材料的光学 光学性质教学教案

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1、第四章,材料的光学,内容,光的基本性质 介质对光的反射与折射 介质对光的吸收 介质对光的散射与色散 材料的光发射 激光与激光材料,1 光是电磁波,2 光的折射与反射,3 光的吸收与散射,4 光的偏振,应用电磁场理论说明光的基本现象和规律,光波与物质在界面处的相互作用,光波在介质中与物质原子的相互作用,光矢量和光的各种偏振态, 几何光学 (geometrical optics), 波动光学 (wave optics), 量子光学 (quantum optics),1. 光的基本性质,引言 ：,（1）微粒学说 ( corpuscular theory ),（2）波动学说 ( undulatory

2、theory ),（3）光 具有波粒二象性的物质 粒子性：光子(Photon ) ：E = h= h c / ,一 电磁波是矢量波,电磁波 交变电磁状态的传播,设一平面电磁波,由麦克斯韦理论可得：,真空中的电磁波,1. 光的基本性质 1.1 电磁辐射,同理：,当电场振动沿,轴正向传播时，有反映该振动的平面简谐波,用麦氏电磁场方程组可推出,1. 光的基本性质 1.1 电磁辐射, 在真空中：, 在介质中：,1. 光的基本性质 1.1 电磁辐射,折射率 (refractive index),二 电磁波的性质,(1) 电磁波是横波,振动量,与波速,构成相互,垂直的右手螺旋关系。,(2) 电磁波的偏振性

3、,分别在各自的平面上振动。,旋光现象。,1. 光的基本性质 1.1 电磁辐射,(3) 电场与磁场同相变化,振幅之间满足,电、磁场分量与电磁波传播方向互相垂直,1. 光的基本性质 1.1 电磁辐射,(4) 电磁波的能量,1. 光的基本性质 1.1 电磁辐射, 电磁波的能流密度, 坡印廷矢量, 电磁波的强度,1. 光的基本性质 1.1 电磁辐射,电磁波具有各种频率：无线电，微波，红外线，可见光，紫外线，,射线和,射线等。, 可见光 (visible light) 能够引起人的视觉的电磁波。,1. 光的基本性质 1.2 电磁波谱,可见光七彩颜色的波长和频率范围,人眼最为敏感的光是黄绿光，即,附近。,

4、1. 光的基本性质 1.2 电磁波谱,电磁波光谱,1. 光的基本性质 1.2 电磁波谱,无线电波波长比可见光长得多，不能引起人的视觉，可以引起电子的振荡。由于波长很长，一个金属网笼，甚至桥梁上的钢架就可以将其阻止。 微波波长范围分布从毫米到几十厘米，他们在食物里很容易被水分子吸收，可是食物迅速被加热。 红外线（IR）分布在微波和可见光之间，且仅能够在它聚集热的地方探测到。蛇和其他一些生物对红外线很敏感；红外线不能透过玻璃，这一特性可以解释温室效应：晴天时，经过温室玻璃的可见光被植物吸收，而红外线被再次辐射，被玻璃捕获的红外线引起温室内部的温度升高，整个宇宙充满了宇宙大爆炸时残留的冷却物质发出的

5、红外辐射。,1. 光的基本性质 1.2 电磁波谱,紫外线（UV）：频率高于可见光的，不能引起视觉，对生命有危害，来自太阳的紫外线几乎被大气中的臭氧完全吸收，臭氧保护着地球的生命，少量透过大气的紫外线会晒黑皮肤或使进行日光浴的人体产生晒斑。 X射线：波长比紫外线还短的电磁波，它们很易穿过大多数物质。致密的物质、固体材料比稀疏物质容易吸收更多的X射线，这就是为什么在X射线照片上显现的是骨骼而不是骨骼周围的组织。其波长可与原子尺寸相比拟。,1. 光的基本性质 1.2 电磁波谱,射线和宇宙射线： 波长最短，波长尺寸约为原子核大小量级 射线产生于核反应及其他特殊的激发过程 宇宙射线来自地球之外的空间。,

6、1. 光的基本性质 1.2 电磁波谱,光与固体相互作用的本质有两种方式： 电子极化 电子能态转变,1. 光的基本性质 1.3 光与固体的相互作用,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。,1. 光的基本性质 1.3 光与固体的相互作用,1. 光的基本性质 1.3 光与固体的相互作用,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

7、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=h 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。,2. 光的反射与折射2.1 反射定律与折射定律,光的反射和折射 反射定律 三线共面； 反射角等于入射角 折射定律 三线共面；,光速： ,真空: 折射率: 折射定律: 三线共面； 反射率R:,两媒质界面上光的折射和反射,2. 光的反射与折射2.1 反射定律与折射定律,一、惠更斯原理：为了说明光的传播定律，惠更斯提出了一个普遍原理 媒质中波动传到的各点，都可以看作是发射子波的波源，而在其后的任意时刻，这些子

8、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。 该原理适用于机械波和电磁波,2. 光的反射与折射2.2 折射率与传播速度的关系,2. 光的反射与折射2.2 折射率与传播速度的关系,二、折射定律： 材料的折射率反映了光在该材料中传播速度的快慢。 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。 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

9、下的极化性质或介电特性。,二、折射定律： 正是因为介质的极化，“拖住”了电磁波的步伐，才使得其传播速度变得比真空中慢。 铁磁性材料 非铁磁性材料,2. 光的反射与折射2.2 折射率与传播速度的关系,光疏介质和光密介质 全反射：当光从光密介质射向光疏介质，且入射角大于临界角时，光线被100%反射的现象。此时不再有折射光线，入射光的能量全部回到第一介质中。 临界角： 光纤导光原理：全反射,2. 光的反射与折射2.3 光的全反射,光纤结构示意图：,纤芯：575m掺杂了的SiO2，n一定或随半径增加而减小。 包层: 总直径为100 200m,折射率稍小于纤芯的掺杂了的SiO2。 涂敷层：硅铜或丙烯酸盐

10、，隔离杂光。 护套：尼龙或有机材料，增加强度，保护光纤。,2. 光的反射与折射2.3 光的全反射,多普勒效应：波源或观察者相对于媒质运动而使观察者接受到的波的频率有所变化的现象。 频率计算： 波源不动，观察者运动，即： ，观察者认为接受到的波数变了。 观察者不动，波源运动，即： ，观察者认为接受到的波长变了。,2. 光的反射与折射2.4 多普勒效应,波源与观察者同时运动，即： ，四种情况： 波源和观察者不在一直线上运动 光源与观察者的相对速度为 接近： 远离,2. 光的反射与折射2.4 多普勒效应, 介质对光的吸收,在光束通过物质时，它的传播情况将要发生变化。首先光束越深入物质，它的光强将越减

11、弱，这是由于一部分光的能量被物质所吸收，而另一部分光向各个方向散射所造成的，这就是光的吸收和散射现象。 其次，光在物质中的速度将小于光在真空中的速度，并将随频率而改变，这就是光的色散现象，光的吸收、散射和色散这三种现象，都有是由于光与物质的相互作用引起的，实质上是由光与原子中的电子相互作用引起的。 这些现象是不同物质光学性质的主要表现，对它们的讨论可以为我们提供关于原子、分子和物质结构的信息。本章侧重于对现象及其唯象规律的描述，并用经典电子论对这些现象作进一步的解释。,定义 由于光是一种能量流，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，从而使光能的一部分变成热能，导致光能的衰减，这

12、种现象称为介质对光的吸收。 吸收系数, 介质对光的吸收3.1 基本性质,光通过物质时，光波中的振动着的电矢量，将使物质中的带电粒子作受迫振动，光的部分能量将用来提供这种受迫振动所需要的能量。 这些带电粒子如果与其它原子或分子发生碰撞，振动能量就会转变为平动动能，从而使分子热运动能量增加，物体发热。 光的部分能量被组成物质的微观粒子吸取后转化为热能，从而使光的强度随着穿进物质的深度而减小的现象，称为光的吸收（absorption）。, 介质对光的吸收3.2 吸收定律,一 吸收定律 - 布格定律,如图所示，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

13、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dx，即 - dI = aIdx,式中a是与光强无关的比例系数，称为该物质的吸收系数（absorption coefficient）。于是，上式是光强的线性微分方程，表征了光的吸收的线性规律。, 介质对光的吸收3.2 吸收定律,材料对光的吸收机理： 电子极化：只有当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； 所以，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

14、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。 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。, 介质对光的吸收3.3 吸收的物理机制,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。, 介质对光的吸收3.3 吸收的物理机制,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，它对某些波长范围内的光可以是透明的，而对另一些波长范围内的光却可以是不透明的。 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

15、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；但是对于波长范围为3.55.0m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。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。, 介质对光的吸收3.4 一般吸收和选择吸收,又例如，普通玻璃对可见光是透明的，但是对红外线主紫外线都有强烈的吸收，是不透明的。 因此在红外光谱仪中，棱镜常用对红外线透明的氯化钠晶体和氟化钙晶体制作；而紫外光谱仪中，棱镜常用对紫外线透明的石英制作。 实际上，任何光学材料，在紫外和红外端都有一定的透光极限。 任何物质都有这两种形式的吸收只是出现的波长范围不同而已。,6-3

16、, 介质对光的吸收3.4 一般吸收和选择吸收,用具有连续谱的光（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（absorption spectrum）。, 介质对光的吸收3.5 吸收光谱,物质的发射谱（emission spectrum）有：线状谱（line spectrum），带状谱（band spectrum）和连续谱等。 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。 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。, 介质对光的吸收3.5 吸收光谱,按照经典的电磁理论，原子可以看成是一系列弹性偶极振子的组合，其中每个振子有一定的固有频率，于是原子就有了一系列的固有频率。 这种