第四章 材料的光学性能ppt课件

1、第四章第四章 材料的光学性能材料的光学性能4.1 光和固体的相互作用光和固体的相互作用4.2 材料的发光材料的发光4.3 相关的其它性能相关的其它性能4.1 光和固体的相互作用1.光的波粒二象性光的波粒二象性 1光电效应方程光电效应方程 2光学涉及材料对电磁辐射作用的响应。光学涉及材料对电磁辐射作用的响应。 射线射线 原子核结构改变；原子核结构改变； 红外辐射，微波，无线电波红外辐射，微波，无线电波-原子振动或晶格结构原子振动或晶格结构的改变；的改变；X射线，紫外线，可见光谱射线，紫外线，可见光谱-原子结构改变原子结构改变4.1 光和固体的相互作用 3光的速度光的速度 真空中：真空中： 在介质

2、中传播：在介质中传播：0C ： 3 10-8m/s: 真空介电常数真空介电常数0: 真空磁真空磁 导率导率透射，反射，折射：透射，反射，折射： 光的粒子性光的粒子性介质中传播、衍射：介质中传播、衍射： 光的波动性光的波动性4.1 光和固体的相互作用2. 光通过固体的现象光通过固体的现象 1宏观：光从一种介质进入另一种介质中，一宏观：光从一种介质进入另一种介质中，一部分透过介质，一部分被吸收，一部分在两种介部分透过介质，一部分被吸收，一部分在两种介质的界面上反射，一部分被散射。质的界面上反射，一部分被散射。RAT00光入射到材料表面的光辐射能量流率，单位：光入射到材料表面的光辐射能量流率，单位：

3、W/m2 或或 J/m2s 表示单位时间内通过单位面积的能量表示单位时间内通过单位面积的能量0T0A0R0透射系数透射系数 吸收系数吸收系数反射系数反射系数散射系数散射系数4.1 光和固体的相互作用4.1 光和固体的相互作用 2微观：光与固体中的原子、离子、电子之间的相互作用。 a) 电子极化：光中电场分量与传播过程中的每一个原子都发生作用，引起电子极化。 折射的本质：一部分能量被吸收，同时光波速度减小，导致折射。 b) 电子能态的改变：光子被吸收和发射，都可能涉及到固体材料中电子能态的转变。4.1 光和固体的相互作用3.材料的折射率及其影响因素材料的折射率及其影响因素 概念概念 折射：光遇到

4、一种折射率不同的介质，折射：光遇到一种折射率不同的介质，传播速度与波长发生变化，而且光的传播速度与波长发生变化，而且光的传播方向也发生变化。传播方向也发生变化。折射率：光在真空和介质中的速度之折射率：光在真空和介质中的速度之比比相对折射率相对折射率:n1, 原因：光与原子作用导致电子极原因：光与原子作用导致电子极 化，使光速变慢。化，使光速变慢。4.1 光和固体的相互作用 一些透明材料的折射率一些透明材料的折射率4.1 光和固体的相互作用2） 材料折射率的影响因素材料折射率的影响因素 a) 材料元素的离子半径：材料元素的离子半径：cvccvcn材料由于在无机材料这样的电介质中，由于在无机材料这

5、样的电介质中，=1，ln 材料的折射率随介电常数增大而增大材料的折射率随介电常数增大而增大离子半径增大时，其离子半径增大时，其增大，因而增大，因而n也随之增大也随之增大 4.1 光和固体的相互作用2） 材料折射率的影响因素材料折射率的影响因素 b) 材料的结构、晶型：材料的结构、晶型： 非晶态和立方晶体结构：一个折射率均质介质）非晶态和立方晶体结构：一个折射率均质介质） 其它晶型其它晶型 ：两个折射率：两个折射率-寻常光折射率寻常光折射率n0和不寻常光折射率和不寻常光折射率ne （非均质）（非均质） 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n0存在，与光轴方向存在，与光轴方

6、向垂直入射时，垂直入射时，ne达最大值，此值是为材料特性。石英的达最大值，此值是为材料特性。石英的n0=1.543，n e=1.552；方解石的；方解石的n0=1.658，ne=1.486；刚玉；刚玉的的n0=1.760，ne=1.768。沿着晶体密堆积程度较大的方向。沿着晶体密堆积程度较大的方向ne较大。较大。 C) 材料的内应力：有内应力的透明材料，垂直于受拉主应材料的内应力：有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的力方向的n大，平行大，平行 于受拉主应力方向的于受拉主应力方向的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，可采用测定双折射的光程差测定材料中内应力的

7、大小，可采用测定双折射的光程差的大小。的大小。 d) 同质异构体：高温时同质异构体：高温时n小，低温时小，低温时n大。大。 4.1 光和固体的相互作用例：一束在钠钙玻璃中传播的光线到达了玻璃例：一束在钠钙玻璃中传播的光线到达了玻璃-空气界面：试推空气界面：试推导用于表达折射角与入射角之间的函数关系的表达式；这个导用于表达折射角与入射角之间的函数关系的表达式；这个关系式是否用于所有的入射角？关系式是否用于所有的入射角？ 4.1 光和固体的相互作用3） 色散色散 a) 定义：材料的折射率随入射光的频率的减小定义：材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的或波长的增加增加)而减小的性质，称为折射率的

8、色散。而减小的性质，称为折射率的色散。 在给定入射光波长的情况下，材料的色散为在给定入射光波长的情况下，材料的色散为: 色散色散=dn/d b) 表示：色散系数表示：色散系数d，也叫阿贝数，这是最常用的数值，也叫阿贝数，这是最常用的数值 。 nD：是指用钠光谱中的：是指用钠光谱中的D线线D=589.3nm，黄色为光源测，黄色为光源测出的折射率。出的折射率。 nF：是指用氢光谱中的：是指用氢光谱中的F线线F=486.1nm，蓝色为光源测，蓝色为光源测出的折射率。出的折射率。 nC：是指用氢光谱中的：是指用氢光谱中的C线线C=656.3nm，红色为光源测，红色为光源测出的折射率。出的折射率。 4.

9、1 光和固体的相互作用3） 色散色散 c) 原理：原理： 频率不同导致介质极化强度不同；频率不同导致介质极化强度不同； 极化强度不同导致折射率不同。极化强度不同导致折射率不同。 d) 应用：应用： 用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和凹透镜组成复合镜头，可以消除色差，这叫做消色差镜头。复合镜头，可以消除色差，这叫做消色差镜头。 注：折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率注：折射率的大小与入射光波长有关。材料的折射率n 随随入射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指入射光波长的降低而减小，所以，谈材料的折射率时必须指出所用的光的波长

10、。一般常用出所用的光的波长。一般常用nD来比较不同材料的折射率。来比较不同材料的折射率。 4.1 光和固体的相互作用4. 材料的反射系数及其影响因素材料的反射系数及其影响因素 当光从二种不同介质通过时，要发生当光从二种不同介质通过时，要发生反射和折射。其中反射是电子吸收反射和折射。其中反射是电子吸收光子能量，由高能级又返回低能级光子能量，由高能级又返回低能级时发射出的的电磁波。时发射出的的电磁波。当一束自材料当一束自材料1垂直入射到材料垂直入射到材料2上的上的光线，产生反射光线的比例光线，产生反射光线的比例R为反为反射率：射率：如果两种材料折射率相差很大，则损失很大。如果两种材料折射率相差很大

11、，则损失很大。为了减小反射损失：为了减小反射损失：a)通过介质表面镀增透膜；通过介质表面镀增透膜；b)将多次透过的玻璃用折射率与之相将多次透过的玻璃用折射率与之相近的胶粘起来。近的胶粘起来。4.1 光和固体的相互作用例：望远镜的透镜由多块玻璃组成，若光线沿垂直入射方向通例：望远镜的透镜由多块玻璃组成，若光线沿垂直入射方向通过氧化硅玻璃过氧化硅玻璃(n=1.5), 进入高铅钠氧化硅玻璃进入高铅钠氧化硅玻璃n=2.5),计算计算被反射的光线。被反射的光线。 4.1 光和固体的相互作用5.材料的透射系数及其影响因素材料的透射系数及其影响因素 材料对入射光的吸收材料对入射光的吸收及其散射，是影响材料光

12、及其散射，是影响材料光透射比的的主要因素。透射比的的主要因素。4.1 光和固体的相互作用1金属的光透过性质金属的光透过性质 u金属对所有的低频电磁波从无线电到紫外光都是不透明的，只有对高频电磁波金属对所有的低频电磁波从无线电到紫外光都是不透明的，只有对高频电磁波X射线和射线和 射线才是透明的。（高频时，电子来不及做出响应）射线才是透明的。（高频时，电子来不及做出响应）u导体的价带特征是部分填满，电子易吸收入射光子的能量后激发到空能级上。导体的价带特征是部分填满，电子易吸收入射光子的能量后激发到空能级上。u金属材料吸收的光又从表面上以同样波长的光波反射出来。还有一小部分以热的形金属材料吸收的光又

13、从表面上以同样波长的光波反射出来。还有一小部分以热的形式损失了。式损失了。4.1 光和固体的相互作用2非金属材料的透过性非金属材料的透过性 介质吸收光的一般规律：介质吸收光的一般规律： 电子极化：只有光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级电子极化：只有光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级 电子受激吸收光子而越过禁带电子受激吸收光子而越过禁带 电子吸收光子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级电子吸收光子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级对于第二种机制对于第二种机制: 吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带的空能级上，导带中吸收光子的能量把电子从填满的价带激发到导带的空能级上，导带中出

14、一个电子，而在价带留下一个空穴。只有光子的能量满足下列条件才会被吸收：出一个电子，而在价带留下一个空穴。只有光子的能量满足下列条件才会被吸收：或或u 可见光最短波长可见光最短波长0.4um，电子受激后跃迁的非金属材料的禁带宽度最大为，电子受激后跃迁的非金属材料的禁带宽度最大为3.1eV；若禁；若禁带宽度大于带宽度大于3.1eV，则这种材料不可能吸收可见光，纯度很高的绝缘体材料是无色透，则这种材料不可能吸收可见光，纯度很高的绝缘体材料是无色透明的。明的。 u 可见光的最大波长约可见光的最大波长约0.7um, 吸收光子后电子能越过的最小的禁带宽度吸收光子后电子能越过的最小的禁带宽度Egmin=1.

15、8eV. 对于禁带宽度小于对于禁带宽度小于1.8eV的半导体材料，可见光被吸收，是不透明的。的半导体材料，可见光被吸收，是不透明的。u 对于禁带宽度处于对于禁带宽度处于1.8-3.1eV的非金属材料，只有部分可见光补吸收，因而是带色透明的非金属材料，只有部分可见光补吸收，因而是带色透明的。的。 每一种非金属材料对特定波长以下的的电磁波是不透明，其具体波长取决于禁带每一种非金属材料对特定波长以下的的电磁波是不透明，其具体波长取决于禁带Eg对于第三种机制对于第三种机制: 对于禁带较宽的介电材料可能吸收光子，借助于禁带中引入的杂质或对于禁带较宽的介电材料可能吸收光子，借助于禁带中引入的杂质或缺陷能级

16、，使吸收光子的电子进入其中。缺陷能级，使吸收光子的电子进入其中。4.1 光和固体的相互作用小结：材料的吸收系数与电磁波长密切相关。小结：材料的吸收系数与电磁波长密切相关。 对于电介质材料，由于禁带要在高频下光子才能提供足够的能量。但在红外区，对于电介质材料，由于禁带要在高频下光子才能提供足够的能量。但在红外区，也显示吸收峰，由于入射电磁波与正负离子的振动发生共振，光子能量被吸收转化为也显示吸收峰，由于入射电磁波与正负离子的振动发生共振，光子能量被吸收转化为晶格的弹性振动，即声子吸收。晶格的弹性振动，即声子吸收。 吸收系数：介质吸收的光谱能量不仅与介质的电子能带结构有关，还与光吸收系数：介质吸收

17、的光谱能量不仅与介质的电子能带结构有关，还与光程有关。程有关。 I=I0e - x为吸收系数，取决于材料性质与波长。为吸收系数，取决于材料性质与波长。4.1 光和固体的相互作用2非金属材料的透过性非金属材料的透过性 b) 介质对光的散射：介质对光的散射： 散射：由于光传播的介质不同，介质中含散射：由于光传播的介质不同，介质中含有小粒子，晶界面相，气孔或杂质，由这有小粒子，晶界面相，气孔或杂质，由这些产生的次级波与主波方向不一致，并合些产生的次级波与主波方向不一致，并合成产生干涉现象，引起散射。（一部分能成产生干涉现象，引起散射。（一部分能量偏离原来的方向向四面八方弥散开来）量偏离原来的方向向四

18、面八方弥散开来）I=I0-Sx S:散射系数，或称为内反射现象。散射系数，或称为内反射现象。 散射：与波长有关，也与散射颗粒的大小，分布，数量以及散射相与基体的相对散射：与波长有关，也与散射颗粒的大小，分布，数量以及散射相与基体的相对折射率大小有关。折射率大小有关。 4.4 材料的发光1. 发光和热辐射发光和热辐射 1荧光和磷光：荧光和磷光： 发光：由于受温度之外的其它因素导致的固体向外发光：由于受温度之外的其它因素导致的固体向外发射可见光的现象。发射可见光的现象。 如果外来能量使激发电子从价带进入导带，如果外来能量使激发电子从价带进入导带，当电子返回时便发射光子，如果这种光子的波长处当电子返

19、回时便发射光子，如果这种光子的波长处于可见光范围内，有上述现象。于可见光范围内，有上述现象。 荧光：受激发在大约荧光：受激发在大约10-8s以内发射的电磁波。以内发射的电磁波。 其发光是被激发的电子跳回价带时，发射其发光是被激发的电子跳回价带时，发射的光子的光子4.4 材料的发光磷光：激发事件已经结束之后的一段时间内持续发生的电磁辐射。磷光：激发事件已经结束之后的一段时间内持续发生的电磁辐射。 材料往往含有杂质，并在能隙附近材料往往含有杂质，并在能隙附近建立了施主能级，激发的电子从导带回建立了施主能级，激发的电子从导带回价带时，首先回到施主能级补被捕获，价带时，首先回到施主能级补被捕获，回价带

20、时，电子首先从陷阱内逸出。因回价带时，电子首先从陷阱内逸出。因此延迟了光子发射的时间。此延迟了光子发射的时间。4.4 材料的发光磷光体：激发停止后的一段时间内能发光的复杂晶体无机物质磷光体：激发停止后的一段时间内能发光的复杂晶体无机物质 应应 用用: 电视机屏幕使用的材料；电视机屏幕使用的材料；LED发光二极管技术发光二极管技术4.4 材料的发光1. 发光和热辐射发光和热辐射 2热辐射：热辐射： 利用高温将电子激发到较高能级上去的过利用高温将电子激发到较高能级上去的过程，一些电子回落到空穴位置，此过程放出程，一些电子回落到空穴位置，此过程放出光子，随温度升高，获得呈连续谱的发射光光子，随温度升

21、高，获得呈连续谱的发射光线。辐射的最短波长和强度信赖于温度。材线。辐射的最短波长和强度信赖于温度。材料的颜色随温度而改变。料的颜色随温度而改变。 例：例：700度以下，材料呈淡红色度以下，材料呈淡红色 1500度以下，材料呈桔黄色度以下，材料呈桔黄色 非常高的温度下，材料呈白热状态非常高的温度下，材料呈白热状态应用：陶瓷学家用一个光学温度计获得正加热的陶瓷件的温度。应用：陶瓷学家用一个光学温度计获得正加热的陶瓷件的温度。 用高温计测量辐射光的频带范围，便可以估计材料的温度用高温计测量辐射光的频带范围，便可以估计材料的温度4.4 材料的发光2. 激光激光 激光：激光：LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受受激辐射的光放大激辐射的光放大 ” 特点：用来瞄准特定区域并产生很特点：用来瞄准特定区域并产生很高密度的热能；实质是荧光材料的一个高密度的热能；实质是荧光材料的一个例子，一个被激发的原子簇的荧光发射例子，一个被激发的原子簇的荧光发射光线激发其它的原子簇，使它们发射同光线激发其它的原子簇，使它们发射同相位的光线。相位的光线。定向发光定向发光 亮度极高亮度极高 颜色极纯颜色极纯 能量密度极大能量密度极大4.4 材料的发光例：红宝石激光器例：红宝石激光器 蓝宝