材料物理讲稿第10章

1、可见光：波可见光：波长处于人眼长处于人眼能够感知范能够感知范围的那部分围的那部分电磁波，波电磁波，波长范围很窄长范围很窄颜色随波颜色随波长改变。长改变。白光是各白光是各色光的混色光的混合合 光波也由电场分量与磁场分量组成，这两种分量光波也由电场分量与磁场分量组成，这两种分量彼此垂直且都垂直于光的传播方向。彼此垂直且都垂直于光的传播方向。 电磁波在真空中的传播速度电磁波在真空中的传播速度c=3108m/s，且有，且有001c其中其中 0和和 0分别为真空中的介分别为真空中的介电常数和磁导率。电常数和磁导率。 光在非真空介质中传播时光速光在非真空介质中传播时光速其中其中 和和 分别为介质的介电常数

2、和磁导率，分别为介质的介电常数和磁导率， r和和 r分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。rr1cv考虑光的量子性，将光看成粒子，其能量量子即考虑光的量子性，将光看成粒子，其能量量子即为光子，光子的能量为光子，光子的能量hchE其中其中 为频率，为频率， 为波长，为波长，h为普朗克常数。为普朗克常数。 (a)吸收；吸收；(b)散射；散射；(b)透射；透射；(b), (c), (d)反射。反射。入射到材料表面的光的能流率为入射到材料表面的光的能流率为 0W/m2，则有，则有 0= T+ A+ R+ S 其中其中 T、 A、 R、 S分别是透射、吸收、反射、分

3、别是透射、吸收、反射、散射的能流率。散射的能流率。用用 0除等式两边，则有除等式两边，则有 T+A+R+S=1 0TT0AA0RR0SS分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。分别称为透射率、吸收率、反射率和散射率。折射、反射、散射、吸收各有其微观机制折射、反射、散射、吸收各有其微观机制光与固体中的原子、离子、电子等的相互作用光与固体中的原子、离子、电子等的相互作用第一：引起材料中的电子极化第一：引起材料中的电子极化光波的电场分光波的电场分量与传播路径上的原子作用，造成电子云的负电量与传播路径上的原子作用，造成电子云的负电荷中心与原子核的正电荷中心发生相对位移荷中心与原子核的正电荷中心发生相对

4、位移光的部分能量被吸收，光速降低光的部分能量被吸收，光速降低折射。折射。第二：引起材料中电第二：引起材料中电子能态的改变。子能态的改变。光子能量恰好为孤立光子能量恰好为孤立原子两能级差，将电原子两能级差，将电子激发到高能级。光子激发到高能级。光子消失子消失吸收吸收这种吸收的条件为这种吸收的条件为 E=h ij 其中其中i、j为原子中电子的两个能级，为原子中电子的两个能级， E=Ei-Ej为为这两个能级的能级差，这两个能级的能级差， ij为能量恰好为这一能级为能量恰好为这一能级差的光子的频率，差的光子的频率，h为普朗克常数。为普朗克常数。只有能量为电子能级差的光子才能被吸收只有能量为电子能级差的

5、光子才能被吸收可被孤立原子吸收的光子是不多的。可被孤立原子吸收的光子是不多的。固体中固体中能带准连续，不同能量（频率）的光能带准连续，不同能量（频率）的光子都有可能被吸收。子都有可能被吸收。吸收了光子的电子处于高能量的受激态吸收了光子的电子处于高能量的受激态不稳不稳定定又会按不同途径衰变返回基态，同时发射又会按不同途径衰变返回基态，同时发射不同波长（能量）的电磁波不同波长（能量）的电磁波受激电子又直接衰变回原能级受激电子又直接衰变回原能级发射与入射光发射与入射光同样波长的光波同样波长的光波反射反射金属对可见光一般不透明金属对可见光一般不透明能带结构决定能带结构决定 费米能级以上有许多费米能级以

6、上有许多空能级空能级可吸收不可吸收不同波长的光子将电子同波长的光子将电子激发到空能级上激发到空能级上大部分被激发电子又大部分被激发电子又会衰变回基态，放出会衰变回基态，放出与所吸收的光子同波与所吸收的光子同波长的光子长的光子反射光反射光 大多数金属的反射率在大多数金属的反射率在0.90.95之间，其余能量之间，其余能量转换成其他形式的能量，如热量转换成其他形式的能量，如热量金属对不同波长的光的反射能力不同金属对不同波长的光的反射能力不同反射光反射光的波长不同的波长不同颜色不同颜色不同光从真空进入材料时速度降低，光在真空中的速光从真空进入材料时速度降低，光在真空中的速度度c和材料中的速度和材料中

7、的速度v之比即为材料的折射率之比即为材料的折射率 n=c/v 当光从材料当光从材料1中通过界面进入材料中通过界面进入材料2时，在材料时，在材料1中入射光与界面法线所成的角即入射角为中入射光与界面法线所成的角即入射角为i1，在，在材料材料2中折射光与界面法线所成的角即折射角为中折射光与界面法线所成的角即折射角为i21 1 非金属材料对光的折射非金属材料对光的折射 21122121sinsinvvnniinn21：称为材料：称为材料2相对于材料相对于材料1的相对折射率，的相对折射率，n1、n2分别为材料分别为材料1、2的折射率，的折射率，v1、v2分别为材料分别为材料1、2中的光速。中的光速。由材

8、料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得由材料中的光速与介电常数和磁导率的关系可得其中其中 r和和 r分别为材料的相对介电常数和相对磁分别为材料的相对介电常数和相对磁导率。大多数非金属材料的磁性很弱，导率。大多数非金属材料的磁性很弱， r 1，有，有rrvcnrn由于由于 r1，材料的折射率总是大于，材料的折射率总是大于1的。的。大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相大离子可以使原子的正负电荷中心产生较大的相对位移，对位移， r增大增大可用大离子构成高折射率的可用大离子构成高折射率的材料，小离子构成低折射率的材料。材料，小离子构成低折射率的材料。 均质介质（非晶态材料和立方晶系的晶体）：对均

9、质介质（非晶态材料和立方晶系的晶体）：对光是各向同性的，只有一个折射率。光是各向同性的，只有一个折射率。非均质介质（非立方晶系的晶体）：光线入射到非均质介质（非立方晶系的晶体）：光线入射到该介质中会产生双折射现象，即出现两条振动方该介质中会产生双折射现象，即出现两条振动方向相互垂直、转播速度不等的折射线。向相互垂直、转播速度不等的折射线。双折射导致双折射率：平行于入射面的光线的双折射导致双折射率：平行于入射面的光线的折射率为常数，与入射角无关，称为常光折射折射率为常数，与入射角无关，称为常光折射率率n0，严格服从折射定律；另一条与之垂直的光，严格服从折射定律；另一条与之垂直的光线不严格遵守折射

10、定律，所构成的折射率的大线不严格遵守折射定律，所构成的折射率的大小随入射光方向变化，称为非常光折射率小随入射光方向变化，称为非常光折射率ne。双折射现象双折射现象例如对石英，例如对石英，n0和和ne分别为分别为1.543和和1.552；对方；对方解石，解石，n0和和ne分别为分别为1.658和和1.486。一般沿晶体密堆方向一般沿晶体密堆方向ne较大。较大。光线从一种透明介质进入另一种折射率不同的介光线从一种透明介质进入另一种折射率不同的介质时，总有一部分光线在界面处被反射。质时，总有一部分光线在界面处被反射。光线垂直于或接近垂直于界面入射时，反射率光线垂直于或接近垂直于界面入射时，反射率2

11、2 非金属材料对光的反射非金属材料对光的反射 21212nnnnRn1、n2：两种介质的折射率。：两种介质的折射率。如果是从真空或空气射入到某种材料，则有如果是从真空或空气射入到某种材料，则有211nnRn：该材料的折射率：该材料的折射率折射率高则反射率高折射率高则反射率高 光从介质光从介质1进进入介质入介质2后可后可发生连续多次发生连续多次的反射和折射，的反射和折射，反射光强是各反射光强是各次反射的总强次反射的总强度，透射光强度，透射光强是在介质是在介质2中中反复传播过程反复传播过程中吸收和散射中吸收和散射损失以及反射损失以及反射以外的光的总以外的光的总强度。强度。 3 3 非金属材料对光的

12、吸收非金属材料对光的吸收 显然显然光子能量光子能量 E大于禁大于禁带宽度带宽度Eg将电将电子从满价带激发到子从满价带激发到空导带上，并在价空导带上，并在价带留下一个空穴。带留下一个空穴。 gEhchc为真空中的光速，为真空中的光速， 和和 分别为光的分别为光的频率和波长频率和波长 可计算出可计算出Eg3.1eV时波长最短的紫光（时波长最短的紫光（0.4 m）也不能将电子激发也不能将电子激发不吸收可见光不吸收可见光可能是可能是无色透明的。无色透明的。Eg 1.8eV时波长最大的红光（时波长最大的红光（0.7 m）也可将电）也可将电子激发到空导带中子激发到空导带中吸收所有颜色的可见光，吸收所有颜色

13、的可见光，不透明。不透明。对于对于1.8eVEg波长波长 时，可以认为所引起的时，可以认为所引起的散射系数与散射质点的投影面积成正比，即散射系数与散射质点的投影面积成正比，即 S=KN R2N：单位体积内的散射质点数；：单位体积内的散射质点数；R：散射质点的：散射质点的平均半径；平均半径；K：基体与散射质点的相对折射率决：基体与散射质点的相对折射率决定的系数，当两者的折射率相近时为定的系数，当两者的折射率相近时为0。假设散射质点的体积分数为假设散射质点的体积分数为V，则有，则有NRV334dKVRKVS2343散射质点体积分数一定时，质点直径越大，散射散射质点体积分数一定时，质点直径越大，散射

14、系数越小。系数越小。 5 5 非金属材料的透光性非金属材料的透光性反射、折射、散射、二次反射反射、折射、散射、二次反射强度为强度为I0的光线从的光线从介质介质1（假设为（假设为空气或真空气或真空）垂直空）垂直入射到厚入射到厚度 为度 为 x 的的材料（介材料（介质质2）中，）中，射出，至射出，至少有四次少有四次能量损失能量损失第一次反射损失第一次反射损失R为反射率，为反射率，n为介质为介质2的折射率。所以进入介质的折射率。所以进入介质2的光强度为的光强度为I0(1-R)，经吸收和散射后其能量损失，经吸收和散射后其能量损失 E23=I0(1-R)1-e-( +S)x 其中其中 和和S分别为介质分

15、别为介质2的吸收系数和散射系数。的吸收系数和散射系数。020111InnRIE光线到达介质光线到达介质2的右表面的强度只有的右表面的强度只有I0(1-R)e-( +S)x二次放射的能量损失二次放射的能量损失 E4=I0R(1-R)e-( +S)x 传出介质传出介质2的透射光强度只有的透射光强度只有I=I0(1-R)2e-( +S)x此时的此时的I/I0才是近似的透射率才是近似的透射率忽略了多次反忽略了多次反射后形成的透射光射后形成的透射光略低于实际测得的透射率略低于实际测得的透射率影响透射率的因素影响透射率的因素吸收系数、散射系数和反射率都影响透射率。吸收系数、散射系数和反射率都影响透射率。非

16、金属材料吸收系数较低，对透射率影响不大。非金属材料吸收系数较低，对透射率影响不大。其透射率的主要因素是散射系数。其透射率的主要因素是散射系数。宏观和微观缺陷，如第二相粒子、夹杂物、气孔、宏观和微观缺陷，如第二相粒子、夹杂物、气孔、孔洞等在相界面产生散射。孔洞等在相界面产生散射。与基体的相对折射率大，引起的散射与基体的相对折射率大，引起的散射损失大。损失大。一般陶瓷材料的气孔直径大约为一般陶瓷材料的气孔直径大约为1 m，用特殊的，用特殊的工艺消除大尺寸气孔，使气孔直径减小到工艺消除大尺寸气孔，使气孔直径减小到 0.01 m的数量级，散射系数可降低三个数量级的数量级，散射系数可降低三个数量级以上，

17、得到透明陶瓷。以上，得到透明陶瓷。常光折射率常光折射率n0和非常光和非常光折射率折射率ne相差越大，散相差越大，散射越严重。射越严重。例如：例如： -Al2O3（刚玉），（刚玉），n0和和ne分别为分别为1.760和和1.768，计算出晶界反射率，计算出晶界反射率R=5.1410-6经过经过多次反射，晶界散射引起的损失也不大多次反射，晶界散射引起的损失也不大可制可制成透光率很高的耐高温灯管。成透光率很高的耐高温灯管。金红石晶体，金红石晶体，n0和和ne分别为分别为2.854和和2.567，晶界，晶界反射率反射率R=2.810-3。如果平均晶粒直径为。如果平均晶粒直径为3 m，厚度为厚度为3mm

18、，可算出透过率只有，可算出透过率只有(1-R)1000=0.06不透光。不透光。提高透光性：用高纯原料，既防止异相的生成增提高透光性：用高纯原料，既防止异相的生成增大散射，又防止杂质能级提高吸收率；掺杂微量大散射，又防止杂质能级提高吸收率；掺杂微量成分降低气孔率，并形成与主晶相折射率相近的成分降低气孔率，并形成与主晶相折射率相近的固溶体降低散射。固溶体降低散射。例：向例：向Al2O3中加少量中加少量MgO、Y2O3、La2O3等。等。用热压、热煅、热等静压等工艺方法降低气孔率用热压、热煅、热等静压等工艺方法降低气孔率 降低透光性（不透明，乳浊态）：生成尺寸与入降低透光性（不透明，乳浊态）：生成

19、尺寸与入射光波长相近、体积分数大、与基体折射率相差射光波长相近、体积分数大、与基体折射率相差大的颗粒。大的颗粒。例：向硅酸盐玻璃中加入例：向硅酸盐玻璃中加入TiO2、SnO2、ZrO2、ZrSiO4等乳浊剂颗粒，加入气孔，加入等乳浊剂颗粒，加入气孔，加入NaF、CaTiSiO5、As2O5等乳浊剂在玻璃中结晶析出细等乳浊剂在玻璃中结晶析出细小颗粒小颗粒搪瓷釉。适当调整搪瓷釉。适当调整半透明陶瓷半透明陶瓷改变透射率的方法改变透射率的方法不透明材料的颜色由反射光的波长决定，透明材不透明材料的颜色由反射光的波长决定，透明材料的颜色由透射光波长决定。料的颜色由透射光波长决定。 6 6 非金属材料的颜色

20、非金属材料的颜色 绿色玻璃：不同比绿色玻璃：不同比例的各颜色光的混例的各颜色光的混合光谱决定透射光合光谱决定透射光的波长的波长绿色绿色蓝宝石：氧化铝单晶蓝宝石：氧化铝单晶红宝石：掺杂有少量红宝石：掺杂有少量Cr2O3的氧化铝单晶的氧化铝单晶对各波长的光的透对各波长的光的透射率相近，无色射率相近，无色禁带中引入禁带中引入Cr3+杂质能级，对蓝杂质能级，对蓝紫光和黄绿光吸紫光和黄绿光吸收强，透射的混收强，透射的混合光谱呈红色合光谱呈红色对陶瓷、玻璃、搪瓷、水泥等无机材料，通常采对陶瓷、玻璃、搪瓷、水泥等无机材料，通常采用分子着色剂和胶体着色剂改变其颜色。用分子着色剂和胶体着色剂改变其颜色。分子着色

21、剂：分子着色剂：加入不同的离子在基体材料的禁带加入不同的离子在基体材料的禁带中形成杂质能级而选择性吸收某些波长的光。中形成杂质能级而选择性吸收某些波长的光。例：例：Co2+呈蓝紫色，呈蓝紫色，Cu2+呈蓝绿色，呈蓝绿色，Cr3+呈现鲜呈现鲜艳的紫色，艳的紫色，CrO42-呈黄色，呈黄色，MnO4-呈紫色。呈紫色。改变颜色的方法改变颜色的方法胶体着色剂：胶体着色剂：胶体金、银、铜等金属着色剂（颜胶体金、银、铜等金属着色剂（颜色随粒径改变，如胶体金粒径小于色随粒径改变，如胶体金粒径小于20nm弱黄色，弱黄色，2050nm红色，红色，100150nm透射呈蓝色，反射透射呈蓝色，反射呈棕色）。非金属胶

22、体着色剂如硫硒化镉。呈棕色）。非金属胶体着色剂如硫硒化镉。在不同温度和气氛下烧制陶瓷可能形成不同的氧在不同温度和气氛下烧制陶瓷可能形成不同的氧化物，改变颜色化物，改变颜色“窑变窑变”，绚丽多彩，绚丽多彩发光：激发态电子衰变回低能级同时发出可见光发光：激发态电子衰变回低能级同时发出可见光的现象的现象激发原因：热激发，高能辐射如激发原因：热激发，高能辐射如X射线、紫外光射线、紫外光照射、电子轰击等，短波长的可见光。照射、电子轰击等，短波长的可见光。 热激发：温度升高从红外线到白炽光热激发：温度升高从红外线到白炽光白炽灯，白炽灯，辐射式温度计辐射式温度计普通物理普通物理这里讨论发射冷光，即在低温下发

23、光。这里讨论发射冷光，即在低温下发光。荧光灯、阴极射线管、荧光屏、荧光灯、阴极射线管、荧光屏、X光闪烁计光闪烁计数器、公路夜视路标、夜光仪表等。数器、公路夜视路标、夜光仪表等。不同应用场合需要不同的冷光余辉时间。例如夜不同应用场合需要不同的冷光余辉时间。例如夜视路标需要长余辉，而电视荧光屏的余辉时间过视路标需要长余辉，而电视荧光屏的余辉时间过长则会产生影像重叠。长则会产生影像重叠。冷光分为荧光和磷光：延迟时间短于冷光分为荧光和磷光：延迟时间短于10-8s的称为的称为荧光，长于荧光，长于10-8s的称为磷光。的称为磷光。 荧光：电子直荧光：电子直接从导带跳回接从导带跳回价带，发射一价带，发射一个

24、光子个光子 磷光：电子从导带磷光：电子从导带跳回被杂质能级跳回被杂质能级Ed捕获，再从陷阱中捕获，再从陷阱中逸出跳回价带发射逸出跳回价带发射两个光子，发射时两个光子，发射时间延迟间延迟 以红宝石激光器为例以红宝石激光器为例工作物质：红宝石，在蓝宝石（工作物质：红宝石，在蓝宝石（Al2O3单晶）中单晶）中加入加入0.05%Cr3+离子的产物。离子的产物。Cr3+离子提供了发离子提供了发生布居反转（高能态电子多）所需的电子能态生布居反转（高能态电子多）所需的电子能态用氙气闪光灯（波长用氙气闪光灯（波长560nm）照射红宝石，激发）照射红宝石，激发Cr3+离子中基态的电子并形成粒子数反转。离子中基态

25、的电子并形成粒子数反转。高能态电子返回基态的两种途径：高能态电子返回基态的两种途径：第一：从高能态直接返回基态，同时发射一个光第一：从高能态直接返回基态，同时发射一个光子子自发辐射，产生的光不是激光。自发辐射，产生的光不是激光。第二：先衰变到亚稳态能级，停留第二：先衰变到亚稳态能级，停留3ns后返回基后返回基态并发射光子。态并发射光子。3ns是相对很长的时间，在亚稳是相对很长的时间，在亚稳态能级上聚集了很多电子，当有几个电子自发从态能级上聚集了很多电子，当有几个电子自发从亚稳态返回基态时，会带动许多电子以亚稳态返回基态时，会带动许多电子以“雪崩雪崩”的形式返回基态，发射出许多状态完全相同的光的

26、形式返回基态，发射出许多状态完全相同的光子子基本平行于红宝石柱轴向传播的光子一部分穿过基本平行于红宝石柱轴向传播的光子一部分穿过部分反射镜，一部分被两个反射镜来回反射，在部分反射镜，一部分被两个反射镜来回反射，在红宝石中来回传播，激发出更多状态完全相同的红宝石中来回传播，激发出更多状态完全相同的光子。光子。从基态到激发从基态到激发态经亚稳能级构成态经亚稳能级构成的三能级激光器。的三能级激光器。相干光越来相干光越来越强越强透过部透过部分反射镜发出高分反射镜发出高度准直的相干波度准直的相干波（波长（波长694.3nm的的单色激光）。单色激光）。 发光材料指用来发出荧光或磷光的材料。发光材料指用来发

27、出荧光或磷光的材料。例：灯罩涂特制的钨酸盐或硅酸盐例：灯罩涂特制的钨酸盐或硅酸盐水银辉光水银辉光放电产生的紫外线激发出荧光放电产生的紫外线激发出荧光荧光灯。荧光灯。例：真空管中涂磷光体例：真空管中涂磷光体一定扫描特性的电子一定扫描特性的电子束射到磷光体上形成图像束射到磷光体上形成图像显示器、显象管。显示器、显象管。一般性能要求：高发光效率、希望的发光色彩、一般性能要求：高发光效率、希望的发光色彩、适当的余辉时间和与基体较强的结合力。余辉适当的余辉时间和与基体较强的结合力。余辉时间：一般规定为激发去除后发光强度降低到时间：一般规定为激发去除后发光强度降低到初始强度的初始强度的1/10所用的时间。

28、所用的时间。荧光材料：主要是具有共轭键（荧光材料：主要是具有共轭键（ 电子）的以苯电子）的以苯环为基的芳香族和杂环化合物；环为基的芳香族和杂环化合物；磷光材料：主要是具有缺陷的某些复杂无机晶体，磷光材料：主要是具有缺陷的某些复杂无机晶体，其基体常为金属硫化物，激活剂常为重金属。基其基体常为金属硫化物，激活剂常为重金属。基体与激活剂适当配合获得合适的磷光颜色体与激活剂适当配合获得合适的磷光颜色包括人工晶体和玻璃，其中加入激活离子，以包括人工晶体和玻璃，其中加入激活离子，以提供亚稳态能级，一般为四能级激光器。提供亚稳态能级，一般为四能级激光器。Nd3+-Y3Al5O12(YAG)和和Nd3+-玻璃

29、玻璃四能级激四能级激光器。谱线宽。其典型的玻璃基质是硅酸盐、磷光器。谱线宽。其典型的玻璃基质是硅酸盐、磷酸盐和磷酸氟化物。酸盐和磷酸氟化物。以晶体中的一种组分为激活离子以晶体中的一种组分为激活离子自激活激光自激活激光晶体晶体激活浓度高，可制成高效、小型激光器激活浓度高，可制成高效、小型激光器半导体激光工作物质：体积小、效率高、运行简半导体激光工作物质：体积小、效率高、运行简单、成本低，但单色性差单、成本低，但单色性差几乎能够产生从近几乎能够产生从近紫外到红外的全部波段的激光。紫外到红外的全部波段的激光。可调谐激光晶体（加可调谐激光晶体（加过渡金属离子）过渡金属离子）：激光波长：激光波长在一定范

30、围内可调谐。在一定范围内可调谐。优质大尺寸钆镓石榴石优质大尺寸钆镓石榴石Nd-Gd3Ga5O12(Nd-GGG)输出功率达输出功率达23kW6kW级别的商用激光器。级别的商用激光器。更高功率的军用，但还处于技术封锁阶段。更高功率的军用，但还处于技术封锁阶段。上世纪上世纪60年代激光发现。年代激光发现。1965年，提出：用石英年，提出：用石英基玻璃纤维进行长距离信息传递，将带来一场通基玻璃纤维进行长距离信息传递，将带来一场通讯事业的革命，并提出当玻璃纤维损耗率下降到讯事业的革命，并提出当玻璃纤维损耗率下降到20分贝分贝/公里时，光纤通讯即可成功。公里时，光纤通讯即可成功。 当时的光导纤维（光纤）

31、损耗太大，技术当时的光导纤维（光纤）损耗太大，技术上达不到实用水平上达不到实用水平90年代才实现了大规模年代才实现了大规模的光纤传输。的光纤传输。光纤的基本结构光纤的基本结构低折射率材料制成的包层低折射率材料制成的包层包覆高折射率材料包覆高折射率材料制成的芯制成的芯外加保护层（保护层一般用尼龙制外加保护层（保护层一般用尼龙制成，其折射率高于包层）。成，其折射率高于包层）。光缆无铜，偷也无用。光缆无铜，偷也无用。芯材料折射率芯材料折射率ng大于包层材料折射率大于包层材料折射率nc光线光线从芯射入包层时的折射角大于入射角从芯射入包层时的折射角大于入射角入射角入射角大于某一临界值时，折射角大于大于某一临界值时，折射角大于90 全反射全反射光线始终