的研究和功能的集成与光学器件的开发等工作，基本知识是必不可少的。 光的波粒二象性真空中光速c=3108 m/s. 光电效应很好地证明了光的粒子性，而很多干涉效应又说明了光的波动性。光到底什么时候波动性明显，何时粒子

2、性又占主要地位，要看具体问题和具体环境。在介质中时，001ccv 电磁波谱入射入射 反射反射 折射折射 散射散射 透射透射 吸收吸收 色散色散 光在真空中沿着直线传播。 但是当遇到另一种介质时，也就是当光从真空中入射到真空与介质的分界面上时 如何描述这样一个体系中光的传播规律？反射部分光线就是我们平时所说的镜面反射。折射过来的光线到底怎样传播？（将越来越衰减，因为除了真空以外的任何介质都会吸收光）反射定律和折射定律：由此两个定律可以描述两光的传播方向，速度，频率等。但是我们这里已经不再是几何意义上的光学了。光入射到某界面后到底多少光被反射？ 为了简单起见，我们考虑单色光（可见光）。 一般说来，

3、只要光传播遇到界面就肯定有一部分光被反射，否则我们就看不到物体了。垂直入射时：221221) 1() 1(nnR反射率谱线固体的反射率是它的“finger print” 对于某种材料，如果R() 为全波段已知，那么他的所有物理属性就都已知了。2222) 1() 1(knknR 对于折射光，n2sin2=n1sin1 前提需要知道折射率：rrn 从微观上看，光与固体材料的相互作用实际上是光子与其中的原子、电子和离子之间的相互作用。 电子极化，电子能态的转变。 电场分量使得电子云偏离原子核导致电子位移极化，一部分光的能量被吸收，同时光波速度减小，导致折射产生。极化对于电场矢量是有影响的，因而对于光

4、的传播就有了折射那样的影响。固体介质对光的散射 原因：媒（介）质不均匀。光当然可以在表面被散射，也可以在介质内部被散射。 散射分为两种情形：a 散射光频率与入射光相同；b 散射光频率与入射光不同。分别对应于瑞利散射和喇曼散射。瑞利散射定律 瑞利散射定律中散射光的强度与波长的关系为：Is() = cf()/ 4, f()为入射光强谱。 注意瑞利散射仅在散射微粒的尺寸比光波长小的情况下才成立。散射颗粒较大时，瑞利散射定律失效。喇曼散射现象 在非常纯净的液体和晶体的散射光光谱中，除了有频率未发生改变的光以外，还存在有频率为1，2 的强度较弱的谱线。而这里的1 和2等频率对应散射物质分子的固有振动频率

5、。这种散射现象就是喇曼散射。介质吸收光的一般规律 光吸收的机制a 带间跃迁光吸收；（直接和间接）b 晶格光吸收；（光频=晶格振动的频率）c 杂质和缺陷的光吸收；（半导体浅能级杂质和金属离子杂质）d 电子极化（电子云形变时耗能）；e 自由电子吸收光；f 激子光吸收。室温下半导体材料的光吸收 光在材料中的色散 色散就是颜色散开颜色散开。颜色对应光的频率。 如果某材料对于所有频率光的折射率都相同，则复色光所有各颜色的光都将同步行进，无色散。 材料对不同波长的光有不同的折射率。实质：介质中的光速是频率依赖的。 透镜成像要想比较清晰就应当用单色光，而并非是自然光。因为不同颜色光的折射率不同，则通过透镜成

6、像后的焦点就不同。（三棱镜实验） 通常用介质的折射率n或色散率dn/d与波长的关系来描述色散规律。任何介质的色散均可分正常色散和反常色散两种。 在介质对光有强烈吸收的波段内(吸收带)，折射率随波长的增加而减小，色散率dnd受激吸收粒子数反转的实现42受激原子在光子照射下发生受激辐射受激原子在光子照射下发生受激辐射43 受激辐射受激辐射光在光在反射镜反射镜反射反射下产生下产生新的受激新的受激辐射辐射，使得谐振，使得谐振腔内沿轴向的光腔内沿轴向的光骤然增加，形成骤然增加，形成激光。激光。光振荡：光振荡：激光器的基本结构激光器的基本结构复习 入射入射 反射反射 折射折射 散射散射 透射透射 吸收吸收

7、 色散色散 入射入射=透射透射+吸收吸收+反射反射+散射散射 (能流率能流率)0=+A+ R+3.4 无机材料的红外光学性能3.4.1 红外技术的起源和应用1800年，W赫胥尔发现红外光谱区。20世纪30年代以前主要用于学术研究；后来发现凡是处于0k以上的物体均发射电磁波，并且主要在红外区域。这个特征对于肉眼看不见的物体和军事观测有重要意义。第二次世界大战时期已经有了红外定位仪和夜视仪器。现在可以用于红外测量，搜索和跟踪，红外成像，通信遥控3.4.2 红外透过性能 对于红外透光材料，当然希望透过率高，透过的短波限要低，频带尽量宽。一般红外范围是0.7-20微米，透过率低于50%被定义为截止。

8、对于透过材料，为了减小反射当然希望折射率越低；同时希望散射和吸收要小；另外材料的自身辐射要小。另其他方面因素。 思考讨论：红外吸收的来源有什么？PRB-73-012501Wudan et al富立叶变换红外光谱仪Bruker IFS66V/s3.4.3 红外探测材料 玻璃、晶体、透明陶瓷和塑料等四类。玻璃：光学均匀性好，易于加工成型，价格低，但是透过的波长较短，使用温度低于500 。晶体：透过的红外光波长较长，折射率和色散范围也较大，熔点高，硬度高，热稳定性好，具有独特的双折射性能。但是不易制成大尺寸，价格昂贵，CsI、MgF2、ZnS、ZnSe等。金刚石是最理想的红外透过材料。 红外探测物理

9、原理利用(1)外光电效应或()内光电效应。(1) 光电发射探测器。主要结构：光阴极+光电子发射+光电子接收的阳极。(2) 光电导型探测器和光伏型探测器。 光电效应是光照射到某些物体上后，引起其电性能变化的一类光致电学特性改变现象的总称。 当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。 光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。 光子型探测器材料

10、碲镉汞（HgCdTe, MCT）是直接带隙半导体，其带隙随成分呈线性变化，带隙可以调解，工作波长范围宽，从微米到微米。MCT的膨胀系数与底材硅相近。MCT要求纯度高，制造技术复杂，成分难以控制均匀，要工作在低温下。近年来，红外探测器也向低维方向发展，如异质结晶格结构。3.4.4 热探测器材料简介 俗称非制冷探测器 可以基于三种效应：热敏电阻效应；热电效应；热释电效应3.5 磁光效应3.5.1 磁光效应原理3.5.2磁光效应的历史3.5.3磁光效应的应用3.5.1 磁光效应原理 任何物质都具有或强或弱的磁性，没有磁性质的物质是不存在的。而外加磁场后该物质的其他性质可以发生改变，反之物质其他性质的

11、改变也可以引起该物质磁性的变化。如：磁致伸缩效应、磁致弹性效应、磁致电阻效应、磁声效应、磁热效应等等。 如此磁光效应的含义显而易见：即外加磁场引起物质光学性质的变化，对应还有光磁效应。外加电场后，电介质极化，产生附加内电场外加电场后，电介质极化，产生附加内电场E*这是一个永远都会成立的自然规律，只要电介质这是一个永远都会成立的自然规律，只要电介质在微观上是由正负电荷组成即可。在微观上是由正负电荷组成即可。 那么那么E暂是如何逐渐接近暂是如何逐渐接近E稳的？稳的？ 是充入电荷！是充入电荷！ 电介质插入后，为什么会发生这样的现象？电介质插入后，为什么会发生这样的现象？ 是附加内电场是附加内电场E*

12、的产生！的产生！ 为什么为什么E*会产生？会产生？ 这是一个这是一个永远永远都会成立的自然规律，都会成立的自然规律，只要电介质在微观上是由正负电荷组成。只要电介质在微观上是由正负电荷组成。 附加内电场附加内电场E* 对于光频场，材料的折射率n：n=n0+aE0+bE02+n0是没有加电场时的折射率；a、b为常数第二项为线性电光效应，Pockels效应第三项为二次电光效应，克尔电光效应 旋转角=维尔德常数*磁感应强度*样品厚度 对于CS2，V=0.042/(cm Gs); 对于某些重火石玻璃，V=0.09/(cm Gs); 1845年，M.Faraday最先观测到磁光效应：当线偏振光通过放在磁场中的透光