第13章 材料的光学性质

1、Chapter outline光与固体的宏观相互作用光与固体的宏观相互作用固体光学现象的微观本质固体光学现象的微观本质 材料具有特定颜色的原因材料具有特定颜色的原因 材料透明和不透明的原因材料透明和不透明的原因光学应用光学应用-luminescence-photoconductivity, solar cell-optical communications fibers第十三章第十三章 材料的光学性质材料的光学性质13.1基本概念基本概念13.2金属的光学性质金属的光学性质13.3非金属的光学性质非金属的光学性质13.4其它光学现象其它光学现象u光光 一种电磁波一种电磁波, 真空中传播速度真空

2、中传播速度3108 m/su电磁辐射电磁辐射可看作一可看作一系列能量量子（光子）系列能量量子（光子）组成。组成。光子光子photon能量能量h为普朗克常量为普朗克常量（6.6310-34Js）u光子不带荷电，光子不带荷电，具有能量，动量和具有能量，动量和质量。光子无法静质量。光子无法静止，静止质量为零。止，静止质量为零。13.1 基本概念基本概念1. 电磁辐射电磁辐射光与固体的宏观相互作用光与固体的宏观相互作用n光辐射能流率光辐射能流率表示单位时间内通过表示单位时间内通过单位面积（与光线传播方向垂直）单位面积（与光线传播方向垂直）的能量。的能量。n入射到固体表面的入射到固体表面的光辐射能流率为

3、光辐射能流率为0，透射、吸收和反射光透射、吸收和反射光的辐射的辐射能流率分别为能流率分别为T，A和和R ，单位，单位W/m22. 光和固体的相互作用光和固体的相互作用n 透明材料透明材料:透射率较高而吸收率透射率较高而吸收率和反射率较小的材料。和反射率较小的材料。n半透明材料半透明材料:光线透过它时能发光线透过它时能发生漫散射的材料。生漫散射的材料。n不透明材料不透明材料:透射率极小的材料。透射率极小的材料。l金属金属-不透明。不透明。l电绝缘材料电绝缘材料-可制成透明材料。可制成透明材料。l半导体材料半导体材料-透明的透明的/不透明。不透明。微观本质：微观本质：电子极化和电子能态转变电子极化

4、和电子能态转变n固体材料的光学现象是固体材料的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子或电磁辐射与固体材料中原子、离子或电子之间相互作用电子之间相互作用的结果。的结果。n电磁波分量之一是交变电场分量。电磁波分量之一是交变电场分量。可见光频率范围内，电场分量与遇到的可见光频率范围内，电场分量与遇到的每一个原子发生相互作用，引起每一个原子发生相互作用，引起电子极化电子极化导致折射。导致折射。电磁波的吸收和发射是电磁波的吸收和发射是电子能态电子能态的转变。的转变。n只有特定能量光子才能通过电子只有特定能量光子才能通过电子能态转变而被该原子吸收。能态转变而被该原子吸收。n受激电子经过一定时间后，将衰受

5、激电子经过一定时间后，将衰变回基态，同时发射出电磁波。变回基态，同时发射出电磁波。2. 光和固体的相互作用光和固体的相互作用+u金属对可见光是不透明的。其原因在于金属的电子能带结金属对可见光是不透明的。其原因在于金属的电子能带结构的特殊性。构的特殊性。(厚度厚度0.1m)u容易吸收不同频率入射光线的光子能量容易吸收不同频率入射光线的光子能量(不同能量不同能量E)，将，将价带中的电子激发到费密能级以上的空能级中去。价带中的电子激发到费密能级以上的空能级中去。肉眼看到的金属颜色不是取决于吸收光的波长，而是肉眼看到的金属颜色不是取决于吸收光的波长，而是反射光反射光的波长的波长。银色的金属（如银和铝）

6、，铜为桔红色，金为黄色。银色的金属（如银和铝），铜为桔红色，金为黄色。13.2 金属的光学性质金属的光学性质l非金属对可见光可透明，也可不透明。非金属对可见光可透明，也可不透明。l光线进入透明材料内部时，因电子极化光线进入透明材料内部时，因电子极化消耗部分能量而使光速减小，光线在界面消耗部分能量而使光速减小，光线在界面上拐弯，叫上拐弯，叫折射折射。l材料的折射率：材料的折射率：c和和v分别是光线在真空分别是光线在真空和材料中的传播速度和材料中的传播速度光线在介质中的速度：光线在介质中的速度：r和和r分别为介质的相对介电系数和相对磁导率分别为介质的相对介电系数和相对磁导率l测定了透明材料的折射率

7、就可计算出电子极化对介电系数的贡献测定了透明材料的折射率就可计算出电子极化对介电系数的贡献。13.3 非金属的光学性质非金属的光学性质1.折射折射材料折射率比较材料折射率比较u晶体结构为晶体结构为立方晶型立方晶型的陶瓷材料和无定形玻璃的折射率的陶瓷材料和无定形玻璃的折射率是各向同性的；是各向同性的；u晶体结构为晶体结构为非立方晶型非立方晶型的，折射率呈各向异性。的，折射率呈各向异性。在离子在离子密度最大的方向上，折射率最高。密度最大的方向上，折射率最高。u即使透明介质也有一部分光线被反射。即使透明介质也有一部分光线被反射。u当光线垂直入射时，当光线垂直入射时，反射率与两种介质的折射率的关系反射

8、率与两种介质的折射率的关系为为n1和和n2分别为两种介质的折射率分别为两种介质的折射率l从真空从真空(或空气或空气)入射入射:u折射率越高，反射率也越高。折射率越高，反射率也越高。u反射率也与波长有关。反射率也与波长有关。u在非垂直入射的情况下，在非垂直入射的情况下，反射率与入射角反射率与入射角有关。有关。2. 反射反射ns表示固体材料的折射率表示固体材料的折射率非金属材料对光吸收有非金属材料对光吸收有3种机理种机理:电子极化。电子极化。只有当光的频率与电子极化松弛时间只有当光的频率与电子极化松弛时间(1015s)的倒数处于同一数量级时，由此引起的吸收才变得比较重要。的倒数处于同一数量级时，由

9、此引起的吸收才变得比较重要。电子吸收光子能量而受激越过禁带电子吸收光子能量而受激越过禁带。条件：。条件：Eg1.8eV半导体材料半导体材料(Si, Ge)，是不透明的。，是不透明的。Eg=1.83.1eV 的非金属材料的非金属材料(CdS, GaP)，为带色透明。，为带色透明。3.吸收吸收含杂质非金属材料的吸收含杂质非金属材料的吸收n介电材料中的杂质或带电缺陷在禁带中引进了能级介电材料中的杂质或带电缺陷在禁带中引进了能级（如施主能级或受主能级），使电子在吸收光子能量后（如施主能级或受主能级），使电子在吸收光子能量后能实现从禁带向导带的转移。能实现从禁带向导带的转移。n通过杂质能级而发生电子的多

10、级转移，从而发射出两个光子。通过杂质能级而发生电子的多级转移，从而发射出两个光子。n多级转移中也可发出一个声子和一个光子。多级转移中也可发出一个声子和一个光子。透射率透射率4.透射率和透明材料的颜色透射率和透明材料的颜色为透射率为透射率（=T / 0）吸收系数为吸收系数为，mm-1均质固体均质固体辐射能流率为辐射能流率为为反射率为反射率l光程光程x是光线在介是光线在介质中经过的距离质中经过的距离透明材料的颜色透明材料的颜色l透明材料的颜色透明材料的颜色l取决于取决于透射光中的光波分布透射光中的光波分布。l玻璃上色：玻璃上色：Cu2+-蓝绿；蓝绿；Co2+-蓝紫；蓝紫；Mn2+-黄色；黄色；Mn

11、3+-紫色紫色散射作用散射作用u光线在材料内部发生多次反射和折射，使透射光线弥散，因此透明的光线在材料内部发生多次反射和折射，使透射光线弥散，因此透明的电介质可以被制成半透明或不透明的。电介质可以被制成半透明或不透明的。-u引起内部散射的原因引起内部散射的原因(1)存在折射率各向异性的微晶组成的多晶材料存在折射率各向异性的微晶组成的多晶材料,将发生反射与折射将发生反射与折射,变得变得十分弥散。它是半透明或不透明的。十分弥散。它是半透明或不透明的。(2 )存在折射率不同的两相而发生散射。折射率之差越大存在折射率不同的两相而发生散射。折射率之差越大,散射作用越强。散射作用越强。高聚物高聚物结晶型结

12、晶型包括折射率不同的晶区与非晶区两相；包括折射率不同的晶区与非晶区两相；包含晶粒无序取向的多晶体系；包含晶粒无序取向的多晶体系；半透明或不透明半透明或不透明结晶度越高，散射越强结晶度越高，散射越强。如聚乙烯、尼龙和聚甲醛等。如聚乙烯、尼龙和聚甲醛等。非晶态均相高聚物是透明的。非晶态均相高聚物是透明的。陶瓷陶瓷单晶陶瓷一般是透明的。单晶陶瓷一般是透明的。大多数陶瓷材料是多晶体，而且包括晶相、玻璃相和气相的多相体系，大多数陶瓷材料是多晶体，而且包括晶相、玻璃相和气相的多相体系，往往是半透明或不透明的。往往是半透明或不透明的。5. 绝缘体的半透明和不透明性绝缘体的半透明和不透明性6. 光导纤维光导纤

13、维(光纤光纤)u光导纤维光导纤维(简称光纤简称光纤)工作原理工作原理:从折射定律可知，当光线从折射率较高的透明介质入从折射定律可知，当光线从折射率较高的透明介质入射到折射率较低的透明介质时，折射角大于入射角。当入射角大射到折射率较低的透明介质时，折射角大于入射角。当入射角大于某一临界值时，折射角将大于于某一临界值时，折射角将大于/等于等于90，从而发生全反射。，从而发生全反射。光纤的种类很多，按材料的性质来分，主要有光纤的种类很多，按材料的性质来分，主要有玻璃纤维和聚合物纤玻璃纤维和聚合物纤维两类。维两类。13.4 其它光学现象其它光学现象1.发光现象发光现象l发光（冷光）是辐射能量以可见光形

14、式出现。发光（冷光）是辐射能量以可见光形式出现。根据材料从根据材料从吸收能量到发光之间延迟时间吸收能量到发光之间延迟时间的长短，冷光可分为的长短，冷光可分为荧光和磷光荧光和磷光两类。两类。t10-8s为荧光，为荧光，t10-8s为磷光。为磷光。荧光和磷光材料荧光和磷光材料: 硫化物、氧化硫化物、氧化物、钨酸盐和一些有机物质。物、钨酸盐和一些有机物质。曝光表是利用半导体曝光表是利用半导体的光电性测定光照下的光电性测定光照下产生的电流。产生的电流。曝光表曝光表最常用的材料是硫化最常用的材料是硫化镉。镉。2.光电性光电性3.激光激光l激光是在外来光子的刺激下诱发电子能态的转变，从而发射激光是在外来光子的刺激下诱发电子能态的转变，从而发射出的与外来光子的频率、相位、传输方向和偏振态等均相同的出的与外来光子的频率、相位、传输方向和偏振态等均相同的相于光波。相于光波。红宝石激光柱中电子的受激和衰变途径示惫图红宝石激光柱中电子的受激和衰变途径示惫