材料的光学性质-1213解析

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1、材料对光的反射和折射 材料对光的吸收 材料的光发射 材料的受激辐射和激光 概述 光与固体材料的相互作用 光的色散和全反射 1 材料的光学性质材料的光学性质基础篇基础篇 光的本质 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 光的传播速度 光的反射 光的折射 光的干涉 光的衍射 电磁波谱 光谱 光 的 波 动 说 光 的 波 动 说 2 3 光的波粒二象性 材料的光学性质材料的光学性质基础篇基础篇 4 光的电磁性 光是一种电磁波，它是电磁场周期性振动的传播所形成的。 光波是一种横波，电场强度E、磁场 强度H的振动方向和光波的

2、传播方向 （即光的能量流动方向）构成右手 螺旋关系。 光波的偏振性。E、H分别在各自的 平面内振动。振动方向对传播方向不 具有对称性，旋光现象。 光波的能流密度。光波的传播伴随着光能量的流动，光强与其振 幅成正比。 5 电磁波谱图 6 远远紫外近紫外 可见见近红红外中红红外 远红远红 外 （真空紫外） 380nm 780nm 200nm 380nm 10nm200nm 780 nm 2.5 m 2.5 m 50 m 50 m 300 m 1.5eV 3eV2.5eV2eV 800n m 300n m 3.5eV 4eV 7 紫外-可见-红外光谱分区表 8 光与固体相互作用的本质有两种方式： （

3、1）电子极化 （2）电子能态转变 电磁辐射的电场分量，在可见光频率范围内，电场分量与传播过程中的每个 原子都发生作用，引起电子极化，造成电子云和原子核电荷重心发生相对位 移。所以，当光线通过介质时，一部分能量被吸收，同时光波速度被减小， 导致折射产生。 光子被吸收和发射，涉及到固体材料中电子能态的转变。材料的原子吸收了 光子能量之后将较低能级上的电子激发到较高能量上去，电子发生的能级 变化与电磁波频率有关：E=hv 受激电子不可能无限长时间地保持在激发状态，经过一个短时期后又衰变回 基态，同时发射出电磁波，即自发辐射。 光与固体的相互作用 9 媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，

4、而在其后的任意 时刻，这些子波的包络面就是新的波面。 也就是说，光波波前（最前沿的波面）上的每一点都可看作球面次波源， 每一次波源发射的球面波以光波的速度v传播，经过时间t之后形成球面 半径为vt的球面次波。如此产生的无数个次波的包络就是t时间后的新 波前。 垂直于波前（或等相面）的直线代表光波的传播方向，也就是光线。 该原理适用于机械波和电磁波 惠更斯惠更斯- -菲涅耳原理菲涅耳原理：说明光的传播定律说明光的传播定律 球面波球面波 平面波平面波 10 材料对光的反射和折射 材料折射率及其影响因素 1、构成材料元素的离子半径 介电常数与介质的极化有关。光的电磁波作用到介质上，介质的原子受电场作

5、用而极化， 正负电荷重心发生相对位移，使光子速度减弱。当离子半径增大时，增大，因 而n随之增大。如PbS = 3.912，SiCl4 = 1.412 11 2、材料的结构、晶型和非晶态 根据光通过材料的表现，介质分为均质介质和非均质介质。 均质介质，材料只有一个折射率，如非晶态（无定型体）和立方晶体。 非均质介质，光通过时构成两条折射光线。 3、材料存在的内应力 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。 4、同质异构体 在同质异构材料中，高温时的晶型折射率低，低温时存在的晶型折射率高。 12 u材料的折射率随入射光频率的减小（或波长的增加）而减 小的性质，称

6、为折射率的色散色散。 色散对于光学玻璃是重要参量，因为色散 严重造成单色片透镜成像不够清晰。 用不同牌号的光学玻璃，分别磨成凸透镜和 凹透镜复合镜头，以消除色差，称为消色差 镜头。 光的色散 13 u当光束从折射率n1较大的光密介质进入折射率n2较小的光 疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100反射的现象。 这时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。 临界角全反射应用：光导纤维 光导纤维通常用来传送无线电、 电话、电视和电子计算机数据。 光的全反射 折射光 14 光纤结构示意图 纤芯：纤芯：575m掺杂了的SiO2， n一定或随半径增加而减小。 包层包层: : 总直径为100 20

7、0m, 折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。 涂敷层：涂敷层：硅铜或丙烯酸盐，隔离杂光。 护套：护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。 15 u光作为一种能量流，在光通过材料传播时，会引起材料的电 子跃迁或使原子振动而消耗能量，使光能的一部分变成热能， 导致光能的衰减，这种现象称为介质对介质对光的吸收光的吸收。 材料对光的吸收光的吸收 吸收系数（消光系数），单位cm-1 介质厚度 u吸收系数与吸收率：朗伯-比尔（Lambert-Beer）定律 c 溶液的摩尔浓度（mol/L） 16 光光吸收的物理机制吸收的物理机制 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。 当

8、光的频率与电子极化时间的倒数处在同一个数量级时，由此引起的吸 收才变得比较重要； 电子受激吸收光子而越过禁带； 电子受激进入位于禁带中的杂质或缺陷能级上而吸收光； 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。同时，材料中的电子从较低能态跃迁到高能态。 禁带较宽的介电固体材料也可以吸收光波，但吸收机理不是激发电子从价 带跃迁到导带，而是因其杂质在禁带中引进了附加能级，使电子能够吸收光子 后实现从价带到受主能级或从施主能级到导带的跃迁。 17 a) 金属：吸收，不透明； b) 绝缘体：不吸收，透明； c) 半导体：取决于入射光波 长与施主和受主能级Ed, Ea

9、大 小。 各种类型材料的光吸收行为各种类型材料的光吸收行为 18 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。 任何一种物质，它对特定波长范围内的光是透明的，而对另一些波长范 围内的光却是不透明的。 例如，在光学材料中，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，这种现象为一般吸收一般吸收； 但是对于波长范围为3.5-5.0m的红外光却 是不透明的，且吸收系数随波长剧烈变化， 这种现象为选择吸收选择吸收。换言之，石英对可见光 和紫外线的吸收甚微，而对上述红外光有强烈 的吸收。 一般吸收和选择吸收一般吸收和选择吸收 19 吸收光谱吸收光谱 用具有连

10、续谱的光（例如白光）通过具有选择吸收的物质，然后利用摄谱仪或 分光光度计，可以观测到在连续光谱的背景上呈现有一条条暗线或暗带，这表 明某些波长或波段的光被吸收了，因而形成了吸收光谱吸收光谱（absorption spectrum） 大致说来，原子气体的光谱是线状谱，而分子气体、液体和固体的光谱 是带状谱，吸收光谱的情况也是如此。 物质的发射谱（emission spectrum）有：线状谱（line spectrum）， 带状谱（band spectrum）和连续谱等。 值得注意的是，同一物质的发射光谱和吸收光谱之间有严格的对应关系 ，即物质自身发射哪些波长的光，它就强烈吸收这些波长的光。 2

11、0 吸收光谱图 Na吸收光谱 叶绿素分子吸收光谱 21 当光束通过各向异性介质时，光在晶体内分成两束，它们的折射程度不同，沿着 不同的方向传播，这种现象称为双折射双折射。 如果让一束平行的自然光正入射到一块方解石晶体的 一个表面上，将发现该束光在通过方解石后被分解成 了两束。 l l寻常光（寻常光（o o光）光）：晶体内符合符合普通折射定律的 折射光线； l l非常光（非常光（e e光）光）：晶体内违背违背普通折射定律的 折射光线。 利用检偏器可以看出，从双折射晶体射出的这两束光都是线偏振光，不过它们 的电矢量振动方向不同，其振动方向相互垂直。 晶体的双折射和二向色性 22 晶体结构的各向异性

12、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，这种选择吸收的性能称作二向色性二向色性。 天然的电气石晶体呈六角型的片状，长对角线的方向为其光轴。当光线照射 在这种晶体表面时，振动的电矢量与光轴平行时被吸收得较少，光可以较多 地通过；电矢量与光轴垂直时被吸收得较多，光通过得很少。 23 当光束通过均匀的透明介质时，从侧面是难以看到光的。 但当光束通过不均匀的透明介质时，则从各个方向都可以 看到光，这是介质中的不均匀性使光线朝四面八方散射的 结果，这种现象称为光的散射光的散射。 光的散射过程中，光与分子的作用几乎是瞬时的，改变了 其光强的空间分布、偏振状态或频率的过程。 例如

13、，当一束太阳光从窗外射进室外内时，我们从侧面可 以看到光线的径迹，就是因为太阳光被空气中的灰尘散射 的缘故。 介质的光散射 24 根据散射前后光子能量（或光波波长）变化与否，分为弹性弹性 散射散射与非弹性散射非弹性散射 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：当光通过介质时，从侧向接受到的散射光主 要是波长（或频率）不发生变化的瑞利散射光，属于弹性散 射。当使用高灵敏度和高分辨率的光谱仪，可以发现散射光 中还有其它光谱成分，它们在频率坐标上对称地分布在弹性 散射光的低频和高频侧，强度一般比弹性散射微弱地多。这 些频率发生改变的光散射是入射光子与介质

14、发生非弹性碰撞 的结果，称为非弹性散射。 光散射分类光散射分类 25 弹性散射分类弹性散射分类 廷德尔（Tyndall）散射 米氏（Mie）散射 瑞利（Rayleidl）散射 按照散射中心尺度a0与入射光波长的大小，分为三类： 瑞利散射瑞利散射 按照瑞利散射定律，我们不难按照瑞利散射定律，我们不难 理解晴天时晨阳与午阳的颜色理解晴天时晨阳与午阳的颜色 不同。不同。 入射波长越长，散射光强越小入射波长越长，散射光强越小 ，即长波散射要小于短波散射，即长波散射要小于短波散射 。 因为大气及尘埃对光谱上蓝紫因为大气及尘埃对光谱上蓝紫 色光的散射比红橙色光为甚，色光的散射比红橙色光为甚， 阳光透过大气

15、层越厚，其中蓝阳光透过大气层越厚，其中蓝 紫色光成分损失越多，太阳显紫色光成分损失越多，太阳显 得越红。得越红。 Global 早晨 中 午 太 阳 光 26 材料的光发射光发射1 1、概 、概 述述 材料的光发射：是材料以某种方式吸收能量后，将其转化为光能 即发射光子的过程。这种性质与材料的能量结构密切相关。 l 自然界中很多物质都可发光，但近代显示技术所用的发光材 料主要是无机化合物，在固体材料中主要是采用禁带宽度较大 的绝缘体，其次是半导体，它们通常以多晶粉末、薄膜或单晶 的形式被应用。 l 从应用的角度，主要关注材料的光学性能包括：发光颜色、 发光强度及延续时间等。 27 1. 平衡辐

16、射 只与辐射体的温度和发射本领有关，如白炽灯的发光。 2. 非平衡辐射 在外界激发下物体偏离了原来的热平衡，继而发出的辐射。 物体发光可分为平衡辐射平衡辐射和非平衡辐射非平衡辐射两大类 固体发光的微观过程可以分为两步： 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”； 处于激发态的电子自发地向低能态跃迁，同时发射光子。 多数情况下发射光子和激发光子的能量不相等，通常前者小 于后者。若发射光子与激发光子的能量相等，发出的辐射就 称为“共振荧光”。向下跃迁未必都发光，也可能存在激发的 能量转变为热能的无辐射跃迁过程。 28 材料发光前可以有多种方式向其注入能量材料发光前可以有多种方式向其注入能量 （1）热辐射 （2）电致发光 （3）光致发光 （4）化学发光 自发自发 辐射辐射 （6）同步辐射光源 （7）激光光源 受激受激 辐射辐射 激发态原子或分子的自发辐射 = (E2-E1) / h E1 E2 激发态原子或分子的受激辐射 材料的