材料的光学性能课件

材料的光学性能

众所周知,材料对可见光的不同吸收和反射性能使我们周围的世界呈现五光十色。

金和银对红外线的反射能力最强,所以常被用来作为红外辐射腔内的镀层。

玻璃、石英、金刚石是熟知的可见光透明材料

金属、陶瓷、橡胶和塑料在一般情况下对可见光是不透明的。

橡胶、塑料、半导体锗和硅却对红外线透明。因为锗和硅的折射率大,故被用来制造红外透镜。

许多陶瓷和密胺塑料制品在可见光下完全不透明,但却可以在微波炉中作食品容器,因为它们对微波透明。

玻璃、塑料、晶体、金属和陶瓷都可以成为光学材料。

钕玻璃是应用最广泛的大功率激光发射介质。

发光材料的进步对于信息显示技术有重要意义,它给人类的生活带来了巨大的变化:1929年成功地演示了黑白电视接收机;1953年出现了彩色电视广播;1964年以稀土元素的化合物为基质和以稀土离子掺杂的发光粉问世,成倍地提高了发红光材料的发光亮度,这一成就使得“红色”能够与“蓝色”和“绿色”的发光亮度相匹配,实现了如今这样颜色逼真的彩色电视。波粒二象性

早期以牛顿为代表的一种观点认为,光是粒子流。

后来以惠更斯为代表的观点,认为光是一种波动。

麦克斯韦创立了电磁波理论,既能解释光的直线行进和反射,又能解释光的干涉和衍射,表明光是一种电磁波。

然而在19世纪末,当人们深入研究光的发生及其与物质的相互作用(如黑体辐射和光电效应)时,波动说却遇到了难题。

于是普朗克提出了光的量子假设并成功地解释了黑体辐射。接着爱因斯坦进一步完善了光的量子理论,不仅圆满地解释了光电效应,而且解释了后来的康普顿效应等许多实验。

爱因斯坦理论中的光量子(光子)不同于牛顿微粒学说中的粒子。他将光子的能量、动量等表征粒子性质的物理量与频率、波长等表征波动性质的物理量联系起来,并建立了定量关系。因此光子是同时具有微粒和波动两种属性的特殊物质,是光的双重本性的统一。这一切都说明,波动性和粒子性的统一不仅是光的本性,而且也是一切微观粒子的共同属性。光是电磁波

光是一种电磁波,它是电磁场周期性振动的传播所形成的。在光波中,电场和磁场总是交织在一起的。麦克斯韦的电磁场理论表明,变化着的电场周围会感生出变化的磁场,而变化着的磁场周围又会感生出另一个变化的电场,如此循环不已,电磁场就以波的形式朝着各个方向向外扩展。

光波中人眼能够感受到的又只占一小部分,其波长大约在390-770nm范围,称为可见光。从反射率曲线(图4-8)可以看出,当逐渐改变入射角时,随着入射角的增大,反射光线会越来越强,而透射(折射)光线则越来越弱。图表示,如果光是从光密介质(例如玻璃)射向光疏介质(如空气),即时,则折射角大于入射角。因此入射角达到某一角度时,图光的全反射折射角可等于,此时有一条很弱的折射光线沿界面传播。如果入射角大于,就不再有折射光线,入射光的能量全部回到第一介质中。这种现象称为全反射,角就称为全反射的临界角。根据折射定律可求得临界角的表达式

不同介质的临界角大小不同,例如普通玻璃对空气的临界角为,水对空气的临界角为,而钻石因折射率很大,故临界角很小,容易发生全反射。切割钻石时,经过特殊的角度选择,可使进入的光线全反射并经色散后向其顶部射出,看起来就会显得光彩夺目。

利用光的全反射原理,可以制作一种新型光学元件——光导纤维,简称光纤。光纤是由光学玻璃、光学石英或塑料制成的直径为几至几十的细丝(称为纤芯),在纤芯外面覆盖直径

的包层,包层的折射率比纤芯略低约,两层之间形成良好的光学界面。当光线从一端以适当的角度射入纤维内部时,将在内外两层图光在光导纤维中的传播之间产生多次全反射而传播到另一端,一束平行光照射均质的材料时,除了可能发生反射和折射而改变其传播方向之外,进入材料之后还会发生两种变化。一是随着光束的深入,一部分光的能量被材料所吸收,其强度将被减弱;二是介质中光的传播速度比真空中小,且随波长而变化,这种现象称为光的色散。吸收的物理机制

光的吸收是材料中的微观粒子与光相互作用的过程中表现出的能量交换过程。这一过程的进行除了服从能量守恒定律外,还应当满足必要的量子条件。众所周知,光是能量和动量量子化的粒子流,而材料的能量状态也是量子化的。因此,只有当入射光子的能量与材料的某两个能态之间的能量差值相等时,光量子才可能被吸收,与此同时,材料中的电子从较低的能态跃迁到较高的能态。由于固体材料的能量结构比较复杂,不同层次的能态跃迁可以吸收不同波长的光子,因而形成了吸收光谱的复杂结构。(1)正常色散

我们已经了解光在介质中的传播速度低于真空中的光速,其关系为y=c/n,据此可以解释光在通过不同介质界面时发生的折射现象。若将一束白光斜射到两种均匀介质的分界面上,就可以看到折射光束分散成按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的顺序排列而成的彩色光带,这是在介质中不同波长的光有不同的速度的直接结果。所以,介质中光速或折射率随波长改变的现象称为色散现象。研究色散最方便的实验可以通过棱镜来进行。测量不同波长的光线经棱镜折射的偏转角,就可以得到折射率随波长变化的曲线。下图给出了几种常用光学材料的色散曲线,分析这些曲线可以得出如下的规律。

(a)对于同一材料而言,波长愈短则折射率愈大;

(b)折射率随波长的变化率dn/dλ称为“色散率”。波长愈短色散率愈大(一般不考虑负号);

(c)不同材料,对同一波长,折射率大者色散率dn/dλ也大;

(d)不同材料的色散曲间线没有简单的数量关系。

由于人们早期对色散现象的研究都是在可见光波段为透明的光学材料上进行的,结果都符合上述规律,故称之为“正常色散”。这里“正常”二字是相对于后来发现的一些“反常”现象而言的。1936年科希研究了材料的折射率,成功地将正常色散曲线表达为此式称为科希公式。式中,为表征材料特性的常数。简化式材料的色散率石英等透明材料在红外区的反常色散当光束通过平整光滑的表面入射到各向同性介质中去时,它将按照折射定律沿某一方向折射,这是常见的折射现象。研究发现,当光束通过各向异性介质表面时,折射光会分成两束沿着不同的方向传播,见图,这种由一束入射光折射后分成两束的现象称为双折射。许多晶体具有双折射性质,但也有些晶体(例如岩盐)不发生双折射。双折射的两束光中有一束光的偏折方向符合折射定律,所以称为寻常光(或O光)。另一束光的折射方向不符合折射定律,被称为非常光(或e光)。一般地说,非常光的折射线不在入射面内,并且折射角以及入射面与折射面之间的夹角不但和原来光束的入射角有关,还和晶体的方向有关。图4-22双折射现象通过改变入射光束的方向,可以找到在晶体中存在一些特殊的方向,沿着这些方向传播的光并不发生双折射,这些特殊的方向称为晶体的光轴。应该注意,光轴所标志的是一定的方向,而不限于某一条具体的直线。有些晶体,例如方解石、石英等,只有一个光轴,称为单轴晶体;具有两个光轴的晶体称为双轴晶体,例如云母、硫磺、黄玉等晶体。图4-23方解石晶体的光轴利用晶体材料的双折射性质可以制成特殊的光学元件,在光学仪器和光学技术中有广泛应用。例如利用晶体的双折射,将自然光分解成偏振方向互相垂直的两束线偏振光的洛匈棱镜和渥拉斯顿棱镜;利用双折射和全反射原理,将光束分解成两束线偏振光后再除去其中一束,而保留另一束的起偏和检偏元件——尼科尔棱镜、格兰棱镜等;利用晶体O光和e光传播速度不同的特性,适当选择晶体的切割方向和厚度,可以制成各种晶体波片,使O光和e光之间产生预期的位相差,从而实现光束偏振状态的转换(四分之一波片,又称λ/4片,可实现线偏振光和圆偏振光之间的互相转换;二分之一波片,又称λ/2片,可根据需要随意改变线偏振光的偏振方向);利用双折射元件装配的偏光干涉仪,可用于测量微小的相位差;偏光显微镜可用于检测材料中的应力分布;利用不同厚度的晶体组合构成的双折射滤光器已在激光技术中获得应用,它可以用于光谱滤波,实现从连续谱光源或宽带光源中选出窄带辐射。

二向色性

晶体结构的各向异性不仅能产生折射率的各向异性(双折射),而且能产生吸收率的各向异性(称为“二向色性”)。电气石是在可见光区域有明显二向色性的晶体。一块厚度为1mm的这种晶体,几乎可以完全吸收寻常光,而让非常光通过。它对非常光也有一些选择吸收,使得白光透射后呈黄绿色。具有明显二向色性的材料也可以用来制造偏振元件,即二向色性偏振片。

除了天然晶体之外,还可以利用特殊方法使具有明显各向异性吸收率的微晶,在透明胶片中有规律地排列,制成人造二向色性偏振片。例如,一种由有机化合物碘化硫酸奎宁凝聚成的多晶,具有显著的二向色性。如果将它们沉积在聚氯乙烯薄膜上,并采用机械方法将这种薄膜沿某一方向拉伸,则上述微晶就会沿着拉伸方向整齐地排列起来,表现出和单晶一样的二向色性(即吸收O光而让e光通过)。将这种薄膜固定在两片玻璃之间就可以作为偏振片使用。由于人造偏振片工艺简单,价格便宜,容易加工成大面积的产品,所以很有实用价值。材料的光发射

材料的光发射是材料以某种方式吸收能量之后,将其转化为光能即发射光子的过程。发光是人类研究最早也应用最广泛的物理效应之一。一般地说,物体发光可分为平衡辐射和非平衡辐射两大类。平衡辐射的性质只与辐射体的温度和发射本领有关,如白炽灯的发光就属于平衡或准平衡辐射;非平衡辐射是在外界激发下物体偏离了原来的热平衡态,继而发出的辐射。本节将只讨论固体材料的非平衡辐射。

固体发光的微观过程可以分为两个步骤:第一步,对材料进行激励,即以各种方式输入能量,将固体中的电子的能量提高到一个非平衡态,称为“激发态”;

第二步,处于激发态的电子自发地向低能态跃迁,同时发射光子。如果材料存在多个低能态,发光跃迁可以有多种渠道,那么材料就可能发射多种频率的光子。材料的光吸收和光发射都是光和物质相互作用的基本过程。年爱因斯坦在研究“黑体辐射能量分布”这一当时物理学难题时曾提出,光与物质的相互作用还有第三个基本过程,即受激辐射。据此他推得黑体辐射的能量分布公式,合理地解释了实验规律。为了与受激辐射相区别,前面所涉及的光发射应称为自发辐射。

以原子为例,并且只关心物质与发光有关的两个能级E1和E2,见图。自发辐射是指这样的过程,即如果原子已经处于高能级E2,那么它就可能自发、独立地向低能级E1跃迁并发射一个光子,其能量为

称为自发辐射跃迁概率,也称为自发辐射系数。如果原子处于低能级,当有能量满足的光子趋近它时,原子则可能吸收一个光子并跃迁到高能级E2。由于这个吸收过程只有存在适当频率的外来光子时才会发生,故可称为“受激吸收”。单位体积内单位时间发生受激吸收的原子数(等于被吸收的光子数),不但与低能级的原子密度成正比,还和辐射场的能量密度成正比,故有

其中称为受激吸收系数,而则为受激吸收概率。吸收结果导致高能级原子数增加,

受激辐射的过程是:当一个能量满足的光子趋近高能级的原子时,有可能入射的光子非但没有被吸收,反而诱导高能级原子发射一个和自己性质完全相同的光子来。换言之,受激辐射的光子和入射光子具有相同的频率、方向和偏振状态。受激辐射是受激吸收的逆过程,它的发生使高能级的原子数减少。受激辐射既然存在,为什么人们长期没有观察到呢?这是因为通常人们所接触到的体系都是热平衡体系或者与热平衡偏离不远的体系。按照玻耳兹曼分布公式,能量差在光频波段的两个能级中,高能级的原子密度总是远小于低能级的原子密度,而受激辐射产生的光子数与受激吸收的光子数之比等于高、低能级粒子数之比,所以受激辐射就微乎其微以至长期没有被察觉。通过计算也可以证明,与自发辐射相比,在热平衡条件下受激辐射也完全可以忽略。怎样才能使受激辐射占主导地位呢?关键在于设法突破玻耳兹曼分布,使上能级的粒子数大于下能级的粒子数,这个条件称为“粒子数反转”。这里的“粒子”二字泛指任何具体介质中的微观粒子,而不局限于原子。显然,在高、低能级均无简并的情况下,