光学材料复习资料

光学材料复习资料（个人见解）I.Optics的定义：是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。材料的分类：inorganic（无机材料）：metal俭属）Ceramaics（陶瓷材料）：oxide（氧化物）、Carbide（碳化物）、Nitride（氮化物）、Halide（氢化物）、chalcogenide（硫化物）Organic（有机材料）：polymers（聚合材料）键离子键（ionic）、阴离子，阳离子间通过静电作用形成的化学键共价键（conalent）、原子间通过共享电子所形成的化学键。金属键（metallic）的定义：由自由电子及排列成晶格状的金属离子之间的静电吸引力组合而成光通信，个人电脑，视频点播电视，和遍及全球的互联网络的出现已对材料和设备的信号传输和处理一个沉重的负担。显然，目前的技术进步正在推动在光学系统和应用，从电信到轨道卫星的光学系统，实施，很大程度上依赖于光学材料，光学系统和激光设备Theopticalpropertiesofmaterialsarisefromthecharacteristicsoftheirinteractionswithelectromagneticwaves.光学材料的性能取决于材料与电磁波的相互作用的特点。名词解释Absorption（吸收）.：光的吸收是指原子在光照的下，会吸收光子的能量由低能态跃迁到高能态的现象。从实验上研究光的吸收，通常用一束平行光照射在物质上，测量光强随穿透距离衰减的规律。Luminescence（发光）：电子从高能级跃迁到低能级，释放出光子。Reflection（反射）：波在传播过程中从一种媒质射向另一种媒质时，在两种媒质的界面上有部分波返回原媒质的现象Scattering（散射）：电磁波辐射在非均匀媒质或各向异性媒质中传播时多方位、多角度地改变原来传播方向的现象干涉（Interference）指满足一定条件的两列相干波相遇叠加，在叠加区域某些点的振动始终加强，某些点的振动始终减弱，即在干涉区域内振动强度有稳定的空间分布干涉加强ConstructiveInterference:两波重叠时，合成波的振幅大于成分波的振幅者，称为相长干涉或建设性干涉干涉减弱destructiveInterference:两波重叠时，合成波的振幅小于成分波的振幅者，称为相消干涉或破坏性干涉。衍射（Diffraction）波在传播过程中经过障碍物边缘或孔隙时所发生的传播方向弯曲现象。孔隙越小，波长越大，这种现象就越显著。大气中的华和宝光等都是衍射现象。折射（Refraction）光由一种介质斜射入另一种介质或在同一种不均匀介质中传播时，方向发生偏折的现象叫做光的折射全反射（totalreflection）光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。折射率（indexofrefraction）光在真空中的相速度与光在介质中的相速度之比值。黑体辐射（black-bodyemitter）：能在任何温度下全部吸收外来电磁辐射而毫无反射和透射的理想物体11.光电探测器原理(photodetection)光电探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。光电探测需要一个较低的带隙能源12可见光光谱：颜色波长频率红色约625—740纳米约480—405兆赫橙色约590—625纳米约510—480兆赫黄色约565—570纳米约530—510兆赫绿色约500—565纳米约600—530兆赫青色约485—500纳米约620—600兆赫蓝色约440—485纳米约680—620兆赫紫色约380—440纳米约790—680兆赫13.普朗克等式(Planck'sequation)：14.韦恩位移定理(Wiendisplacementlaw)=0.28978x15波动方程、平面波(由麦克斯韦方程组以及高斯公式推波动方程再求特解)16.WhjLweightsgjdliiJEiiriddTscriic、hcjLtldbemixedrogerherforthepurposeoftompuundingkgofgalliumarsenideGaAs)semieonJuctcr?3feachhmapuriryoi^9.99^9howmanyimpurnyammswillbeintroducedintheCjAs?No也ATg=&?,72gJn»LAi*-74.92gfaud,=144.64g/mol.ANSWERa.TheamountofGarpqujredis100。X0S172；144,64)=4S2&"Hiiscrj-rrespondsto4X2r69.“2or6.91mo!Gaor.equivalenttv,to6.91x&023x10"-4.16x】0"Gaitorns.Similarly,theamount<>tA>neededisaln&?1mol,oi5"%TheequiatomicnoidiiomcoyofGaiAsrneamthat4*16x】»iiumiNofA*a「Yrequ^rctl.b+ImpuricyatomsintroducedbvGa+AsatomsnLimber2x[0.00001/100}x681x6.023x心京，=§,32x10匚Bc^uscihci^ulnumbticf(Jj■*■Af»iKoiiisis8日2ILhvimpuriryncentrafitwcorrespondsro10"4or1partin10million.17.波粒二象性(Wave/ParticleDuality)波粒二象性(wave-particleduality)是指某物质同时具备波的特质及粒子的特质18能级energylevel:微观粒子系统（如原子、离子、分子等）所具有的确定的内部能量值或状态。四个量子数n住量子数principalquantumnumber）l（轨道量子数orbitalquantumnumber）m（磁量子数magneticquantumnumber）s（自旋量子数spinquantumnumber）20.WhatisthewavelengthofthephotonemitttdfromhydrogenduringinnB4tOB■2electrontransition?ANSWERUsingEq.■E：・T3.6（l/4]-l仍）■eV,FromEq.2-7,匕124/AE■L24”d0,486jun.Thiswavelengthof486nm*or4860Vfallsinlheblueregionof（hevisibltsptcirum,21.Whuisthewavelengthofthephotonemittedfromhydrogenduringanrt"4tow*2electrontransition?ANSWERUsingEq.HAE口■T，6（伸-1呼）■2.55NFrom环2・7,k■L24/A£■L24/155=0,486呻Thiswavelengthof486nm,or4060A,hitsintheblueregionofthevisiblespectrum.能带energybands在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体是由大量的原子有序堆积而成的。由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。导带conductionband导带是由自由电子形成的能量空间。即固体结构内自由运动的电子所具有的能量范围。对于金属，所有价电子所处的能带就是导带。对于半导体，所有价电子所处的能带是所谓价带，比价带能量更高的能带是导带。在绝对零度温度下，半导体的价带（valenceband）是满带（见能带理论），受到光电注入或热激发后，价带中的部分电子会越过禁带(forbiddenband/bandgap)进入能量较高的空带，空带中存在电子后即成为导电的能一导带价带(valenceband)或称价电带，通常是指半导体或绝缘体中，在0K时能被电子占满的最高能带。对半导体而言，此能带中的能级基本上是连续的。全充满的能带中的电子不能在固体中自由运动。但若该电子受到光照，它可吸收足够能量而跳入下一个容许的最高能区，从而使价带变成部分充填，此时价带中留下的电子可在固体中自由运动。价带中电子的自由运动对于与晶体管有关的现象是很重要的。费米能级FermiEnergy费米能级是绝对零度时电子的最高能级.由泡利不相容原理，一个态只能同时被一个电子占据，所以电子从低能态一个一个像高能态，最后一个填进的那个能级就是费米能级金属带隙小的原因、金属的紧密堆积结构使金属原子核间距一般都很小，使形成的能带之间的带隙一般也都很小。尤其是当金属原子相邻亚层原子轨道之间能级相近时，形成的能带会出现重叠现象。次生键(氢键原因)氢原子与电负性的原子X共价结合时，共用的电子对强烈地偏向X的一边，使氢原子带有部分正电荷，能再与另一个电负性高而半径较小的原子Y结合，形成的X—H…Y型的键。23.Hn阳loirIiilIiou匚1矽曰1*口11 rhiTt111aciihcufguM\r()tin'involume?Identity-th-cIIIlowestqnanlumstales,Vtliuiihtheenergy thetwokmciiIrvds?b-iimposedmonesFthest^ECjihavingTheh.if»liesctnefgyh，％numbers%=3.83x10,也二0.wdzr.=C.Whatisthehighest□cuipicdenurgj1level?ANSWER乳EachAuatomconnibuEescne6sconducttonelectron.Dimen'siSshi>w?iLhJLllieHL制utAll件化pt-rCuhi<Cfntimett'risN如=faromsAmobxp (g/m©lLForAu.MAu=137andp(thedtii'iityj=193g/«n土Aftersubsuruuon^ =6*023xIt#x1%初(197)■5.9(JxIII~cm\Thisnumberofelettronjcaiheaccafnmodatedinhuhmany,nr/I1!5-1becauseof出虹【认。、。血)口(："皿1心113一TheJOlewrftquantum就世卜arc]10。1十|&W]+1P31]>[110)! (011|t[1(|],[iQOjj[020]^[OOJ].Only70cltnronsesmoccupythese1.0scscebJsstait?avLocnnuHjjtc^Iaot?k<lrons.EquiUiou2-14indicatesthatriiiinyr讦rhrscdiHerent t已#.theJirstihrtchthe^tine^nerpy,Illispht;noii'i-cnon,known.1、de^erterjey.LcmmcintorLugermlmvh.Eheoii'icthenjremanyequivalentcombsth亡svitnsotsquaresofnumbers,itisobvkiu^ihmchcLcintluciioitclccrrnnJi^rrihuuiuiishighlylicgcTicrjtc,仁Thelow硕energyisE血=由中+0I0}讹虬L%AftersabstimTion,月叩二(&62x|O-BJ-s)1xi/[8x(9.11x10Jlkg)x(1-0-e)勺=6.0[x1Q"-H|=3方x10"希,ThetiexihigherenergylevelisE|“withTwice血energyor7.Sftx1015eV.Thereto璃thespacingbetweenlevelsis175x10■15eV.dAfter叫bs血HqhinEq.L14,£二(；6.62x0*x[仇83xl.『F-。+0|}/[8x[9,11x10叫x(WVI-02x j,心5]汛Thewidthelfrhebandisdiedifftr^ticeinenergybetweenhighestandlowestlevels,arSSLeV.24.a.Theopticalconstantsofsilvermetalatawavelengthof0.55四m(550nm)are弟=0.055andk=3,32,Whatisrhefractionoflightreflected(i-e.,reflectsnet；fromsilveracthiswavdengch?b・Howthindcicssilverhavetobetotransmit50%ofthelightincidentonii?ANSWERa.SilverisanabsorbingmarerialsoEq.13书applies.SubsuvurionyieldsR=[(0.055-I)2+3.32印[(0,055+l)1士3.32勺=0.982,Thehighreflectivityofsilverearmarksitsuseformirrors.b.FromEq,13-2,x'ln(t/lo),orx=— Substituting,x=-(4irx332/5.5x10^厂’ln(0,5)=9J4x10"7cm,or9.14nni.Halfsilvcrcdmirrorsthatreflectaswellastransmitlightinassortedopticalapplicationsare,therefore,composedofathinfilmdepositedonaglass§ub-derate.Suchfilmsarepreparedbyphysicalvapurdepositionprocessessuchasevaporation(seeSection12.5.5.1).25.A+T+R+S=l.26.导体与绝缘体的差别：导体和绝缘体之间没有不可逾越的鸿沟。导体和绝缘体的区分主要是内部能自由移动的电荷的数量，然而也跟外部条件(如电压、温度等)有关。在常温下绝缘的物体，当温度升高到相当的程度，由于可自由移动的电荷数量的增加，会转化成导体27.内能U=卜BL, (2-10)28.瑞利散射Rayleighscattering瑞利散射是指散射光波长等于入射光波长，而且散射粒子远远小于入射光波长，没有频率位移(无能量变化，波长相同)的弹性光散射。与波长的四次方成反比。29J7.5%B.and15%C30.Abyumeyouartgiventhe面kofdesigningthefollowingalloysforthed)eapc$tC0$tr(Assumeth^riceofAuis$4W/oz;Ag,J5^)z;andCu,SU.l/oz.)Artd8-kcgoldalloyAgreen-yellow18痴goldall叫Howmuchofeachelementshouldbeaddedandwhatisrhealloycosrpertmnee?ANSWERBecauseAucofitsfit)rimesmnrt1thanAgand4Q00cimesmorerhjnCuTdirabjectiveisroEnintmizcrhfweight□(AllTht?possibleonmposi-doii5thatyidd4jndtH-kcallavsfallonthehorEzontallinesreprtsenting333wt%Au(nx100}and7Swt%Au(HX100},respectively.a，ThecheapestredgoldalloywouldtaniainjhoiJt33Jwt%Au,66.7wt%Cu,andnoAg.ThecostwouldbeindistinguishablefromthepticeofAu.Oftourse,ifthee翰ajiubjcctivcnutter,isnortherightshadeofrvd,upto~20wt%Agshouldhesubi»nnt((；dinsteadofCu.b.Thethcjpvstfrccn-yd!owIB-ktgold,i1loywouldcon睥M了5wt%Au,3严32.，203,3严32.，203,Anopiitals/siemof20ntr-gl^irrerhtwatIchsh,prismsThearn-spline^andso«bThegiasiemployedhisinindexofrefractionof-LJO.arNeglectingAbsorption,whatkthetrammissionofrhesystem?KIfthcrcflntivKy^cachimrfawbrvduccdro0.01whatisthebiosmision?ANSWERa.A<interface1,thereflectivityi»Rtandthetrammissionis1-RpAiituerhcc2Pthttrdnsinissionis(1R|J(l■A』,Thentore,ffir20int<rk<c^thelun^mmioni$T-(I-R[)(l-RJU-RJ…(1,^小)、Btcjuscrhe$amrglasshu«dR}■R】**Rj■■■■■ ■RindT—(1■K产・】f%■L£R=IMfrom13-5.Subsiiimkmyields1=(1-0.04)?0-0.442.ThiuTthanhalfdthehghrincidentisirwmitirddirvughrhesystem*h,ForAl0.01,I=(1-0,01)'1。摧1&The启时halmo$!duublultrepreiemii^j.mtrwMmopritalperformsnet.33.34.Cathodoluminescence（阴极射线发光）.电子束激发发光材料引起的发光。电子束的电子能量通常在几千至几万电子伏特，入射到发光材料中产生大量次级电子，离化和激发发光中心产生发光。曰ectroluminescence.电致发光：是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激发的电子碰击发光中心，而引致电子解级的跃进、变化、复合导致发光的一种物理现象。fluorescence.荧光：是指一种光致发光的冷发光现象。当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）；而且一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失。phosphorescence.磷光：磷光是一种缓慢发光的光致冷发光现象。当某种常温物质经某种

波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态（通常具有和基态不同的自旋多重度），然后缓慢地退激发并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段），而且与荧光过程不同，当入射光停止后，发光现象持续存在。ColorofMaterials彩色材料原因：而光致变色纤维是在太阳光或紫外光等的照射下颜色会发生变化的纤维，当光线消失之后又会可逆地变回原来的颜色。光纤传输的原因：全反射光纤损耗Loss-loss(dB/km)-(1/L)10log(l/IJL土OlcuhccvaluesoftheinicnsLEy ptrkilometerforli曲tirjnunitieilihrou^hEgyptianandPhoaridinglasusinginfbmiMian 命edinFi&VC'hM.irrrhe<OTrc$pon<linj丫Mut;%ofthejhsorptioncm-fficienfh»rKWhatiithejbsorptiuncoefficientfor198^opiicilfiber?c.Supposelightmfibtr*havembercnrripliHedjirepealedsuiionswlwnfF.r由II、e0.1,Homfarnp.inUigldr^pe^ctrbepherd?AMSWSIa.FromthedefinitionofEq.15*13,log(bla) indMkm'l。andLIkm.F<trF.^ypturirheopticallossisappraximjteiy一普x10*dB/km(noteminut官1部forduelog{l/|4)™—1x6xHI*/10.orI七=10-wXI-IIM；orcxp(-Uli用：Q*hFramHq,13-2.1.3咨xLET二<wTForx=1000rn,a=L.jKX10JElr.*>imihrC.ikuhtionforPhoeniannrIa$\,whereTheopticalloss压approxi~mattly-10sdB/kmbyieldsl/lD■I0-1**™*-*t3tp(-23t000)Tanda■23m~\b>ForI9E3opnealfiberstheIwitdppnNKimwIy-0.11JH■kmtind1o^WLJ=-0.1VW.Thcrtforc,IL=10 =«pi-D.025)hax=0.025,fori—JDOOmtftw0,000025ml.JFromFPq+13-1J,I.-J0[log(l/to))/{h$*mdB/kmhandaftersubstiru-nontL■—10(log0.3]/0-II一47Jkm.38.穿透深度X一sitrX一sitr—湿度相对湿度Humidityandrelativehumidity湿度：表征空气中水汽含量的物理量相对湿度：指空气中水汽压与饱和水汽压的百分比CO304湿度传感器humiditytransducer原理：能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器Evanescentwavesensor