第五章-材料的光学性能

《材料物理》

第五章材料的光学性能理学院材料科学与工程系李煜璟光的现象光的微粒说光的波动说光的电磁说光的波粒二象性光的直线传播光的干涉光的衍射电磁波谱光谱（牛顿）（胡克，惠更斯）（麦克斯韦）（普朗克，爱因斯坦）提纲材料的透光性激光与发光材料光的传输与光线材料材料的非线性光学效应5.1材料的透光性可见光的波长和频率范围光色波长(nm)

频率(Hz)中心波长(nm)

红760~622660

橙622~597610

黄597~577570

绿577~492540

青492~470480

兰470~455460

紫455~400430人眼最为敏感的光是黄绿光，即555nm附近。5.1.1光的波粒二象性光的粒子性爱因斯坦光子能量：光子动量：波粒二象性光子是电磁波能量和动量量子化的粒子电磁波是光子的概率波波的属性：频率、波长光子：能量、动量5.1.2光的干涉和衍射光的波动性主要表现在它有干涉、衍射及偏振等特性双光束干涉(Interference)两束光相遇以后，在光的叠加区，光强重新分布，出现明暗相间、稳定的干涉条纹衍射(diffraction)(绕射)当光波传播遇到障碍物时，在一定程度上能绕过障碍物而进入几何阴影区，这种现象称为衍射5.1.3光透过固体的现象反射（能量的变化）折射（光速的变化）吸收（能量的变化）散射（能量的变化）透过（能量）①②③④Ix①界面1反射②吸收③散射④界面2反射界面1界面2I0I1I2透射+吸收+反射+散射电子极化电磁波的分量之一是迅速变化的电场分量在可见光范围内，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，即造成电子云与原子核的电荷中心发生相对位移所以，当光通过介质时，一部分能量被吸收，同时光速减小，后者导致折射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种能态的过程材料的原子吸收了光子的能量之后可将较低能级上的电子激发到较高能级上去，电子发生的能级变化∆E与电磁波频率有关∆E=hν受激电子不可能无限长时间地保持。在激发状态，经过一个短时期后，它又会衰变回基态，同时发射出电磁波，即自发辐射5.1.4光的反射和折射折射当光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率光从材料1，通过界面传入材料2时，与界面法向所形成的入射角θi，折射角θr与两种材料的折射率n1和n2有下述关系材料的折射率材料的折射率反映了光在该材料中的传播速度光密介质：在折射率大的介质中，光的传播速度慢光疏介质：在折射率小的介质中，光的传播速度快介质的n总是大于1的正数如，空气n=1.0003；固体氧化物n=1.3~2.7；硅酸盐玻璃n=1.5~1.9折射率与两种介质的性质和入射光的波长有关波长越长，折射率越小材料的折射率从本质上讲，反映了材料的电磁结构（对非铁磁介质主要是电结构）在光波作用下的极化性质或介电特性折射率的影响因素-1构成材料元素的离子半径Maxwell电磁波理论认为光在介质中的传播速度c：真空中光速；ε：介质介电常数；μ：介质磁导率对于无机材料电介质，μ≈1本质：材料的电磁结构在光波电磁场作用下的极化性质或介电特性材料的极化介质的极化“拖住”了电磁波的步伐，使其传播速度变得比真空中慢材料的极化性质与构成材料的原子的原子量、电子分布情况、化学性质等微观因素有关这些微观因素通过宏观量介电常数影响光在材料中的传播速度当离子半径增大时，其ε增大，因而n也增大可以用大离子物质得到高n的材料，如nPbS=3.912，用小离子物质得到低n的材料，如nSiCl4=1.412

折射率的影响因素-2材料的结构、晶型和非晶态对非晶态和立方晶体等各向同性材料，当光通过时，光速不因传播方向改变而变化，材料只有一个折射率，称为均质介质除立方晶体以外的其他晶型，都是非均质介质光进入非均质介质时分为振动方向相互垂直、传播速度不等的两个波，它们分别构成两条折射光线，这个现象称为双折射双折射是非均质晶体的特性，这类晶体的所有光学性能都和双折射有关方解石（CaCO3，六方晶系）双折射现象两种折射率平行于入射面的光线的折射率，称为常光折射率n0不论入射光的入射角如何变化，n0始终为一常数，因而常光折射率严格服从折射定律另一条与之垂直的光线所构成的折射率，则随入射线方向的改变而变化，称为非常光折射率ne不遵守折射定律，随入射光的方向而变化当光沿晶体光轴方向入射时，只有n0存在，与光轴方向垂直入射时，ne达最大值，此值是材料的特性沿晶体密堆积程度较大的方向ne较大当光在晶体内沿某个方向传播时不发生双折射，该方向称为晶体的光轴单轴晶体：只有一个光轴的晶体，如方解石、石英、红宝石、冰等；双轴晶体：有两个光轴的晶体，如云毋、结晶硫磺、蓝宝石、橄榄石等光轴氯化钠属于立方晶系的晶体，各向同性，不产生双折射光轴仅标志一定的方向，并不限于某一特殊的直线光轴方向上，o光和e光的传播速度相同方解石光轴平行六面体：每个面都是钝角102o和锐角78o的平行四边形A、B顶点：钝隅光轴方向：从一个钝隅所作的等分角线方向（即与钝隅的三条棱成相等角度的那个方向）n1n2iioie(各向异性媒质)自然光o光e光惠更斯：在各向异性的晶体中，子波源会同时发出o光、e光两种子波o光的子波：各方向传播的速度相同为v0，点波源波面为球面，振动方向始终垂直其主平面e光的子波,各方向传播的速度不同在平行光轴方向上的速度与o光的速度相同，为v0；在垂直光轴方向上的速度与o光的速度相差最大，记为ve，其相应的折射率为ne························vot光轴O光光轴vetvote光正晶体、负晶体正晶体：ne>no负晶体：

ne<no子波源votvet光轴votvet光轴

正晶体

(vo>ve)

负晶体(vo<ve)子波源折射率的影响因素-3材料所受的内应力有内应力的透明材料，垂直于受拉主应力方向的n大，平行于受拉主应力方向的n小同质异构体在同质异构材料中，高温时的晶型折射率n较低，低温时存在的晶型折射率n较高石英玻璃

n=1.46；石英晶体

n=1.55高温时，鳞石英

n=1.47；方石英

n=1.49普通钠钙硅酸盐玻璃

n=1.51光子晶体？负折射率？光子晶体晶体内部：原子周期性排列→周期势场→运动的电子受到周期势场的布拉格散射，从而形成能带结构→带隙→控制电子的运动光子晶体：光的折射率指数的周期性变化→光带隙结构→控制光在光子晶体中的运动负折射率超材料（Negativeindexmetamaterials）反射系数、透射系数折射和反射可多次连续发生W、W’、W’’：入射光、反射光、折射光在单位时间内通过单位面积的能量流当入射角和折射角都很小时其中m:反射系数；1-m:透射系数n1、n2相差很大：反射多n1≈n2：几乎没有反射损失介质1介质1介质2入射光1次反射光2次反射光1次透射光2次透射光振幅传播速度横截面积假如：一块玻璃，n=1.5，m=0.04，则透过玻璃的光能为多少？若连续透过x块平板玻璃，则透过玻璃的光能为多少？实际应用玻璃、陶瓷等材料折射率大：反射显著若透镜系统由多块玻璃组成，如何降低反射率？5.1.5光的吸收吸收的一般规律光强为I0的单色平行光束沿x轴方向通过均匀物质，在经过一段距离x后光强已减弱到I，再通过一无限薄层dx后光强变为I+dI(dI0)。实验表明，在相当宽的光强度范围内，-dI相当精确地正比于I和dxα：吸收系数（absorptioncoefficient），单位为cm-1，取决于材料的性质和光的波长，与光强无关Lambert-Beer

定律光吸收与波长的关系可见光区：金属和半导体的吸收紫外光区：光子能量达到禁带宽度，电子就会吸收光子能量从满带跃迁到导带红外光区：离子的弹性振动与光子辐射发生谐振消耗能量要使谐振点波长尽可能远离可见光区，即吸收峰的频率尽可能小，则需选择较小的材料热振频率Mc和Ma：阳离子和阴离子质量β：与力有关的常数，由离子间结合力决定均匀吸收和选择吸收除了真空，没有一种物质对所有波长的电磁波都是绝对透明的均匀吸收在可见光范围对各种波长的吸收程度相同普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线、紫外线都有强烈的吸收，是不透明的石英对所有可见光几乎都透明的，在紫外波段也有很好的透光性能，且吸收系数不变选择吸收对某一波长吸收系数大在3.5~5.0μm的红外光，石英表现为强烈吸收红外吸收光谱研究离子间的弹性振动紫外吸收光谱研究半导体的禁带宽度紫外可见光谱——禁带宽度作(ahν)1/2或(ahν)2-hν(eV)曲线，取线性部分的切线与x轴的交点从吸收峰起峰处算起，1240除以起峰波长（近似）5.1.6光的散射光的散射光波遇到不均匀结构产生的次级波，与主波方向不一致，与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向，从而引起散射对于相分布均匀的材料，由于散射而引起强度减弱的规律与吸收规律具有相同的形式αS：散射系数，与散射质点的大小、数量以及散射质点与基体的相对折射率等因素有关当光的波长约等于散射质点的直径时，出现散射的峰值当d<λ时，则随着d的增加，αS随之增大；当d>λ时，则随着d的增加，αS反而减小，当d=λ时，αS达最大值散射系数：可以认为散射系数正比于散射质点的投影面积N：单位体积内的散射质点数；R：散射质点的平均半径；K：散射因素，取决于基体与质点的相对折射率假设散射介质为球体，且d<1/3λ，散射系数：将吸收定律与散射规律的式子统一起来散射质点的折射率与基体的折射率相差越大，将产生越严重的散射弹性散射和非弹性散射弹性散射散射前后光的波长（或光子能量）不发生变化，只改变方向的散射非弹性散射散射前后光的波长（或光子能量）发生变化的散射，称为非弹性散射弹性散射参量σ：与散射中心尺度大小a0有关按a0与入射光波长λ的大小比较，分为三类a0»λ：（TyndallScattering）散射光强与入射光波长无关，胶体、乳浊液以及含有烟、雾或灰尘的大气中的散射a0≈λ：（MileScattering）σ=0~4，具体取值与散射中心有关a0«λ：（Rayleighscattering）散射强度与波长的4次方成反比，不改变原入射光的频率弹性散射瑞利散射强度与波长的关系瑞利散射晴天时朝阳、午阳、夕阳的颜色不同入射波长越长，散射光强越小，即长波散射要小于短波散射大气及尘埃对光谱上蓝紫色光的散射比红橙色光为甚，阳光透过大气层越厚，其中蓝紫色光成分损失越多，太阳显得越红Earth早晨中午太阳光非弹性散射拉曼散射（Ramanscattering）分子或点阵振动的光学声子对光波的散射在光谱图上距离瑞利线较远，它们与瑞利线的频差可因散射介质能级结构不同而在100~104之间变化布里渊散射（Brillouinscattering）是点阵振动引起的密度起伏或超声波对光波的非弹性散射，即点阵振动的声学声子（即声学模）与光波之间的能量交换结果声学声子的能量低于光学声子→布里渊散射的频移比拉曼散射小→在光谱图上它们紧靠在瑞利线旁，只能用高分辨的双单色仪等光谱仪才能分辨出来散射光谱示意图5.1.7光的色散色散(dispersion)材料的折射率随入射光的频率的减小(或波长的增加)而减小的性质正常色散（normaldispersion）在可见光范围内无色透明的物质，它们的色散曲线在形式上很相似折射率n以及色散率dn/dλ的数值都随着波长的增加而单调下降，在波长很长时折射率趋于定值测量不同波长光线通过棱镜的最小偏向角，就可以算出棱镜材料的折射率n与波长λ之间的关系曲线，即色散曲线反常色散（anomalousdispersion）在发生强烈吸收的波段，色散曲线发生明显的不连续，折射率n随着波长的增加而增大，即dn/dλ>0注意：在可见光区域内色散是正常色散曲线实质：反映在更宽波长范围内的色散关系正常色散非正常色散色散的定量色散色散系数(Abbenumber)式中nD、nF和nC分别为以钠的谱线、氢的F谱线和C谱线(589.3nm，486.1nm和656.3nm)为光源，测得的折射率通常采用固定波长下的折射率来表达经典色散理论阻尼受迫振子模型介质原子的电结构：正负电荷之间由一根无形的弹簧束缚在一起的弹性振子在光波电磁场的作用下作受迫振动，振动的相位与振子的固有频率和光波频率有关，受迫振动的振子作为次波源向外发射散射波由于固体和液体中的这种散射中心密度很高，振子散射波的相互干涉，使得次波只沿原来入射光波方向前进次波和入射波叠加，使得合成波在介质中的传播速度与入射光波的频率有关，导致介质对不同频率的光有着不同的折射率材料的透光性反射损失①：经过吸收损失②和散射损失③：经过反射损失④：透射光强5.2激光和发光材料材料的发光特征发光强度特征强度：发射光的能量→客观数值亮度：人眼的感觉→主观判断（色差）发光效率量子效率：发光的量子数与激发源输入的量子数的比值能量效率（功率效率）：发光的能量与激发源输入的能量的比值流明效率（光度效率）：发光的流明数与激发源输入的能量的比值（lm/W）光通量：光源在单位时间内向周围空间辐射的能引起视觉反应能量，即可见光的能量，描述的是光源的有效辐射值，其国际单位是lm（流明）光源光通量（lm）光发射二极管0.01白炽灯，60W730白炽灯，100W1380荧光灯管2300水银灯，60W5400水银灯，100W125000发光持续时间特征余辉（余辉时间）当激发停止时，其发光亮度L衰减到初始亮度L0的10%时所经历的时间磷光：人眼能够感觉到余辉的长发光期间者荧光：人眼感觉不到余辉的短发光期间者余辉时间极短余辉：余辉时间<1s的发光；短余辉：余辉时间1~10s的发光；中短余辉：余辉时间10-2～1ms的发光；中余辉：余辉时间1～100ms的发光；长余辉：余辉时间10-1～1s的发光；极长余辉：余辉时间>1s的发光发光材料分类按激发方式分光致发光材料电致发光材料射线致发光材料热致发光材料等离子发光材料光致发光(Photoluminescence)吸收光谱光的吸收系数随波长或频率的变化关系曲线激发光谱表示用不同波长的光激发材料时，使材料发出某一波长光的效率发光过程基质晶格或激活剂（或称发光中心）吸收激发能基质晶格将吸收的激发能传递给激活剂被激活的激活剂发出一定波长的光而返回基态，同时伴随有部分非发光跃迁，能量以热的形式散发A：激活剂S：敏化剂（能强烈地吸收激发能，然后将能量传递给激活剂）（1）导带电子与俘获的空穴复合（2）俘获的电子与价带的空穴复合（3）激发能传给孤立中心，发光跃迁在分立的中心内部（4）导带中的电子直接与价带中的空穴复合（5）俘获的电子与俘获的空穴复合斯托克斯规则发光波长总是大于激发波长，即发光的光子能量必然小于激发光的光子能量用紫外线激发发光材料时，可得到可见光区域的各种颜色的光。用蓝光激发，只能得到红光、橙光，至多是绿光。反斯托克斯发光发光中心得到一部分振动能升到较高的激发态。从激发态到基态的跃迁所伴随的发光的能量就比激发能量高，发光的波长比激发光的波长短激光致冷：利用反斯托克斯现象不断将物体的振动能以光的形式发射出去，使物体温度降低热释发光当激发发光体后，发光将逐渐衰减，直至发光消失。随后，逐渐升高发光体的温度，有的发光材料又会逐渐发光，并逐渐变强，在某一温度时达到最大值后又逐渐变弱，这种变化随着温度的上升，可以重复几次，直到高温时发光才消失激发过程中，有电子掉进了深度不同的陷阱，陷阱中的电子回到导带的几率为温度T大，则P大，即导带中的电子数目增多，复合的次数增多，发光增强。陷阱中的电子数目是有限的，这些电子耗尽了，即使继续升温，也没有可以参与复合的电子，因此不再发光。陷阱可有不同深度，使电子释放出来所需的温度就有高有低上转换发光如果一个激发光光子产生一个发射光光子，发射光子的能量必然不会大于激发光光子的能量上转换发光：如果发光材料能够吸收两个或多个光子而产生一个光子，可能发射出波长短的光上转换发光可以由激发态吸收或连续能量传递产生Tm（铥）第1个光子激发到3F2能级可能弛豫到3H4第2个光子跃迁至1D2交叉弛豫（吸收雪崩）易发生在基态对激发光的吸收比