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1、材料导论,第十一章 光学性质,Position,E,H,l,光的传播,X-radiation,Microwaves,g-radiation,UV,IR,Radio waves,10-6 10-3 1 103 106 109 1012,Wavelength(nm),可见光,光波谱系,微波,无线电波,m0 = 4p10-7 H/m,0 = 8.851012F/m,真空磁通率,真空电容率,h is Plancks constant,光子：,光波：,qi,qr,Transmitted beam,Incident beam,qi,Reflected beam,I0,Refraction,IT,IR,Ab
2、sorption IA,11.2 光与材料的相互作用,透射,反射,折射,吸收,入射,Fresnels formula,反射率,金属的反射率 0.90.95 反射发生在表层0.1m 极少量被吸收,非金属反射率低 大部分被吸收或透射,固体对真空或空气的反射,材料2对材料1的反射,Incident light,Specular reflection,Diffuse reflection,True surface topography,Average surface,入射光,特征反射,弥散散射,实际表面,平均表面,实际表面的反射,入射光,入射光,I0,q,I = I0cosq,“光滑”表面,粗糙表面,
3、(a),(b),反射极图,理想粗糙表面,qi,qr,Transmitted beam,Incident beam,I0,IT,11.2.2 折射,透射,入射,折光指数,绝大多数材料 mr 1,故与极化有关,折射机理,例题：将激光束引入折光指数为1.5的玻璃纤维，如何能使光线泄漏为最小？,(a) 设玻璃纤维处于空气(n=1)中, 光线以60的角度进入, a = 90-60 = 30:,Solution,60,a = 30,b,有泄漏,(b) 为防止光线泄漏， b角至少应为90:,如果入射光与纤维轴的夹角小于等于90 - 41.8 = 48.2 ，光线就完全被反射。,Maximum angle =
4、 90 a,a,b = 90,为避免发生透射，入射角必须小于90 - 62.7=27.3 。,Maximum angle = 90 a,a,b = 90,(c) 如果纤维浸于水(n=1.333)中, 则:,(1) 电子极化 生热,11.2.4 吸收与透射,吸收机理,(2) 电子跃迁 显示颜色,产生跃迁的条件：,例题: 计算可见光谱中光子完全透射和完全吸收的临界带隙,Solution,这说明带隙大于 3.1 eV的非金属材料不能吸收光线，如果材料是纯的，则为无色透明。,可见光最短波长 (min)约为0.4m, 则吸收可见光的最大带隙Eg(max)为：,可见光最大波长(max)约为0.7m，发生吸
5、收的最小带隙Eg(min)为：,如果带隙1.8 eV，则全部可见光被吸收，材料不透明,如果带隙在1.8和3.1eV之间，则材料显示颜色,跃迁后的几种可能,DE,DE1,DE2,DE1,DE2,光子,光子,光子,声子,0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0,Transmittance (%),Violet,Blue,Green,Yellow,Orange,Red,Sapphire,Rubby,Wavelength, l (mm),90 80 70 60 50 40,氧化铝的颜色,吸收不仅与介质本质有关，也与路径长短有关,b为吸收系数（单位mm-1），由材料本质所决定,In
6、cident light ray,Pore (n=1),Glass or ceramic (n1),Scattered light ray,内部孔穴造成的散射,入射光,弥散反射,特征反射,弥散透射,特征透射,Diffuse reflection,Specular reflection,Diffuse transmission,Specular transmission,透明与半透明,I0R,Incident beam,I0,Transmitted beam,I0(1-R)2e-bx,Reflected beam,Reflected beam,I0R(1-R) e-bx,I0 (1-R),Abs
7、orption,反射光,吸收,反射光,透射光,入射光,I0(1-R)e-bx,EXAMPLE 设计一滤板，使能至少透过95% Zn的 Ka X光。以铝为材料，其吸收系数为1.08 104 m-1，忽略反射,Solution,由公式,故铝板厚度应小于等于0.0047mm,EXAMPLE 一材料的反射率为0.15，吸收系数为1 104 m-1. 设计一挡板使只有1%的光线透过.,Solution,11.3 光学性质的应用,E0,Incoming electron,E1 + E2 + E3 + E4 + E5 = E0,E1,E2,E3,E4,E5,11.3.1 X-ray fluorescent
8、analysis(X萤光分析）,Ka l = 0.154nm DE = 1.29 10-15J,Kb l = 0.139nm DE = 0.15 10-15J,La l = 1.336nm DE = 1.43 10-15J,where K = 1s2 level L = 2s2p6 level M = 2s2p6d10 level,Copper,K,L,M,铜,Characteristic peaks,Continuous radiation,High-energy stimulus,La,Kb,Ka,lswl,Intensity of emitted radiation,Low-energy
9、 stimulus,Energy,Wavelength,Short wavelength limit,Fluorescence(萤光),reemission occurs for times much less than one second,Phosphorescence(磷光),for longer times,11.3.2 LUMINESCENCE (发光),再发射时间较长,再发射时间短于1秒,Photon,Stimulus,Valence band,No Eg l very long,e,e,金属,激励,光子,价带,萤光材料,激励,光子,价带,Trap Ed,Eg,Stimulus,C
10、onduction band,Valence band,e,e,e,磷光材料,激励,光子,价带,松弛时间，材料常数,撤除光源后的时间,初始光强,时间t光强,例题：为电视机的蓝色选择一种材料,蓝光波长为4.510-5cm，其光子能量为,SOLUTION,查表找到CaWO4，光子波长为4.3 10-5cm，松弛时间为4 10-6s，正好作为蓝光材料，但不能产生磷光。 又找到ZnS的Eg为5.671 10-19J，可提供一个(5.671-4.422) 10-19 = 1.249 10-19 J的中间带隙于是选ZnS为杂质材料，可以产生磷光。,5.671,4.422,CaWO4,ZnS,Eg-Ed,E
11、g,Electroluminescence,light-emitting diodes (LEDs),I,silver contact,n-type,p-type,+,电致发光,电子 空穴 hn,Incident photon,hn Eg,11.3.3 光导性,n-type,p-type,Voltage produced,e,h+,太阳能电池,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.,Coherent beam,Flash lamp,Ruby,Power source,11.3.4 激光,电弧灯,反射前,晶体中部,反射后,
12、基态Cr原子,激发Cr原子,(a),(b),(c),(d),(e),完全镀银,部分镀银,Holes,Excited electrons,Valence band,Photon emission,Conduction band,Eg,(a),Valence band,Conduction band,Recombined excited electron and hole,(b),完全镀银,部分镀银,Valence band,Conduction band,New excited electron,New hole,(c),Valence band,Conduction band,(d),Vale
13、nce band,Conduction band,(e),Valence band,Conduction band,(f),Input,Signal,Encoder,Electrical/ Optical Converter,Repeater,Optical/ Electrical Converter,Decoder,Output,Signal,Fiber Optic Cable,11.3.5 光导纤维,输入信号 电光转换 复制 光电转换 输出,编码,解码,Digital encoding,Intensity,Time,(a),Intensity,Time,(b),数字编码,Coaxial design of commercial optical fibers,
