第五章 材料的光学性质

第五章材料的光学性能P143第四章2/3/2023光是一种电磁波可见光的频率范围：4.2*1014~7.5*1014Hz可见光作用在固体上：宏观上出现反射、折射、透射和吸收等现象；微观上则引起组成材料的原子发生电子极化和（或）电子能态的变化。从材料的电子能带结构出发，揭示材料的光学性质的本质。2/3/2023§5-1基本概念一、电磁辐射从经典意义上讲，电磁辐射是一种波，由电场分量和磁场分量组成，两个分量相互垂直，并都垂直于波的传播方向。光（可见光）、热（辐射能）、雷达、无线电波、X射线等都是电磁波，他们之间的差别就是波长（频率）范围不同。电磁波包括的波长范围很宽，从10-12m到105m，按波长增加的次序，可分为：2/3/20234.可见光是人肉眼能感知的电磁波，只占整个电磁波的很窄波段；光线的颜色取决于波长。例如0.4um紫色，0.4~0.5um蓝色，0.5um绿色，0.5~0.6um黄色，0.6um橙色，0.65um红色。白光是各种带色光的混合光。5.电磁波在真空中的传播速度都是C=3*108m/s。C与真空介电常数ε0和真空磁导率μ0之间的关系为：C与电磁波频率ν和波长λ之间的关系为：C=λν电磁波γ射线X射线紫外线可见光红外线微波射频TVλ/m10-10~10-1410-8~10-1210-6~10-90.4~0.7*10-610-2~0.4*10-6100~2*10-2105~1012/3/2023二、光的波粒二象性从量子力学理论可知：电磁波具有波粒二象性，电磁辐射可看成一系列能量量子----光子组成。光子的能量是量子化的，即三、光和固体的相互作用2/3/2023上述公式也可写成如下形式：2/3/2023透明材料：τ大，α、ρ小；半透明材料：透过时发生漫散射；不透明材料:τ极小的材料。金属对整个可见光谱都是不透明的，即所有可见光的入射不是被吸收，就是被反射；所有的电绝缘材料都可能制成透明材料；半导体材料中有些是透明的，有些是不透明的。2/3/2023固体中出现的光学现象是电磁辐射与固体材料中原子、离子和电子之间相互作用的结果。最重要的两种作用是电子极化和电子能态的改变。（一）电子极化在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中遇到的每一个原子都发生相互作用，引起电子极化，即造成电子云和原子核的电和中心发生相对位移。其结果：当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光线速度减小，后者导致折射。2/3/2023（二）电子能态转变电磁波的吸收和发射包含电子从一种能态转变到另一能态的过程。如这里必须明确的几个概念：原子中的电子能级是分立的，能级间只有特定的ΔE。因此只有能量为ΔE的光子才能被该原子通过电子能态改变而吸收；在每一次激发中，每个光子的能量将全部被吸收；受激电子不可能无限长时间保持激发状态，经过一个短时间后，它会衰变回基态，同时发生出电磁波。衰变途径不同，发出的电磁波的频率不同。2/3/2023§5-2金属的光学性质一、金属对可见光的不透明性P149图4.5金属对可见光是不透明的。只要厚度大于0.1um，就可吸收全部光能，只有厚度小于0.1um的金属箔才可能透光。无禁带，而且费米能级以上有许多空能级。事实上，金属对所有的低频电磁波（从无线电波到中紫外线）都是不透明的，只有对高频电磁波，如γ射线，X射线才是透明的。2/3/2023二、良好的反射性大多数金属的反射率ρ=0.9~0.95。利用这一性质可在其他材料的衬底上镀制金属膜做成反光镜----reflector.P150图4.6肉眼看到的金属颜色不是由吸收的波长决定，而是由反射光的波长决定的。在白光照射下，表现为银色的金属（Ag、Al），表面反射出来的光也是由各种波长的可见光混合组成的；其他颜色的金属（如Cu为桔红色、金为黄色）表面反射出来的可见光中以某种波长的可见光为主要成分。2/3/2023§5-3非金属材料的光学性质一、折射2/3/2023由于光速减小是由电子极化引起，因而组成原子或离子的大小对光速的影响很大，一般来说,原子或离子尺寸越大，则电子极化程度愈高，光速越慢，折射率越高。普通玻璃n=1.5，含PbO90%的n=2.1。P146表4.1。2/3/2023二、反射2/3/2023三、吸收非金属对光的吸收有下列三种机理：电子极化：只有当光的频率与电子极化时间的倒数处于同一数量级时，这一效应才变得重要。电子受激吸收光子而越过禁带。电子受激吸收光子进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上。2/3/2023禁带大于3.1eV，则为透明材料禁带小于1.8eV，则为不透明材料禁带大于1.8eV，小于3.1eV，则为半透明材料以上指的是可见光。2/3/2023每一种非金属材料对特定波长以上的电磁波不透明明（吸收），具体的波长取决于Eg。例如，金刚石的Eg=5.6eV，因而对于波长大于0.22um的电磁波是不透明的。禁带较宽的介电材料也可以吸收光波，这是因为杂质或其他带电缺陷在禁带中引进了能级（施主能级或受主能级），使电子能够在吸收光子后实现从价带----禁带或禁带----导带的转移。2/3/2023电子受激后，吸收的电磁波的能量必定会以某种方式释放出来，释放的机理有：透过电子与空穴复合而释放；通过禁带中的杂质能级而发生电子的多级转移，从而释放出两个光子；还可在电子的多级转移中发出一个声子和一个光子。2/3/2023介质净吸收的光波能量不仅与介质的特性有关，而且与光程有关。透射光的辐射能流率随光程x的增加而减小：2/3/2023四、透射率和透明材料的颜色P161图4.16和图4.172/3/2023任何选择性吸收都是由于电子受激造成的，当电子从激发态回到低能态时，又会重新发射出光波，重新发射的光的波长不一定与吸收光的波长相同，因此透射光波的波长分布是非吸收光波和重新发射光波的混合波，透明材料的颜色就是由混合波的颜色决定的。无机玻璃上色的方法就是在玻璃处于熔融状态时，加入过渡族元素或稀土元素的离子（氧化物等），典型的离子颜色对有：

Cu2+—蓝绿；Co2+--蓝紫；Cr3+--红色；Mn2+--黄色；Mn3+--紫色。2/3/2023五、绝缘体的半透明和不透明性有许多本来是透明的电介质可以被制成半透明或不透明，其原理是设法使光线在材料内部发生多次反射和折射（包括慢反射）致使光线变得十分弥散，当散射作用非常强烈，以致几乎没有光线透过时，材料看起来就不透明了。引起内部散射的原因有：由折射率各向异性的微晶组成的多晶样品是半透明或不透明的；当光线通过分散得很细的两相体系时，也因两相的折射率不同而发生散射，两相的差别越大，散射作用越强。2/3/2023§5-4光学现象一、光纤（光导纤维）光纤是20世纪60年代激光发现之后，人们期望使用的光通讯传输介质，由于中国科学家高锟（KaoKC）的这个预见，他被誉为光纤通讯的先驱。目前，光纤已广泛应用于通讯、传感器、医学等领域。2/3/20231、光纤的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射到折射率较低的透明介质时，折射角大于入射角。因此当入射角大于某一临界值时，折射角将大于/等于90度，从而发生全反射。光纤做为传输光的介质的道理就在于此。2/3/20232/3/20232、光纤的种类玻璃纤维聚合物纤维3、光纤的主要性能损耗<4dB/km（λ=1.55um，损耗=0.2dB/km）力学性能（抗拉强度、抗扭曲性）4、优点可弯曲传播、抗干扰性强、能量损耗小、信息容量大、保密性好。2/3/2023二、发光现象能够发光的物质主要有硫化物、氧化物、钨酸盐和一些有机物。纯物质一般不会发光，必须加入适当的杂质后才能诱导出发光现象。2/3/2023当原子核外电子被激发后，原子处于高能状态，将自发回到低能状态，即被激发的电子自动跳回价带，同时发射光子。一般这个时间很短（<10-8S），称之为荧光。如果材料中含有杂质，并在能隙中建立施主能级，当激发的电子从导带跳回价带时，将首先跳到施主能级并被俘获。然后，要首先从俘获陷阱内逸出，然后再跳回价带，从而延缓了光子发射时间，当陷阱中的电子逐渐逸出，跳回价带并发射光子（>10-8S,称之为磷光），其发光强度由下式决定：2/3/2023发光现象的实际应用：电视荧光灯X射线、γ射线检测仪发光二极管1、电视机：

电视机荧光屏内表面涂有磷光材料，但其驰预时间不能太长，否则会产生重影。

工程上应用的磷光材料要求具有下列性能：（1）高的发光效率；（2）希望的发光颜色；（3）适当的余晖时间（afterglowtime）；（4）材料与基体的结合强度；（5）发光耐久性等。2/3/2023目前可供选用的磷光体有很多：P165表4.4（1）紫外激发的有：Y2O3：Eu等30余种；（2）电子射线激发的有：ZnS：Ag、Cu、Al等30余种；（3）X射线激发的有：CaWO3等5种。2、荧光灯其中普通日光灯：Ca2(PO4)3(FCl):Sb,Mn。荧光灯的工作原理：在汞蒸气和惰性气体组成的混合气体中实现放电（气体电离）；高速运动的电子与Hg气体原子作用，使其外层电子产生跃迁（一次激发），然后跳回价带，放出汞谱线的单色辐射（紫外线），电能转变为光能；紫外线域灯管内壁的荧光物质作用，使其原子的外层电子产生跃迁（二次激发），跃迁电子返回价带，发出可见光（白光）。2/3/20233、发光二极管（LED）当pn结二极管加上一正向电压时，其正向电流是所加电压的函数。该正向电流造成结面载流子过剩。虽然扩散使其离开结面，但它们可能跨过带隙产生复合，那么有：对于硅二极管，其辐射频率位于电磁波谱的红外区域，而且辐射立即被再吸收，没有光产生；但是对于GaAs半导体材料制成的pn结二极管：已知GaAs的禁带宽度为1.44eV，电子复合产生的辐射光子的频率接近0.86μm，由于发射的光在可见光范围，而且光子流高，因而形成发光二极管。自20世纪60年代发明发光二极管以来，发红光和绿光的二极管都已得到广泛应用，直到1995年日本科学家中村秀二发明了可发蓝紫光的二极管，从而开始了固态光源—半导体灯挑战白炽灯和荧光灯的时代。2/3/2023LED与白炽灯和荧光灯相比的优点：（1）能源利用率高：半导体等几乎完全用于发光，白炽灯只有5%用于发光，95%消耗于发热，荧光灯的能源利用率20~30%；（2）节省能源：同样发光效果的二极管所消耗的能量只有白炽灯的1/10；（3）长寿命：同样功率的发光二极管的寿命是白炽灯的100倍。能发蓝光的半导体：ZnSe、SiC、GaN（禁带宽度3.4eV）2/3/20234、热辐射材料开始加热时，电子容易被激发到较高能级，特别是外层电子更易被激发，当它们跳回到正常能级时，就发射出光子。低温时，激发产生的大都为低能长波光子，位于可见光范围之外。温度提高，热激活增加，发生高能光子增加，则辐射谱变宽成为连续谱，其强度决定于温度。由于辐射的光子包括